立交匝道对地铁区间结构影响的数值模拟研究_于明.pdf

：立交匝道对地铁区间结构影响的数值模拟研究收稿日期：作者简介：于 明（），男，工程师，从事道路工程、桥梁工程、地下管线工程施工工作于 明（中铁四局集团第三建设有限公司，天津）摘 要：近地铁立交项目的施工在城市化扩展的今天已无可避免。面对这一复杂工程问题，以丰台火车站站房东侧立交专用匝道工程为例，叙述其与地铁 号线间的关系，并给出具体数值模拟各施工步的方法。经过计算与后期实际测量结果对比，计算拟合程度较好，这些方法对日后类似的复杂工程有着一定的借鉴意义。关键词：数值模拟；立交系统；地铁；城市交通中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言国民经济的发展带来了越来越多的交通问题，尤其是城市内部交通。地铁系统、立交系统是解决城市内部交通问题的重要基础设施。伴随着城市的发展，这两大基础交通设施也在各大城市逐渐增多；然而，地铁系统与立交系统本身结构就十分复杂，加之二者在有限的城市空间中难免相互影响，解决这两种重要交通系统基础设施建设的相互不利影响，对未来城市进一步发展有着十分重大的意义。本文以北京市丰台火车站东侧立交专用匝道项目为例，以数值模拟方法分析解决其与地铁 号线之间的相互影响，以保障立交系统与地铁系统的安全、顺利运行。项目概况丰台火车站站房东侧立交专用匝道工程位于丰台区在建丰台火车站站房东侧，地铁 号线泥洼站及丰台站之间。丰台火车站市政配套工程站房东侧立交专用匝道工程包含铁路界外 线和 线，以及，连接通道；铁路界内 线匝道桥。主要工程量包括桥梁总长约 ，总面积约 。通道总长约 ，面积约 。立交匝道与地铁平面位置关系见图。四合庄西路NDBDB1DC地铁 10 号线区间段西平台东货场路DG1DG2DG3东平台图 1立交与地铁位置关系平面图 涉及地铁 号线 保护范围内新建结构物包括 线匝道桥第二联（跨，其中 ，轴桩基距离地铁 号线的距离分别为 及 ，匝道桥梁临近地铁 号线安全风险等级为二级）以及进出站房地下车场的 及 地下通道（离地铁最小净距 为 ，基坑 开挖深度 ，安全风险等级为二级）。受新建结构物施工影响的地铁 号线区间范围为：地铁 号线丰台站泥洼站区（，全长 ）。地铁区间由丰台站向北斜穿国铁车场，区间工法为盾构工法，区间长度为，线间距由 渐变为，原地面标高约为（北京高程系），在国铁范围内地铁区间为的单向坡，轨顶标高 ，盾构上皮至地面距离为 左右。盾构区间结构采用预制钢筋混凝土管片衬砌，衬砌环外径 ，内径 ，管片宽度 。丰台至前泥洼区间使用加强钢筋混凝土管片。数值模拟分析 模拟范围与对象根据上述项目详情，评估范围为受地下通道（通道、通道）及 线匝道桥（桥桩）工点影响的丰台站泥洼站区间，平面尺寸约 （东西 南北），对应区间里程 。评估对象为该保护区范围内的丰台站泥洼站区间结构及轨道结构，见图。此阴影（蓝色）范围为受工点施工影响的丰台站泥洼站区间范围50 m 边界此阴影（红色）范围为施工工点:1）DC1/DC3 施工通道；2）DC-05DC-08 高架平台桥梁丰草河北路DC-5DC3 通道DCI 通道丰台站泥洼站区间50 m 边界DC-6DC-07DC-08东货场路丰草河暗沟N图 2模拟范围与对象 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 模拟内容与方法数值模拟主要计算内容为丰台火车站站房东侧 线匝道桥群桩基础施工、加载及地下通道基坑开挖对邻近丰台站泥洼站区间结构以及轨道结构变形的影响。使用岩土专业有限元分析软件 ，基于三维连续介质有限元方法，根据评估范围和评估对象，建立地下通道（通道、通道）支护结构和主体结构、线匝道桥（桥桩）及丰台站泥洼站区间结构及轨道结构的三维有限元模型，基于上述模型，预测分析桩基施工及桩基加载和基坑开挖引起的丰台站泥洼站区间结构及轨道结构变形情况。具体模拟步骤见图。外部荷载资料模拟计算域的大小模型网格划分精度模型建立阶段模型及结构单元的选取确定模拟方案施工过程的模拟方法土体及结构参数的调整计算分析阶段施工过程模拟方法的调整成果整理阶段新建工程及地铁既有线设计条件初始条件(地应力、孔隙水压力等)土工试验数据地理位置及周边情况地下水情况预分析阶段附近地层及以往基坑工程情况项目几何特征模型的简化及边界条件地层及水文资料资料收集阶段图 3数值模拟具体过程 模型与参数选取综合考虑评估范围、评估对象相对位置关系、施工影响范围及计算边界，建立地下通道（通道、通道）支护结构和主体结构、线匝道桥（桥桩）及丰台站泥洼站区间结构及轨道结构的三维有限元模型。整体模型及结构模型分别如图，图 所示。线匝道桥及，地下通道分析模型范围取 （东西 南北 地层深度），单元数 个，节点数 个。在模型的底面处施加固定约束，在模型的侧面处施加水平约束。DC 线匝道桥丰台站泥洼站区间右线地下通道50 m210 m150 mN图 4数值模拟模型DC06DC07丰台站泥洼站区间右线内撑地下通道N（a）整体结构模型DC04桩基主梁荷载柱墩承台N（b）DC 匝道桥结构模型图 5模型立交系统与地铁系统位置关系依据岩土工程勘察报告，将工程场地内地层进行概化划分为 层。各层土体参数取值按照勘察报告中的土工试验、现场测试的指标以及地区经验确定。计算中土层采用摩尔 库仑（）模型，混凝土材料采用线弹性模型。围护桩、型槽、闭合框架、路面结构采用板单元模拟。桥墩和钢支撑采用梁单元模拟；灌注桩采用桩单元模拟；边界上，在模型各个面固定法向自由度的约束。同时，考虑结构物、岩土体的重力作为外荷载。完成模型的建立、参数的选取与完善边界条件后，将现场施工步骤以七种工况按顺序模拟，以期达到地应力按时间逐步释放的目的。具体的施工步骤见表。表 模拟施工步骤施工步骤施工内容激活地层，生成初始应力场施工丰台站泥洼站区间，并将位移清零地下通道，分层、分步开挖至槽底施工通道主体结构并回填夯实 桥群桩基础施工 桥梁加载 计算结果在上述条件下开始计算，得到最终成果。考虑到竖向位移变形与水平位移变形所产生的破坏模式是不同的，将这两种计算结果分开表述。与此同时，为了能明确各个施工阶段最可能产生的危险与危险产生的位置，对立交系统开始施工后的每个步骤都得到计算结果。在地下通道开挖至坑底完成这一施工阶段，区间结构变形左线大于右线，左线最大隆起 ，左线最大水平变形 （向开挖侧），均位于区间左线距离 通道水平距离最近处。结果云图如图 所示。第 卷 第 期 年 月 山西建筑 （a）竖向位移（b）水平向位移位移/mm1.201.101.000.900.800.700.600.500.400.300.200.100.00-0.10位移/mm0.0-0.04-0.08-0.12-0.16-0.20-0.24-0.28-0.32-0.36图 6第一阶段计算云图在地下通道主体结构及回填施工完成这一施工阶段，区间结构变形左线大于右线，左线最大隆起，左线最大水平变形（向开挖侧），均位于区间左线距离 通道水平距离最近处。结果云图见图。0.020.00-0.02-0.04-0.06-0.08-0.10-0.12-0.14-0.16-0.18-0.20-0.22-0.24位移/mm（b）水平向位移位移/mm0.520.480.440.400.360.320.280.240.200.160.120.080.040.00-0.04（a）竖向位移图 7第二阶段计算云图在 桥群桩基础施工完成这一阶段，区间结构变形左线大于右线，左线最大隆起 ，左线最大水平变形 （向开挖侧），均位于区间左线距离 通道水平距离最近处。结果云图见图。位移/mm0.520.480.440.400.360.320.280.240.200.160.120.080.040.00（a）竖向位移位移/mm0.020.00-0.02-0.04-0.06-0.08-0.10-0.12-0.14-0.16-0.18-0.20-0.22-0.24（b）水平向位移图 8第三阶段计算云图在 桥梁加载完成这一阶段，区间结构变形左线大于右线，左线最大隆起 ，最大水平变形 （向开挖侧），均位于区间左线距离 通道水平距 离 最 近 处。引 起 的 区 间 结 构 右 线 最 大 沉 降，位于区间右线距离 水平距离最近处。结果云图见图。位移/mm0.500.400.300.200.100.00-0.10-0.20-0.30-0.40-0.50（a）竖向位移位移/mm（b）水平向位移0.020.00-0.02-0.04-0.06-0.08-0.10-0.12-0.14-0.16-0.18-0.20-0.22-0.24图 9第四阶段计算云图将各个施工阶段中不同方向的位移计算结果建立交叉表格，见表。表 各施工阶段位移计算结果工序变形类型最大变形 位置地下通道，开挖至槽底隆起 区间左线距离 通道水平距离最近处水平变形 区间左线距离 通道水平距离最近处施工通道主体结构并回填夯实隆起 区间左线距离 通道水平距离最近处水平变形 区间左线距离 通道水平距离最近处 桥群桩基础施工隆起 区间左线距离 通道水平距离最近处水平变形 区间左线距离 通道水平距离最近处 桥梁加载隆起 区间左线距离 通道水平距离最近处沉降 区间右线距离 水平距离最近处水平变形 区间左线距离 通道水平距离最近处 通过上述分析，拟建工程 线匝道桥桩基施工及桥梁加载和地下通道基坑开挖对区间结构均有影响，可以得出以下结论：受 线匝道桥桩基施工及桥梁加载和，地下通道施工影响，丰台站泥洼站区间结构累计变形左线大于右线，各工序影响的区间左线结构最大隆起值 ，最大水平向（向开挖一侧）变形为 ，位于区间左线距离 通道水平距离最近处。引起右线结构最大沉降值 ，位于区间右线距离 水平距离最近处。后期量测数据对比施工后，对主要受影响区域进行监控量测，其左、右线竖向位移最终量测结果如图 所示。（a）左线竖向位移情况右 K42+119 右 K42+144 右 K42+169 右 K42+206 右 K42+251地下通道开挖卸载主要影响区2.01.51.00.50.0-0.5竖向位移/mm里程/m（b）右线竖向位移情况图 10最终位移结果2.01.51.00.50.0左 K42+118 左 K42+144 左 K42+172 左 K42+209 左 K42+260地下通道开挖卸载主要影响区竖向位移/mm里程/m由图 可以看出，最终位移结果与模拟计算结果较为一致，充分说明了模拟计算的准确性。本模拟计算对施工、量测工作起到了有效的参考价值。第 卷 第 期 年 月 于 明：立交匝道对地铁区间结构影响的数值模拟研究 结语近地铁建筑物项目施工本身就具有一定复杂性，而设计立交系统结构的施工方案更是难上加难。本文通过对施工整体过程进行模拟计算，辅以合理的监控量测体系，保障了立交系统结构施工时地铁系统的安全，对日后类似的复杂工程的顺利进行有着一定的借鉴意义。参考文献：徐长金 深基坑施工对邻近地铁立交车站结构的安全影响分析 铁道勘察，（）：，曾昆，蔡海兵，石磊 基坑施工对邻近既有地铁盾构隧道的影响分析 低温建筑技术，（）：张守领，黄胜方 地铁盾构下穿立交危险断面的数值模拟 武汉工程大学学报，（）：黄明利，宁锐，瞿晓巍，等 重庆北站大断面立体交叉段施工技术研究 铁道工程学报，（）：高达 复杂环境下重庆北站大断面立体交叉段施工技术研究 北京：北京交通大学，黄国超 某立交桥梁桩基础施工对既有地铁隧道影响的数值模拟研究 广州：华南理工大学，王慧颖 暗挖通道与深基坑交叉施工对地铁影响的研究 山西建筑，（）：吕高峰，唐 汐 立体交叉洞室群施工变形三维数值模拟分析 地下空间与工程学报，（）：，谢顺意，施成华，彭立敏，等 地铁车站与风道交叉段施工力学行为数值模拟分析 铁道标准设计，（）：曾英俊，朱继文 上海地铁 号线盾构长距离穿越下立交监测分析 施工技术，（）：张健儒 南京地铁某立交隧道近接施工技术隧道建设，（）：，（，）：，：；（上接第 页）（，）：，：；第 卷 第 期 年 月 山西建筑