基于MIDAS/GTS NX的人行过街天桥建设对地铁隧道的影响分析

2024-01-31刘俊玲刘海苹

黑龙江工程学院学报 2024年1期

刘俊玲,刘海苹

(黑龙江工程学院土木与建筑工程学院,哈尔滨 150050)

随着城市交通的发展,在人流量和车流量较大的主干路建设过街天桥可以缓解路段的交通拥堵状况,改善周边居民的出行环境。根据2018年交通运输部《城市轨道交通运营管理规定》相关要求,城市轨道交通工程项目应当按照规定划定保护区,在城市轨道交通保护区内进行新建、改建、扩建或者拆除建(构)筑物作业的,应当按照有关规定制定安全防护方案,并对作业影响区域进行动态监测。文中以地铁交通保护区范围内的人行过街天桥为研究对象,通过模型模拟[1]、数值计算[2]分析确定该建设对已有地铁轨道变形的影响程度[3],避免过街天桥在建设和使用阶段对地铁隧道造成不利影响,威胁地铁隧道的安全,为类似的工程项目探寻合适的研究方法和施工方案[4]。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

项目建设区域位于哈尔滨市地铁2号线某区段,拟建天桥位置如图1所示。过街天桥跨度45.00 m,宽度3.60 m,天桥下净空6.00 m。基础采用钻孔灌注桩,其中,ZH-1及ZH-2桩径500 mm,桩身长12.5 m,单桩承载力特征值650 kN,ZH-3～ZH-5桩径500 mm,桩身长8.5 m,单桩承载力特征值450 kN。天桥基础布置如图2所示。地铁隧道宽18.00 m,高7.20 m。地铁隧道为钢筋混凝土拱形结构,上部覆土厚度16.5 m。该路段地铁隧道剖面图见图3。

图1 项目区域天桥及地铁走向

图2 拟建天桥基础布置

图3 区段地铁隧道剖面

该天桥建设路段原有建筑物及构筑物较密集,过街天桥基础的①～③轴距离地铁隧道较近,①轴桩距离地铁隧道边缘水平距离2.0 m,桩底距离隧道顶面竖向距离4.0 m,此区域共有桩22根。天桥基础与地铁隧道位置关系如图4所示。

图4 过街天桥基础与地铁隧道位置关系(mm)

1.2 地质情况

根据该路段人行过街天桥地质勘察报告,工程地质和水文地质良好,不存在对工程安全有影响的岩溶、滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用危险区,不存在湿陷性土、红黏土、膨胀岩土、盐渍岩土等特殊性岩土。该建筑场地为季节性冻土,标准冻结深度为2.0 m。勘察期间勘探深度内未见地下水出露,因此,地下水对基础施工无影响,地层结构如图5所示。

图5 工程地质剖面

2 计算模型及相关参数

2.1 计算软件与计算模型

进行结构分析的软件很多,通过对比选用MIDAS/GTS NX进行分析[5]。该软件是针对岩土隧道领域的结构分析开发,与其它大型通用有限元软件相比,除了具有强大的前后处理及求解功能外,还可进行回填、开挖及支护结构等岩土及隧道工程施工分析[6]。MIDAS/GTS NX施工阶段分析采用的是累加模型,即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果,并累加本施工阶段的分析结果。上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化会影响到后续阶段的分析结果[7],与建设施工的实际情况吻合。

土体是典型的弹塑性材料,卸载模量远大于加载模量,莫尔-库伦模型将加载和卸载模量统一用杨氏模量E表示[8]。过街天桥土方开挖施工是卸荷的过程,因此,采用模拟土体卸载特性较好的硬化土模型, 要比莫尔-库伦模型更为合理。考虑施工过程中各结构构件的荷载效应,本次分析土体材料本构模型取用硬化土弹塑性模型,衬砌结构、区间结构按线弹性考虑。

2.2 参数确定

衬砌结构、区间结构采用线弹性分析,本构关系的输入参数为弹性模量E和泊松比μ。

土体采用硬化土模型进行分析,硬化土模型除了由地质勘测资料提供内摩擦力和内粘聚力等强度指标外,通过实验确定3个刚度参数来表征土体在施工过程中的特性更准确,分别为标准排水三轴试验确定割线刚度E50、固结排水剪切试验确定切线刚度Eoed和固结排水加载卸载实验确定卸载/重新加载刚度Eur。在固结排水试验中竖向应变和偏应力的关系[8]可以近似用双曲线拟合表示,如图6所示,硬化土模型在Duncan&Chang模型的基础上采用塑性理论,同时考虑了土的膨胀和压缩屈服面,如图7所示。

图6 固结排水试验中的应力-应变关系

图7 模型主应力空间的压力屈服面

固结排水试验中,E50利用竖向应变和偏应力的关系确定,当(σ1-σ3)≤qf时为

(1)

式中:E50为固结排水试验得出偏应力达到50%时所得到的割线模量;ε1为竖向应变;(σ1-σ3)为偏应力;qu为偏应力渐近线值;qf为偏应力破坏线值。

卸荷刚度Eur与回弹指数К之间的关系为

(2)

式中:p为卸荷模量参考压力;νur为卸荷泊松比;e0为初始孔隙比。

根据该区间工程地质勘察报告及试验报告,本项目各土层计算参数选取如表1所示。本模型结构材料性能参数取值如表2所示。主要构件几何参数取值如表3所示。

表1 各岩土层计算指标

表2 结构材料性能参数

表3 主要结构构件几何参数

3 地铁区间结构计算分析

3.1 建立计算模型

模型是通过CAD导入延伸建立,整体模型包括过街天桥的基础、影响范围内地铁隧道和周围的土体,如图8所示。考虑到施工过程中的空间效应,计算模型取长150 m、宽80 m、高50 m的土体作为分析范围,共划分29 508个单元、11 697个节点,地层模型采用大变形理论分析。其中,周围土体采用实体单元,不同的土层采用不同的材料。模拟边界条件:顶面为自由边界,其他面均采取法向约束或全约束。

图8 计算模型

3.2 模拟工序

建设区域影响范围的土体、过街天桥的基础承台采用3D实体单元,实体单元有3个平移自由度,没有旋转自由度。地铁隧道区间管片采用2D板单元,板单元的自由度以单元坐标系为基准[9],每个节点具有x,y,z轴方向的平移自由度和绕x,y轴的旋转自由度。桩基和短柱采用1D梁单元,梁单元具有3个平移自由度和3个旋转自由度[10]。水位边界按地面以下18 m计算。

地面以上过街天桥的主体箱梁结构自重荷载、楼梯结构自重荷载由初步设计图纸中构件的尺寸及材料比重确定,人群荷载参考荷载规范按等效均布荷载考虑,荷载取准永久组合,等效为集中荷载作用于基础承台上。结构分析中,地下水位的变化往往会造成结构的受力变化,进而引起变形。因此,在计算中需要考虑地下水的影响[11]。通过渗流计算得到孔隙水压力,然后将该孔隙水压力考虑到应力分析中。总应力的计算公式为

σxx(yy,zz)=σ′xx(yy,zz)+μw,

(3)

τxy(yz,zx)=τ′xy(yz,zx).

(4)

式中:σxx(yy,zz)为x(y,z)向的总正应力;σ′xx(yy,zz)为x(y,z)向的有效正应力;μw为孔隙水压力;τxy(yz,zx),τ′xy(yz,zx)为总剪应力和有效剪应力。

3.3 计算工况

受各种不确定因素影响,实际建设过程较复杂。本次模拟基础施工阶段和人行过街天桥建成使用阶段,计算工况如表4所示。

表4 计算工况

3.4 计算结果

工况1是初始应力计算,位移清零。本次提取工况2和工况3的计算结果。

3.4.1 天桥桩基及承台施工期间(工况2)位移计算

地铁隧道管片区间位移如图9所示,地铁隧道区间X向最大水平位移为0.457 mm,Y向最大水平位移为0.018 mm,Z向最大竖向沉降为0.970 mm,X,Y向最大位移均发生在临近天桥侧区间拱腰位置,Z向最大位移均发生在临近天桥侧区间拱顶位置。最大水平径向收敛0.586 mm,最大竖向径向收敛0.603 mm。

图9 工况2地铁隧道区间位移

3.4.2 天桥上部结构施工完成并投入使用阶段(工况3)位移计算

地铁隧道管片区间位移如图10所示。地铁隧道管片区间X向最大水平位移为0.479 mm,Y向最大水平位移为0.019 mm,Z向最大竖向沉降为1.078 mm,X,Y向最大位移均发生在临近天桥侧区间拱腰位置,Z向最大位移均发生在临近天桥侧区间拱顶位置。最大水平径向收敛0.654 mm,最大竖向径向收敛0.669 mm。

图10 工况3地铁隧道区间位移

3.5 位移计算结果分析

根据以上计算,将结果汇总如表5所示。

表5 各工况计算汇总 mm

隧道结构、土体表面和桩基均发生水平及纵向位移,工况3相比于工况2位移都有增加。地铁隧道区间结构X向最大水平位移0.476 mm,Y向最大水平位移0.019 mm,Z向最大竖向位移1.078 mm,最大水平径向收敛0.654 mm,最大竖向径向收敛0.669 mm;越靠近天桥基础的位置影响越大,水平方向位移较大处位于拱腰,竖直方向最大位移位于拱顶。竖直Z向产生的变形最大,水平X向次之,水平Y方向的变形最小。水平X向位移变化率4.2%,Y向位移变化率0.8%,竖直Z向位移变化率11.1%。说明过街天桥对沿着地铁轨道方向变形影响很小,其他两个方向影响较大,但都在地铁变形控制值10 mm范围内[12],径向收敛变形小于结构径向收敛变形,在控制值5 mm范围,具体控制值见表6。

表6 计算结果汇总 mm

土体地表、天桥桩基及承台在工况2和工况3均产生位移,土体地表X向最大水平位移0.571 mm,Y向最大水平位移0.336 mm,竖向最大位移3.315 mm;天桥桩基及承台X向最大水平位移为0.282 mm,Y向最大水平位移0.359 mm,竖向最大位移3.315 mm。X向在两种工况下位移变化小,Y,Z方向在两种工况下位移变化较大,均在控制值范围内。

3.6 地铁隧道管片裂缝计算

计算单位长度地铁隧道区间管片的弯矩标准值和轴力标准值[13],以确定准永久组合下的裂缝。地铁隧道管片弯矩、轴力标准值见图11。地铁隧道区间管片单位长度的内侧最大弯矩标准值89.95 kN·m,小于设计弯矩118.3 kN·m,外侧最大弯矩标准值58.47 kN·m,小于设计弯矩266.4 kN·m,最大轴力标准值730 kN,小于设计轴力1 874 kN,地铁隧道区间管片的内侧和外侧裂缝均小于管片的限值0.2 mm。说明过街天桥对地铁隧道的影响在规范规定的限值内,正常使用极限状态能满足设计要求。管片配筋和裂缝验算结果如表7所示。

表7 管片配筋和裂缝验算结果

图11 管片受力标准值

4 地铁隧道监测

天桥建设过程中,选取临近天桥侧地铁隧道的4个断面,每个断面设置1个水平位移和1个竖向位移共计8个变形控制监测点。断面位置选取在对应于天桥基础的定位轴线Ⓒ、定位轴线、距离轴7 m和14 m处。水平位移观测点位于隧道拱腰靠近天桥基础侧,对应与前述断面的监测点命名测点11、测点21、测点31、测点41;竖向位移观测点位于隧道拱顶[14],对应与前述断面的监测点命名测点21、测点22、测点32、测点42。在基坑开挖后、桩基和承台施工后(工况2)以及主体结构施工后(工况3)定期进行位移监测[15]。测量结果见表8。

表8 管片变形监测结果 mm

监测结果:水平位移X向的变形范围在-0.157～0.473 mm、水平位移Y向的变形范围在-0.008～0.019 mm、竖直位移Z向变形范围在-0.158～0.998 mm。提取与监测位置对应的位移分析值和位移监测值,绘制监测点位移对比(见图12)。从图中可以看出,相应点处工况2和工况3位移的理论计算值和实测值虽略有差异,但差异不大,X,Y,Z3个方向位移变化趋势一致,离承台基础近处变形大,远端变形小,都小于控制值。选取的观测点是理论分析变形较大的位置,具有一定的代表性。监测到个别位置位移变化幅度较大,产生位移的原因是由于施工方法对土层的扰动或局部土质分布不均匀等因素,具体影响因素文中不做具体分析。位移的模拟分析计算数值与监测数值结果一致。