上跨高铁隧道群地铁停车场钢桁梁原位吊装安全性分析

2020-03-30陈玉发傅鹤林孙广臣

水利与建筑工程学报 2020年1期

周晨，刘洋，陈玉发，杨俊，傅鹤林，孙广臣

(1.中铁五局集团建筑工程有限责任公司，贵州贵阳 550081； 2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

推进绿色、生态文明建设[1-3]是当前我国基础设施建设中的重大战略之一。近年来，我国地铁及隧道工程穿越不良地质地带[4-5]、周边环境恶劣、复杂和敏感地段[6-7]的案例越来越多，施工风险不断增大。目前，深圳市、贵阳市等城市地铁和地下工程的建设，除须面临复杂地质条件、沿线密集建筑物和管线、老城区施工和城市用地紧张等困难外，在修建过程中对绿色、生态、环保的要求也越来越高。

随着近年来国家大力投资基础设施建设，城市地下空间开发和利用日益受到重视，全国各地的地铁工程建设项目也越来越多。以深圳为例，目前就已开通、正在建设和规划了十余条地铁线路。这其中，深圳地铁6号线民乐停车场工程，具有结构复杂、环境敏感、地质复杂、施工难度大、工期紧张及施工风险高的特点。由于具有受力明确、结构简单、便于拼装、吊装和易于快速施工等特点，钢结构桥梁尤其是钢桁梁在各种工程建设中被广泛应用。目前，对于大跨度钢桁梁架设、近接高速公路或跨越营业线吊装、施工及安全性等问题，国内外已开展大量研究与实践。孙连勇[8]以兰渝铁路某特大桥工程跨既有线128m大跨度钢桁梁架设为例，针对跨越既有铁路施工场地受限的难题，分析了钢桁梁侧位拼装横移法施工时，支撑系统、地基及杆件等的受力与变形特性，为跨越营业线铁路钢桁梁施工提供了一定指导和参考。白涵驹[9]以跨荣乌高速特大桥为例，探讨了钢桁梁拼吊装施工现场质量管理的有效措施。赵晋平[10]介绍了准池铁路跨大呼高速公路特大桥钢桁梁施工中铁路钢桁梁施工技术。代建波[11]等以某景区人行玻璃索桥为研究对象，通过静载试验和有限元分析，对桥梁的动力刚度及其安全性进行了评估和研究。袁理等[12]以大岳高速某洞庭湖大桥钢桁梁吊装施工为背景，开发了一种新的悬索桥浅滩区梁段吊装施工技术。邓旭等[13]结合某特大桥连续钢桁梁架设顶推安装施工实例，对连续钢桁梁顶推架设施工过程中的受力与安全控制措施进行了论述和分析。陈永宏[14]以新建黄大铁路淄东铁路立交特大桥上跨既有铁路张东铁路和德大史口联络线的钢桁梁顶推施工为例，介绍了钢桁梁临时支墩搭设、钢桁梁拼装、顶推施工、纠偏、落梁等施工工艺和既有线防护等措施。

上述最新研究和相关工程案例中，大多只是针对大跨度钢桁梁拼装、顶推和架设施工技术及跨越既有铁路线的施工技术和安全控制措施的探讨和分析，罕有针对浅埋填土上跨既有运营高铁隧道地铁停车场大跨度钢桁梁的架设方法和安全性评价的研究或报道。因此，本文针对民乐停车场建设中所特有的敏感且复杂的环境和地质条件，开展钢桁梁原位吊装安全分析与评价研究，相关研究成果可以直接为该工程的安全施工、下方高铁填土隧道群的安全监控与长期运营安全提供坚实的技术支撑，也可为国内外类似复杂地质和环境条件下的地铁及地下工程建设提供重要技术依据和经验性指导。

1 工程概况

深圳地铁6号线民乐停车场地块位于深圳梅观立交西北侧，新区大道与4号线以西，翠岭华庭以南。该停车场场地现状标高93 m～102 m，主要包括运用库、咽喉区、洗车库及变电所。其中，广深港客运专线隧道、杭深(厦深)铁路正线隧道及杭深(厦深)铁路联络线隧道下穿该地块(见图1—图3)。该停车场出入线隧道线路大体呈东西走向，起点为梅翰区间，线路出区间后，先沿塘朗山山脉往西行，后往东北方向行走接入停车场。

图1 地铁停车场分区示意图(单位：m)

图2 各钢桁梁在停车场中的平面布置示意图

该停车场与广深港客运专线隧道(处于微风化岩层中)交叉里程范围为DK105+486.5—DK105+637.7，覆土29 m～33 m，与隧道的夹角约45°；与杭深铁路隧道(处于回填土中)的交叉里程范围为DK506+363.0—DK506+536.0，覆土8.0 m～8.4 m，与隧道的夹角约33.5°；与杭深铁路联络线隧道(处于回填土中)的交叉里程范围为LDK0+155.0—LDK0+355.0，目前运用库场内标高为101.25，覆土8.5 m，与隧道的夹角约36.8°。

图3 钢桁梁与高铁隧道群相互关系示意图

1.1 桥梁结构形式

民乐停车场运用库一区桥梁共三种跨度：55 m、66 m、88 m；场区消防车道及洗车线共两种跨度：60 m和80 m。主体钢结构为采用带竖杆N型三角桁架，节间长度11 m，桁高12.55 m。其中，1#和2#桥桁宽14.25 m，3#和4#桥桁宽16.75 m，5#和6#桥桁宽16.75 m，7#—12#桥桁宽17.2 m，13#和14#桥桁宽9 m。钢桁梁结构主要有主桁上下弦杆、腹杆、上下横梁、联结系和轨道下纵梁和支座等组成(见图4)。其中，1#—6#桥、13#—14#桥设计总重量6 483 t，7#桥933 t，8#桥1 519 t，9#桥933 t，10#桥1 519 t，11#桥904 t，12#桥1 477 t，单根杆件最大重量约24.3 t。

图4 钢桁梁组成示意图

钢桁梁主桁连接采用焊接整体节点，最大板厚40 mm，上弦杆、下弦杆、端竖杆、上下横梁及轨道下纵梁采用箱型截面，腹杆采用H型截面。上下弦杆高1 350 mm，宽770 mm，最大板厚40 mm，在腹板及顶底板中部设加劲肋。端竖杆高820 mm，内宽770 mm，最大板厚28 mm。端部上横梁宽900 mm，高1 350 mm，板厚20 mm，端部下横梁宽900 mm，高1 000 mm，板厚20 mm。腹杆采用H型截面，宽650 mm～820 mm，高618 mm～768 mm不等，上横梁高1 350 mm，宽650 mm，下横梁高1 000 mm，宽650 mm，联结系高500 mm，宽400 mm。轨道纵梁高450 mm，350 mm。腹杆与主桁节点采用插入方式连接；少量杆件较长、压力较大的腹杆采用箱型截面，与主桁节点采用四面对接的方式连接。弦杆之间采用四面拼接。主桁与节点之间采用M30高强度螺栓，其余节点采用M24高强度螺栓连接。

桥梁钢材均采用Q345QC级钢，上弦杆顶板节点板、内侧腹板节点板及下弦杆的底板节点板、内侧腹板节点板，以及竖杆与横联连接侧的翼缘，当板厚≥40 mm时，采用厚度方向性能钢板，Z向性能等级为Z25。

1.2 安装方案

钢桁梁安装拟采用100 t履带吊原位吊装的方式进行安装，即在各桥梁安装位置设置混凝土扩大基础作为钢桁梁杆件的临时支点，然后利用履带吊由下到上的顺序依次吊装钢桁梁各杆件进行拼装，每拼装完成一个节段吊机后退，继续拼装下一个节段的钢梁，依次完成全桥钢梁的拼装。由于各组梁之间的间距比较小，结合项目的总体工期要求，计划先拼装5#/6#桥和1#/2#桥，然后拼装3#/4#桥和13#/14#桥，相邻的两个桥梁拼装时横向间距拉开1 m，拼装完成后在横梁至设计桥位。后续计算中，根据现场实际条件及机械、人员配备等情况，按不利工况进行钢桁梁拼装施工阶段安全验算。

2 钢桁梁原位吊装安全验算与分析

2.1 荷载计算

由于钢桁梁上跨铁路隧道，原位吊装时需要在铁路隧道的上方设置临时混凝土基础作为钢桁梁的拼装胎架，因此需要根据安装工况计算施工荷载，并对铁路隧道的受力进行验算。

建立钢桁梁桥的有限元分析模型，以5#、6#桥为例，计算钢桁梁下弦各支点的支反力，得到最大的支点反力为1 259 kN(见图5)。

5#、6#桥各支点反力及支点相对于铁路隧道的关系，如图6所示。

图5 5#、6#钢桁梁反力计算模型(单位：kN)

图6 5#、6#钢桁梁各支点布置示意图

2.2 三维有限元模型的建立

通过MIDAS/GTS NX 有限元软件建立民乐停车场整体三维群桩-隧道-围岩数值分析模型。所建立的模型，如图7所示。

图7 停车场整体有限元计算模型

计算模型左右方向考虑3倍隧道宽度和高度方向3倍隧道洞跨、3倍桩长的影响，模型计算范围：长×宽×高= 450 m×320 m×132.5 m。模型中的土层均看作理想各向同性材料，采用Mohr-Coulomb屈服准则。假定隧道及附近围岩在外荷载作用下仍处于弹性变形阶段，采用各向同性的弹性模型(见图8)。各地层、桩基础、碎石混凝土基础均为3D实体单元，隧道衬砌为2D板单元，各类单元总数66 6012个，节点总数125 694个。

2.3 计算参数的选取

本场地内的土(岩)层主要有：填土、黏土、碎石等，土质不均，局部混有少量建筑垃圾。计算中，各土(岩)层的物理力学参数见表1。

2.4 边界条件

模型约束条件为前、后、左、右侧边界，施加水平方向单向约束，底面施加竖向约束，模型上表面为自由面。数值计算分析工况，见表2。

表1 计算参数

表2 钢桁架梁原位吊装分析计算工况

2.5 数值模拟结果及分析

(1) 隧道衬砌、片石混凝土基础及桩基础位移。研究工况2—工况5中隧道衬砌、片石混凝土基础及桩基础的竖向位移和水平位移情况可见，隧道衬砌竖向位移(向下)最大值为-1.85 mm(沉降)，出现在杭深梅林隧道与联络线隧道交叉部位的拱腰、侧墙及底板处(靠近16#梁)，出现在工况5(拼装完1#—16#梁)；隧道衬砌竖向位移(向上)最大值为0.96 mm(隆起)，出现在杭深梅林隧道与联络线隧道交叉处的杭深梅林隧道拱顶部位，出现在工况2(拼装完5#—8#梁)；隧道衬砌水平位移最大值为2.28 mm，出现在杭深梅林隧道与联络线隧道的拱腰及侧墙部位；广深港铁路隧道衬砌最大沉降值为0.48 mm，最大水平位移值为0.91 mm。

各个拼装阶段，杭深梅林隧道与联络线隧道衬砌的最大沉降值分别为1.69 mm、1.69 mm、1.70 mm和1.88 mm，出现在1#、2#、3#、4#、5#、6#梁原位拼装处附近与交叉部位的拱腰、侧墙及底板处，其他部位均在0.15 mm～1.47 mm左右；隧道衬砌的最大隆起值分别为0.96 mm、0.92 mm、0.87 mm、0.88 mm，均出现在杭深梅林隧道与联络线隧道交叉处的杭深梅林隧道拱顶部位(12#梁底部、14#梁北侧)，其他部位均在0.08 mm～0.74 mm左右；隧道衬砌水平位移处于0.12 mm～2.28 mm之间，最大值出现在杭深梅林隧道与联络线隧道的拱腰及侧墙部位；各个拼装阶段，广深港铁路隧道衬砌最大沉降值为0.48 mm，最大水平位移值为0.91 mm。

综上可见，各拼装阶段中杭深梅林隧道及其联络线隧道与广深港铁路隧道衬砌的最大沉降、最大隆起和最大水平位移数值，均小于±2.5 mm的隧道安全运营预警值[15]。

(2) 隧道周边岩土体位移。研究工况2—工况5中隧道周边岩土体竖向位移和水平位移情况可见，在各拼装工况下隧道周边岩土体的沉降值处于-2.38 mm(沉降)～1.02 mm(隆起)之间，岩土体水平位移处于-2.28 mm～1.84 mm之间，均满足施工要求。

(3) 结果分析与讨论。通过计算与分析可知，在安装过程中，钢桁梁各节点支点处对地面的最大荷载扩散到隧道上方时的均布荷载，小于履带吊在隧道上方吊装最大杆件时对地面的压力扩散到隧道顶面的均布荷载值。因此，在杭深铁路隧道和广深港铁路隧道上方施工时，传递到隧道顶部的最大均布荷载及其引起的位移在隧道结构的承载范围内，满足施工要求。

数值模拟计算结果显示：杭深梅林隧道与联络线隧道衬砌最大沉降值为1.88 mm，最大隆起值为0.96 mm，最大水平位移为2.28 mm，均小于2.5 mm的隧道安全运营预警值；广深港铁路隧道衬砌最大沉降值为0.48 mm，最大水平位移值为0.91 mm，也均小于2.5 mm的隧道安全运营预警值。各拼装工况下，隧道周边岩土体最大沉降2.38 mm，最大水平位移2.28 mm，满足施工要求。