磁浮线隧道下穿机场工程有限元分析★

马小龙，邱 冰，周博闻，李金光，李飞宇

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南 长沙 410200; 2.湖南省轨道勘察设计有限公司,湖南 长沙 410021)

近年来,城市交通建设迅速发展,机场作为重要的交通纽带,与其他交通方式联动的重要性不言而喻[1]。城市中出现越来越多的地铁、公路隧道下穿机场的工程,如:北京首都机场旅客捷运系统工程[2]、台北市复兴北路穿越松山机场地下道工程[3]、上海市轨道交通10号线下穿越虹桥机场飞行区工程[4]。

然而新建隧道下穿既有工程需要克服更多复杂的挑战,且机场跑道对变形的要求更为严格[5-7]。魏晓刚等[8]使用有限元方法分析了飞机荷载作用下隧道应力与位移的变化;王锦华[9]建立盾构下穿机场跑道施工的随机有限元模型,并分析施工参数和岩土体参数对跑道的影响;张恒新等[10]使用ABAQUS软件分析双线隧道下穿引起的机场跑道沉降规律。

国内隧道下穿机场的案例与分析大多以盾构法开挖,且对于磁浮列车下穿机场的工程及相关分析相对较少。本文以长沙磁浮东沿线接入T3航站楼工程为依托,基于有限元分析方法,探索中低速磁浮线盾构下穿以及列车运行过程中对机场的影响。

1 工程概况

工程线路长约3.64 km,从T2航站楼站引出后,采用半径为350 m的曲线折向西南,依次斜穿第一跑道、第二跑道及滑行道,穿越长度为1 064 m,与气象观测区最近处100 m,之后采用半径为550 m的曲线接入T3航站楼GTC设T3站。

拟建区范围内地层自上而下依次为人工填土、淤泥质粉质黏土、冲洪积粉质黏土、冲洪积粉土、冲洪积粉质黏土、残积粉质黏土、白垩系上统戴家坪组泥质粉砂岩。

2 盾构下穿对机场沉降的影响

2.1 计算模型

采用FLAC3D及MIDAS GTS有限元软件模拟盾构下穿施工过程,分别建立三维和二维模型进行计算,相互验证模型准确性,计算模型如图1,图2所示。岩土体和加固区的力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数表

2.2 盾构下穿对跑道结构沉降的影响

图3为FLAC3D及MIDAS GTS盾构下穿对飞行区跑道沉降位移云图,图4为FLAC3D及MIDAS GTS盾构下穿机场飞行区跑道最大主应力云图。

盾构下穿机场飞行区跑道时,FLAC3D跑道道面沉降结果为2.35 mm,MIDAS GTS计算结果为2.21 mm,模型计算正确,其沉降值可作为参考依据;可知,跑道道面最大沉降为2.35 mm,差异沉降值为0.004 3%,最大沉降值发生在双洞中部位置,小于沉降控制指标10 mm,小于差异沉降安全控制值0.1%;跑道区最大主应力为-8.5 kPa,远小于道面极限抗拉强度,不会对跑道及滑行道面结构产生破坏影响。

2.3 盾构下穿对导航区沉降的影响

根据MH/T 4003.1—2021民用航空通信导航监视台(站)设置场地规范 第一部分:导航[11]关于场地的要求,航向台近跑道端和天线之间的坡度、下滑信标台A区(临界区)的横向坡度均应在±1%范围内;B区(敏感区)地面应尽可能平坦,地形凹凸高度的允许值,与下滑信标天线到地形凹凸处的距离、下滑信标天线的高度之间的关系式为:Z<0.011 7D/N,代入相关参数可知,其凹凸高度允许值为21 cm;C区(敏感区)内的地形坡度不超过15%。将压实回填层物理力学参数输入到模型计算,其竖向位移云图见图5。沉降值增加0.17 mm,达到2.52 mm,沉降槽区域坡度为0.005 0%,均小于航向台±1%要求及下滑台场地控制指标最敏感A区±4 cm,纵横向坡度应在±1%的要求;地表横向影响范围为线路中心线60 m宽度范围内,影响范围小,沉降不侵入下滑信标台最敏感区A区,对导航区设施影响小。

3 列车动载影响分析

3.1 计算模型

采用FLAC3D软件分析隧道列车振动荷载对飞行区的影响,取实际情况下最不利位置断面进行分析,将模型简化如图6所示。其中围岩采用摩尔-库仑模型,衬砌采用弹性模型。计算范围为水平方向长度60 m,垂直方向从地表向下取50 m。边界条件则为:前后左右边界水平阻尼边界约束,下边界垂直方向阻尼边界约束,地表为自由面。

3.2 列车激励荷载模拟

本分析选取激励荷载最不利考虑,进行轮轨列车振动分析模拟,采用二系悬挂减振装置的列车简化计算模型。相关参数见表2。

表2 列车参数

采用Matlab的Simulink对该模型进行仿真模拟,仿真时间为10 s,得到列车荷载的仿真波形如图7所示。

对列车荷载进行快速傅里叶分析,可确定其中占主导地位的频率成分有5处(见表3)。其中:0 Hz处为车体的静止质量;0.111 Hz处为车体本身振动对列车荷载产生的影响,其幅值达到1.63 kN;1.667 Hz,16.667 Hz和33.222 Hz处为列车簧下质量在轨道谐波不平顺作用下的动力响应。由此得出列车荷载的模拟表达式为:

P(t)=157.36+1.63sin(0.697t+1.183)+2.28sin(10.474t+1.855)+2.83sin(104.722t+3.506)+2.28sin(208.740t+3.735)。

表3 列车荷载频率成分

如图8所示,列车荷载模拟表达式的幅值在149 kN～166 kN的范围内波动,且误差能够控制在±1%以内,能够较准确地反映列车荷载的变化规律。本文采用此列车荷载来分析列车动荷载对拟建盾构隧道下穿段飞行区的影响,为了保证足够的精度,取4 s时间内的列车振动荷载进行计算。为了保证时间积分的无条件稳定,Newmark参数采用a=0.5,b=0.25。对于瑞利阻尼参数,采用α=0.017,β=0.001 4。

3.3 结果分析

3.3.1 地层研究控制点

为考察上洞列车通过时列车振动荷载对地层、地表以及道面的影响,将控制点布置如图9所示,其中E1,E2,E3,E4,E5为动荷载上方土层约2 m,3 m,5 m,7 m,9 m的地方。

3.3.2 列车振动对地层影响

1)加速度分析。列车动荷载作用下地层各控制点加速度(m/s2)随时间(s)变化图如图10所示,动荷载稳定后各控制点最大竖向加速度如表4所示。

表4 各地层控制点最大加速度值

随着离开振源距离的增大,即围岩远离列车运行区间,加速度迅速衰减,仰拱中心下方围岩深度从2 m到9 m处,相应加速度峰值由3.5 mm/s2减小至0.5 mm/s2,后者仅是前者的14.3%。

2)位移分析。列车动荷载下各地层控制点竖向位移(m)随时间(s)变化图如图11所示。

动荷载施加后,各地层控制点竖向位移随着加载时间的变化竖向位移逐渐增大,之后逐渐趋于稳定。随着离开振源距离的增大,竖向位移的值逐渐减小,但其变化的幅度极小。

3)小结。统计列车荷载作用1 s时地层不同位置加速度、位移的变化如表5所示。

表5 列车荷载下加速度、位移变化情况

当最大竖向加速度小于1 mm/s2后,其最大竖向位移值的变化幅度较小,现取最大竖向加速度为1 mm/s2为其影响范围的控制加速度,即列车荷载对围岩的影响范围为7 m。本线盾构区间埋深在20 m～25 m范围内,大于列车动载影响地层范围7 m,因此,列车运行对飞行区地表及道面结构影响很小,不影响飞行区运行安全。

4 结论

本文以长沙磁浮东沿线接入T3航站楼工程为依托,基于FLAC3D和MIDAS GTS有限元分析软件,重点研究了磁浮隧道盾构下穿机场以及磁浮列车运行过程中对机场的影响,主要结论如下:

1)盾构下穿机场时,飞行区跑道道面最大沉降量为2.35 mm,道面差异沉降为0.004 3%,小于飞行区道面沉降控制标准10 mm,差异沉降0.1%,满足要求。

2)导航区地表沉降2.52 mm,沉降槽区域坡度为0.005 0%,满足下滑台信标区敏感区B区、C区沉降控制标准,且小于下滑信标台临界区A区±4 cm高差范围要求,坡度不大于±1%要求;满足航向信标台临界区坡度不大于±1%要求。

3)列车动载影响范围为7 m,对飞行区道面结构和导航区设备影响较小,风险可控。