景观改造工程对地铁区间影响分析

邓 林 恒

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

景观改造工程对地铁区间影响分析

邓 林 恒

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

采用土体硬化模型(HS模型)，对某地铁明挖区间正上方景观改造工程进行了三维流固耦合分析，并探讨了景观改造对地铁区间的影响，结果表明，工程实施具有明显竖向卸荷作用，导致土层与地铁区间变位，地铁区间最大回弹变位4.58 mm，对地铁结构安全与运营影响风险可控。

HS模型，地铁区间，竖向卸荷，数值模型

0 引言

随着城市轨道交通建设的快速推进、轨道交通网络逐步形成，土地集约化效应日趋明显，其他市政工程与既有轨道交通结构交汇几率增加，位于地铁区间上方的工程案例逐渐增多[1,2]。

轨道交通工程实施时改变了土体初始应力场、渗流场，使得土层应力分布非常复杂。新建工程实施时导致围岩应力场二次重分布，引起既有轨道交通结构状态变化，影响结构受力，甚至威胁运营安全。掌握新建工程实施中既有结构变形特征，确保既有结构正常使用，成为工程界必须解决的课题。由于此类工程问题的复杂性，很难通过解析方法求解，须借助数值方法。

本文对地铁明挖区间上方的景观水体改造工程进行三维流固耦合数值分析，得到了既有区间结构在不同实施阶段时的变形变化规律，从而为工程可实施性提供了技术依据，并指导工程实施与制定监测方案。分析思路与结果可供同类工程借鉴。

1 工程概况

工程平面位置关系见图1，地铁区间结构位于人工湖下方，底板埋深约10.2 m，覆土厚度3.3 m～3.5 m，现状常水位标高1.803 m。区间实施时采用三级放坡，坡度分别为1∶1.2,1∶1.5,1∶1.5。区间与两侧车站采用20 mm宽变形缝连接。目前区间已投入使用约2年，人工湖蓄水已完成。

景观水体改造工程拟建圆弧形挡水墙，与地铁明挖区间垂直正交，挡水墙结构形式见图2，包含7 m宽隔水挡墙与两侧各5 m宽铺盖。

景观水体改造时，需先抽干现状人工湖蓄水(2.103 m深)，开挖后施工挡水墙结构。为减少对下方区间影响，先开挖7 m宽隔水挡墙与外侧5 m宽铺盖区域，并在内侧5 m宽铺盖范围内堆土(0.4 m高)；待12 m范围内结构浇筑后再实施内侧5 m宽铺盖。结构全部完成后蓄水至现状常水位。此外需考虑检修工况(外侧常水位，内侧抽干至湖底)对区间影响。

2 数值模型与参数取值

数值模型见图3，模型总尺寸125 m×120 m，景观水体改造范围与明挖区间单元尺寸按1 m控制，边界处单元尺寸适当放宽至5 m。模型四个侧面约束法向平动，底面约束三方向平动。

地铁区间采用壳单元，挡水墙结构采用三维实体单元，钢筋混凝土结构均采用线弹性本构。由于土体经历多次卸荷与加荷，本构模型须能满足工程需要。

为获得地铁结构实施后应力场，分析中考虑了明挖区间的降水开挖与回填过程，回填土体参数均采用①2素填土。

分析工况为：1)降水至湖底，降深2.103 m；2)开挖结构段1(7 m宽挡墙+外侧5 m铺盖)土体；3)实施结构段1混凝土结构；4)开挖结构段2(内侧5 m铺盖)；5)实施结构段2结构；6)蓄水至常水位；7)检修水位(外侧常水位，内侧至湖底)。分析中采用流固耦合分析。

表1 土层参数表

3 分析结果

3.1 对地层影响

景观水体改造工程施工导致土层呈整体竖向回弹，降水至湖底阶段土层竖向回弹相对较均匀，并在挡水墙实施阶段继续发展，开挖结构段1土层时土层竖向回弹达到最大值，如图4所示，最大回弹量为9.32 mm。

蓄水至人工湖常水位时土层竖向回弹量有所恢复，如图5所示，挡水墙结构回筑区域竖向压缩，最大压缩量6.86 mm。

检修阶段土层竖向变位见图6，由于内侧水位低荷载，内侧土层呈竖向回弹，最大达6.56 mm。

3.2 对地铁区间影响

不同工况下地铁区间底板竖向变位见图7，区间在降水至湖底阶段变位最为显著，沿区间纵向变位相对均匀。挡水墙结构开挖与回筑阶段，地铁区间局部相应回弹与变位恢复。由图7可见，工程实施阶段，结构段1外25 m，结构段2外38 m区域，地铁区间底板竖向变位变化相对频繁。蓄水至常水位时，地铁区间底板变位基本竖向，最大残余变位0.51 mm。检修阶段内侧降水对地铁区间影响较显著，底板在内侧降水区域竖向回弹，外侧区域呈向下变位特征，最大回弹量3.95 mm，最大向下变位1.19 mm。

工程实施时地铁区间底板最大竖向变位为4.58 mm≤10 mm，线路最大相对弯曲出现在检修阶段，为1/8 180≤1/2 500，工程实施对地铁运营影响整体可控。

地铁区间弯矩承载能力与本文工程实施时弯矩包络值对比表见表2，可见虽然工程实施导致地铁区间内力产生一定变化，但原设计能满足受力要求，不会对区间结构安全产生影响。

表2 内力对比表

4 实测数据

景观水体改造工程实施监测数据表明，当湖水降水至湖底时，区间底板最大隆起量1.8 mm；挡水墙结构回筑阶段最大隆起量为3.5 mm；蓄水至常水位后最大沉降约2.8 mm。

工程实施阶段实测数据与本文分析基本一致，蓄水阶段沉降量偏大可能与区间明挖回填固结压缩过程叠加所致有关。

5 结语

通过文中景观水体改造工程对地铁区间影响分析，可得到如下结论：

1)景观水体改造工程产生明显的上方卸荷作用，从而带动周边地层与地铁区间竖向变位。

2)工程实施地铁区间最大竖向变位4.58 mm，低于10 mm控制限值要求，地铁区间内力产生变化，但仍在结构承载能力范围内，不会危及结构安全。

3)工程实施中，轨道结构最大变位与相对弯曲仍在运营允许范围内，不会影响地铁运营安全。

工程实测数据与文中结果较为一致，分析思路与方法可供同类工程借鉴与参考。

[1] 张玉永，宋天田，周顺华.软土地层近距离上穿既有隧道变形的数值模拟[J].华东交通大学学报，2007,24(4):36-45.

[2] 何 川，苏宗贤，曾东洋.地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响[J].土木工程学报，2008,41(3):92-98.

[3] SCHANZ T,VERMEER P A,BONNIER P G.Beyond 2000 in computational geotechnics,chapter formulation and verification of the hardening-soil model[M].Balkema, Potterdam,1991:281-290.

[4] Teo P L,Wong K S.Application of the Hardening Soil model in deep excavation analysis[J].The IES Journal Part A：Civil & Structural Engineering,2012,5(3)：152-165.

[5] 王卫东，王浩然，徐中华.基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究[J].岩土力学，2012,33(8):2283-2290.

The influence analysis of landscape renovation to metro tunnels

Deng Linheng

(ChinaRailwaySiyuanSurvey&DesignGroupCo.,Ltd,Wuhan430063,China)

The paper adopts the Hardened Soil model to undertake the three-dimension fluid-structure interaction analysis, explores the influence of the landscape reconstruction on the subway section, proves the engineering implementation has the evident vertical unloading effect which can lead to the deflection between the stratum and subway sections, and indicates the maximal springback deflection is 4.58 mm in the subway sections, so its influence on the subway structure safety and operation are controllable.

HS model, subway section, vertical unloading, numerical model

1009-6825(2017)05-0086-03

2016-12-09

邓林恒(1985- )，男，硕士，工程师

TU431

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