市政道路下穿对机场快轨U形槽变形的影响分析

2020-04-26睢忠强汪小庆杨松林刘建友

铁道标准设计 2020年4期

睢忠强,汪小庆,王凯,杨松林,刘建友

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司城市轨道交通设计研究院,北京 100055)

新建地下工程施工不可避免地对既有线结构产生扰动，影响既有线的运营，严重时可能造成既有线结构的破坏和部分使用功能的丧失，危及行车安全[1]。北京市轨道交通建设管理有限公司在环境安全分级中，将下穿既有轨道线路(含铁路)的新建线路定为特级环境安全风险[2]。北京新机场线位于北京南部三环以外区域，是一条服务于北京新机场的专线，线路全长41 km[3]，其中地下段长约23.7 km，高架段长约17.7 km[4]，远大于常规地铁[5]，结构形式复杂，包含U形槽113 m、路基1 390 m，且路基和U形槽结构共构，设计最高运行速度为160 km/h[6]，交叉施工多、难度大[7]，这就对线路的安全运营及次干一路穿越工程的控制指标提出了严格的要求。

众多学者[8-12]研究了穿越工程对既有线的影响，周顺华[13]将地下穿越施工变形分为绝对量控制和相对量控制，并给出了具体的控制方法，同时指出，变形控制的难易程度取决于地层的工程和力学性质。韩煊[14]基于刚度修正法的基本思路和对实测既有线隧道变形特征的分析，从国内外典型的地铁下穿既有线的案例分析着手，着重考虑既有隧道埋深、结构刚度对其变形特征的影响，提出适用于预测既有线在新建隧道下穿影响下产生沉降的简便分析方法。王占生[15]结合北京地铁5号线崇文门站下穿既有地铁2号线区间隧道工程，通过有限元分析方法等进行新建隧道施工对既有地铁影响的预测分析，将主要控制标准按施工步序进行分解，实施控制标准的分阶段控制，确保既有地铁的正常安全运营。张弢[16]对南水北调东干渠输水隧洞穿越北京轨道交通机场线方案进行评估分析研究，计算选用ANSYS软件，从U形槽结构变形、既有地铁轨道结构变形等方面，对3种穿越方案进行对比，采用变形数值最小的注浆加固措施穿越方案作为最终方案。张文正[17]运用ANSYS软件模拟大盾构隧道在不同位置穿越机场线的施工过程，分析既有高架桥结构的变形结果，提出盾构隧道与桥桩之间的净距是盾构施工过程中既有结构变形的主要因素。

目前大多数的研究主要集中在穿越工程对既有地铁隧道区间影响[18-22]，对机场快轨U形槽的影响分析研究比较少，以北京次干一路下穿新机场快轨工程为例，对市政道路下穿机场快轨U形槽沉降控制进行研究，分析市政道路下穿机场快轨的变形影响规律及安全性，以确保市政道路施工及机场快轨U形槽运行安全，可为类似的工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程背景

新机场快轨主线为路基形式，进出场线为U形槽形式，次干一路下穿段位于新机场快轨路基和2个U形槽下方，与新机场快轨轴线平面交角约86°，如图1所示。U形槽在下穿段处自南向北下坡，坡度为3%。次干一路下穿段框架结构顶距进出场线U形槽结构底板最近处约0.9 m。次干一路下穿段在下穿位置东侧开挖基坑，基坑支护采用排桩+锚索的形式。基坑开挖完成后开始下穿施工，如图2所示。

图1 次干一路下穿段与新机场快轨平面关系

图2 次干一路下穿段与机场快轨剖面关系

1.2 地质概况

地质勘察报告揭示，穿越机场线段地层从上到下依次为粉质黏土、粉细砂、粉质黏土、粉细砂、细中砂，隧道洞身位置为粉质黏土、粉细砂等细颗粒地层，模型中涉及的地层如表1所示。

表1 模型中涉及的地层

1.3 机场快轨U形槽变形控制值

为保证施工期间机场快轨既有线的日后正常运营，既有线U形槽结构变形控制标准如下：

(1)结构沉降<4 mm，结构上浮<4 mm，结构水平位移<4 mm；

(2)变化速率<1 mm/d。

2 数值计算模型

2.1 模型参数

采用Midas GTS NX有限元数值分析软件进行建模计算，参照实际施工时的相关参数，建立高70 m，宽度为115 m，纵向长度85 m的计算模型，隧道埋深10.6 m。数值模型如图3所示。

图3 数值分析模型

模型采用实体单元模拟地层土体，地层土体采用修正Mohr-Coulomb本构模型[23]。U形槽结构、路基板、隧道衬砌和管棚均采用板单元模拟，桩采用梁单元模拟，U形槽、路基板、隧道及桩考虑在弹性范围内工作，采用线弹性本构[24]。在模型底部施加竖向固定位移约束，模型四周约束为各面的法向位移约束[25]，地表为自由面。各土层、结构材料参数见表2、表3。

表2 土层材料参数

表3 结构材料参数

2.2 计算工况

各工况模拟情况的说明如表4所示。

3 结果分析

3.1 初始状态模拟

施工过程中土体开挖后地应力释放会造成土体卸载作用。计算基坑、隧道开挖施工对既有新机场快轨U形槽和路基的变形，首先需要地应力平衡计算，获得初始地应力，之后施做路槽结构、开挖路槽，计算完毕后，为得到施工过程对新机场快轨U形槽产生的附加影响，保留计算所得的应力状态，同时将位移清零，以此为后续次干一路施工阶段的初始状态，如图4所示。

表4 计算工况

图4 模型初始竖向地应力(单位：10-3MPa)

3.2 地层位移分析(图5)

图5 施工结束后土层位移云图

从图5可以看出，施工结束后，土层位移最大的位置均为基坑和隧道开挖区域：水平方向上，在基坑和隧道衔接部分有向基坑方向位移的趋势，两侧均发生沿开挖方向的位移，U形槽及路基部分的位移较之略小；竖直方向上，基坑底部发生了较大的隆起，最大达到18.739 mm，四周则发生一定的沉降，呈现出明显的沉降槽规律，而隧道开挖部分整体表现为沉降，达到了15.031 mm。

3.3 结构位移分析(图6)

图6 施工结束后桩的位移云图

从图6得到施工结束后，在水平方向上，各种桩均发生了不同程度倾向基坑开挖方向的位移，随距基坑的远近而受到的影响不同：距基坑越近位移越大，距离越远位移越小；在竖直方向上，临近基坑开挖一侧的围护桩和其他桩表现为隆起，最大为3.710 mm，在临近隧道开挖一侧的桩表现为沉降，最大达到2.582 mm。

施工结束后，新机场快轨U形槽的位移云图如图7所示。从图7可以看出，U形槽上边缘局部的水平位移随距离基坑的远近表现出相反的规律：临近基坑一侧的U形槽发生倾向基坑的位移，远离基坑一侧的U形槽发生倾向隧道开挖方向的位移，整体上发生倾向基坑方向的位移；竖向位移表现出相同的规律：整体上均发生了竖向沉降，其中临近隧道开挖方向一侧的U形槽沉降2.978 mm，明显大于临近基坑一侧的U形槽沉降1.322 mm，说明基坑开挖卸载的作用明显。根据GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，变形在安全范围内。

图7 施工结束后U形槽位移云图

图8是新机场快轨左右U形槽及路基板水平位移随施工阶段的变化曲线。图8中横坐标为施工工况，纵坐标为左右U形槽和路基板在次干一路隧道下穿正上方的水平位移。从图8可以看出，水平方向上，左右U形槽和路基板都整体发生了向基坑开挖方向的位移，其中左侧U形槽和路基板的变化幅度相一致，而右侧U形槽自基坑开挖结束后随隧道开挖，出现较大的水平位移。

图8 U形槽和路基板水平位移

图9是新机场快轨左右U形槽及路基板竖向位移随施工阶段的变化曲线。图9中横坐标为施工工况，纵坐标为左右U形槽和路基板在次干一路隧道下穿正上方的竖向位移。从图9可以看出，竖直方向上，左右U形槽和路基板的变化规律相同，其中左侧U形槽和路基板整个阶段都发生了沉降，而右侧U形槽则发生了一定程度的隆起，最终表现为沉降。