某大道立交改建工程对临近磁浮线数值模拟研究

张春锋 （上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海200093）

1 概况

1.1 工程概况

拟建凌空路～迎宾大道立交改建工程河道工程，工程地点位于凌空路与迎宾大道交叉口，拟开挖河道全长约470m，河道总宽度约30m，河道开挖深度4.0m，河道北侧局部拟开挖面积约3000m2的湖泊。拟开挖河道湖泊与磁悬浮位置关系如图1所示，河道护岸断面如图2所示[1]，河道坡顶距离磁悬浮最近处约18.5m，最远约67.6m，湖泊距离磁悬浮最近48.5m。

图1 基坑周边环境示意图

图2 护岸断面图

1.2 拟分析对象桩基及承台情况

根据上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司2017年3月提供的《凌空路～迎宾大道立交改建工程磁悬浮保护方案、荷载对比计算书》的咨询意见，磁浮P0779～P0782墩，桥墩为标准双柱墩[2]；承台顶标高3.5m，承台厚2.0m，横桥向承台宽9.0m；桩基采用φ600 PHC管桩，桩长约34m，桩基有14根桩和18根桩两种类型，如图3、4所示。

图3 P0779、P0781桥墩构造图（14桩）

图4 P0780、P0782桥墩构造图（18桩）

1.3 工程地质条件

拟建场地各土层的物理力学性质参数[3]如表1所示。

1.4 磁悬浮保护要求

磁浮线轨道结构的附加变形控制要求如表2所示。

土层物理力学参数 表1

磁浮线变形控制要求 表2

2 河道开挖、河道形成对磁悬浮桩基的有限元分析

2.1 分析方法

本次分析采用有限元软件Plaxis[4]进行二维数值计算分析。

2.2 计算模型

模型计算区域：竖向范围取50m，水平范围取130m。

基坑围护分析过程中，针对不同分析对象采用不同的单元类型和本构关系，具体详见表3，分析模型的底部采用全自由度约束，即水平、竖直向固定约束；侧面采用法向约束，允许竖向变形。数值模拟过程中考虑基坑周边10m范围内超载。

结构参数：基坑采用1∶3放坡开挖。

分析单元类型与本构模型表 表3

有限元计算模型及网格如图5和图6所示。

图5 有限元计算模型

图6 有限元网格划分图

2.3 施工工况模拟

①初始应力条件。基坑在开挖之前场地存在初始应力场，故首先按土体自重应力场来模拟场地存在的初始应力场。初始应力条件的确定是模型建立的另一个关键问题，初始应力场是基坑即将开挖时的应力场。初始应力场是弹塑性有限元计算的基础，基坑开挖各个阶段的计算都是在此基础上进行。根据分析问题的不同，采用不同的手段进行初始应力场的确定。对于水平土层条件的初始应力场可以采用K0系数法。在上述应力场基础上，初始化所有位移与应变为零，仅保存其变化的应力场作为基坑施工模拟的初始应力场。

②邻近坑边超载对初始应力状态的影响。采用有限元软件中“单元生死”的方法，在基坑开挖前激活荷载，考虑其对初始应力场的影响。

③基坑开挖过程的模拟，利用有限元软件“单元生死”技术模拟，通过杀死土体单元，模拟土体开挖的全过程。

具体计算工况如下：

图3(a)和图3(b)分别展现了由于环境温度改变导致的IC器件中芯片和接合层焊点中的热应力,比较了未灌装构型和灌装构型的结果。选取3个代表性器件U1,U3,U8,取各自的绝对值最大应力进行比较。可以看出,芯片中的应力和焊点中的应力符号相反。温度升高时,芯片承受拉应力,焊点承受压应力,温度降低时情况相反,这主要是由于接合层的热膨胀系数大于IC器件导致的。对整体灌装构型,由于灌装聚合物的热膨胀系数大于IC器件,在一定程度上加剧了IC器件中应力,同时略微减小了接合层中的应力。同时可看到,对于环境温度改变情形,在所研究灌装厚度下不同器件所受应力差别不大。

工况一，生成初始地应力场；

工况二，施加坑边超载；

工况三，基坑预降水；

工况四，土方开挖至坑底；

工况五，基坑灌水，河道形成。

图7 施工工况图

2.4 基坑降水、土方开挖对磁悬浮桩基的影响分析

分析基坑降水及土方开挖对磁悬浮桩基的影响，对应工况为工况四。工况四时，基坑最大水平位移为18.47mm，水平位移云图如图8所示；坑底最大隆起量为15.98mm，出现在基坑开挖面中间，竖向位移云图如图9所示。

有限元模型中，磁悬浮桩基距离基坑由远到近依次是Pile1、Pile2、Pile3和Pile4，磁悬浮桩基位移计算结果如表4所示。

图8 水平位移云图（工况四）

图9 竖向位移云图（工况四）

磁悬浮桩基位移计算结果 表4

由表4可知，基坑开挖及降水引起的磁悬浮桩基沉降，从远到近依次为0.64mm、0.70mm、0.79mm和0.85mm，满足支墩沉降量≤2mm以及前后支墩累计不均匀沉降量≤1mm的控制要求；同一承台左右侧支墩累计不均匀沉降量0.2mm，满足≤0.5mm的要求；支墩水平位移为0.92mm，满足前后支墩横向（X向）累计差异偏移量≤1mm的要求。

图10 水平位移云图（工况五）

图11 竖向位移云图（工况五）

2.5 基坑灌水、河道形成对磁悬浮桩基的影响分析

分析基坑灌水、河道形成对磁悬浮桩基的影响，对应工况为工况五。工况五时，基坑最大水平位移为17.73mm，水平位移云图如图10所示；坑底最大隆起量为15.45mm，出现在基坑开挖面中间，竖向位移云图如图11所示。

有限元模型中，磁悬浮桩基距离基坑由远到近依次是Pile1、Pile2、Pile3和Pile4，磁悬浮桩基位移计算结果如下表所示。

磁悬浮桩基位移计算结果 表5

由上表可知，基坑开挖及降水引起的磁悬浮桩基沉降，从远到近依次为0.55mm、0.62mm、0.71mm和0.77mm，满足支墩沉降量≤2mm以及前后支墩累计不均匀沉降量≤1mm的控制要求；同一承台左右侧支墩累计不均匀沉降量0.22mm，满足≤0.5mm的要求；支墩水平位移为0.74mm，满足前后支墩横向（X向）累计差异偏移量≤1mm的要求。

3 结论与建议

3.1 结论

本评估采用数值计算[5]的方法，模拟计算凌空路～迎宾大道立交改建工程河道开挖及河道形成后对临近磁浮线桩基的影响。通过计算分析，在保证施工要求的前提下，河道开挖施工能够满足磁浮线的保护要求。

3.2 建议

①若要进一步评估河道开挖对临近磁悬浮区域土性的影响，可采用勘察手段静力触探方法，通过分析土性指标，分析河道开挖对临近磁悬浮区域土性的影响。

②河道湖泊开挖施工应尽量缩短施工周期、明确目标节点，同时应分段开挖，减少对磁悬浮的影响。

③基坑开挖过程中必须加强对基坑周边地下水位及磁悬浮基础的监测，确保磁浮线的安全运营。坑外水位报警值下降速率300mm/d或累计下降1000mm；磁悬浮基础报警值具体由相关部门和监测单位确定。

④河道开挖及河道完成后，磁悬浮墩柱加强监测，监测周期不小于2年。