【word】 重庆金融城1号工程对九号线区间隧道影响有限元分析

1、重庆金融城1号工程对九号线区间隧道影响有限元分析路桥?航运?交通建和瞄蓑饶2011年10月重庆金融城1号工程对九号线区间隧道影响有限元分析张兴健重庆市轨道交通(集团)有限公司摘要:重庆江北嘴金融城1号工程,位于待建的轨道九号线区间隧道的轨道保护红线范围内.为确保金融城1号工程修建后,不会因临近区间隧道而影响今后轨道九号线的修建,需要采用有限元方法对金融城1号工程方案的可行性进行分析.本文用三维弹塑性有限元方法,分别模拟高层建筑完丁后新修区间隧道对高层建筑的变形影响,和高层建筑风荷载作用在基坑侧壁引起区间隧道内力变化的影响.计算结果表明,江北嘴金融城1号工程与九号线区间隧道之间有足够的距离,可以

2、保证隧道施工时不影响高层建筑安全,在风荷载作用下,区间隧道结构能满足承载力要求和抗裂要求.这一结论为该工程的顺利实施提供了依据.关键词:地铁;有限元分析:设计方案1工程概述重庆江北嘴金融城1号工程位于重庆市江北嘴黄花园北桥头,该项目2号高层建位于轨道交通九号线50m保护区内.2号建筑高175.9m,由4层地f室和36层塔楼(含裙楼3层)组成,为钢筋混凝土结构.基础采用人工挖孔桩或筏板基础.轨道九号线目前处于可研阶段,根据九号线前期研究阶段资料,九号线区间隧道在此区域为双洞单线曲线隧道形式,隧道截面拟采用直墙拱形,复合式衬砌.单洞断面宽5.60m,高6.01m,隧道中间岩柱厚度6.967.57m

3、,为小净距隧道形式.2号高层建筑地下车库结构边线,距区间隧道左,右线开挖边线最近距离13.52m和26.06m.2号高层建筑地下车库基坑深21.2m,九号线隧道位于基坑下方,左线低于基坑底18.25m,右线低于基坑底12.15m.江北嘴金融城1号工程与轨道九号线平面,立面关系可参考图1,2.图l平面关系图图2立面芙系图金融城1号工程地下车库距轨道九号线区间隧道距离较近,2号高层建筑的实施,应为轨道九号线日后建设预留必需的实施条件,保证轨道日后得以顺利实施.因此需要采用有限元仿真计算预先模拟轨道九号线施工对2号高层建筑影响,得到轨道九号线隧道和江北嘴金融城1号工程是否安全的结论.从而为本工程的安

4、全,顺利修建提供技术支持.2三维有限元模型2.1计算范围和单元划分计算采用ansys有限元程序进行数值模拟.根据影响范围为开挖直径5倍的原则,计算模型沿线路纵向取200m,沿地铁线路横向取150rn,从地表向下取80m.计算土体采用solid45实体单元,隧道衬砌采用shell63壳体单元,屈服条件采用drucker-prager屈服准则.建好的三维有限元模型如图3,4.2.2围岩参数有限元计算范围内的围岩,按成因年代可划分为人工填土层,中风化砂岩层和中等风化砂质泥岩层三大类,即分成3个主要地层.各层围岩的分布范围可参考图5,围岩力学参数见表1.高庙村车站所在地层的围岩等级级砂岩层.2-3计算

5、荷载根据荷载类型可将荷载分成结构自重,围岩释放荷载,地面车辆荷载和高层建筑竖向荷载,侧向风荷载这五部分.地面车辆荷载按20kpa?172?图3三维有限元模型图4高层建筑与区间隧道有限元模型表1三维模型计算参数天然重度实体模型弹性模量(gpa)泊松比粘聚力(mpa)摩擦角(.)(kn/m)素填土20.oo.020.4528(综合击)砂质泥岩25.61.750.330.9231.35砂岩25.o2.04o261.6931.90高层建筑5舟331.o0.2o混凝土桩,衬砌25.031.o02o图5围岩分布取值;高层建筑竖向荷载按每层17.5kpa计算,每层楼高3m,将单层楼面荷载17.5kpa除以楼

6、层高度3m得到用实体单元表示的高层建筑物的重度为5.83kn/m3;为模拟风荷载的不利作用,将风荷载引起的侧向挤压变形等效成侧向均布荷载作用在地下室侧壁上.将设计单位提供的风荷载,按均布侧压力作用在地下室侧壁,得到侧向风压力约为20kpa.施加荷载后的有限元模型如图6.2.4开挖步和计算工况目前重庆轨道九号线处于规划阶段,江北嘴金融城1号工程已经完成地质勘测,进入初步设计阶段.从施工顺序上,江北嘴金融城1号工程施工建设早于轨道九号线.因此有限元模拟江北嘴金融城1号工程先修建,轨道九号线在2号高层建筑完工后再建.分析轨道区间隧道施工对2号高层建筑结构的影响.计算总共采用23个计算步:(1)计算步

7、1模拟在自重应力场下围岩的应力状态;(2)计算步212,模拟金融城1号工程基坑开挖,支护过程,地下室,2011年10月建黼蜀曩路桥?航运?交通图6施加荷载有限元模型裙楼及主体高层建筑的修建;(3)计算步1322,模拟轨道九号线区间隧道开挖和衬砌支护的施工过程:(4)计算步23模拟侧向风荷载作用下轨道九号线隧道应力变化.围岩开挖和衬砌支护在ansys中可采用”死”,”生”单元的方法实现31.3计算结果3.1工况计算结果比较按照上面所述的计算工况和开挖步计算,可以得到表2所示的计算结果.计算阶段项次水平位移(mm)竖向位移(mm)地表o.561.o3区间隧道施工高层建筑0.470.73隧道左线2-

8、232.12侧向风荷载隧道右线1.75一l44从计算结果中可以看出,轨道九号线在2号高层建筑完工后修建,主要引起地表沉降和高层建筑产生侧移.因轨道九号线为深埋隧道,并且与高层建筑基坑较远,所以区间隧道施工产生高层建筑变形很小,水平侧移和竖向变形均不足1mm,不会影响2号高层建筑结构安全;轨道九号线完工后,侧向风荷载对区间隧道作用使隧道水平侧移和竖向变形变大,但最大变形仅2.23mm,也不会影响区间隧道的结构安全.区间隧道施工引起高层建筑和地表的位移见图7;高层建筑侧向风荷载引起区间隧道变形见图8.0一:=j=图7地表位移云图(m)图8隧道位移云图(m)3.2位移沉降曲线轨道九号线修建会引起金融

9、城1号工程高层建筑产生竖向,侧向变形.为反映隧道施工对高层建筑的影响,在地面沿轨道纵向取截面cc(区间隧道上方)和截面dd(高层建筑边界),沿轨道横向取截面ee作为位移控制截面.如图9,并通过有限元计算结果绘出控制截面的沉降曲线,如图10,11.图9围岩位移云图(m】产-.t=hhh.:050_印删0.060l劬i10e三夏垂至三三回纵向里程_】u)e三i圈横向里程,】1】图l0截面ccdd沉降曲线图11截面bb沉降曲线通过地表位移曲线可以看出,因区问隧道施工引起地表沉降,集中在隧道中心线左右各20m范围内.金融城1号工程高层建筑基坑边线距轨道九号线中心线约18.2m,位于沉降槽边界,所以隧道

10、施工对金融城1号工程的变形影响较小.按建筑地基基础设计规范计算出金融城1号工程高层建筑的倾斜量为1.09x10-5.小于规范中规定的4x10-3的限值.因此轨道九号线区间隧道施工不会影响金融城1号工程高层建筑的安全.3_3结构承载力验算风荷载作用在高层建筑基坑侧壁上会引起隧道变形,产生隧道附加内力.取轨道九号线区间隧道距高层建筑最近位置进行内力积分,得到最不利位置隧道结构内力.将计算出的结构内力,按照铁路隧道设计规范可以计算各截面在偏心受压下的安全系数和截面指定位置的裂缝宽度.轨道九号线区间隧道衬砌厚度300mm,截面按4)20150双向配筋,结果见图12和表3.从表3中可以看出,风荷载作用下

11、区间隧道内力主要以受压为主,按照隧道衬砌标准断面设计可以满足承载力要求和抗裂要求,不需要对衬砌断面加固.914“神j68,p7i62帅】2触.j图12衬砌弯矩图(n?m)表3区间隧道衬砌抗弯承载力项目计算弯矩(kn?m)破坏类型安全系数裂缝宽度(mm)顶拱45.8大偏心5.870.039仰拱78.9大偏心3.410.084边墙42_3大偏心6.350.035拱脚126.9大偏心2l20.1624结论(1)用有限元模拟隧道开挖,能再现施工过程中的力学现象,从而使设计或施工能够从宏观角度对隧道施工过程进行把握;(2)金融城1号工程与轨道九号线区间隧道有一定距离,可以保证区间隧道在高层建筑完工后修建不会影响高层建筑结构安全;(3)结构内力计算表明,在侧向风荷载作用下,轨道九号线区间隧道结构内力满足承载力要求和抗裂要求.参考文献【11关宝树着.隧道力学概论ul成都:西南交通大学出版社.1993:4954.2翟辉,刘维宁.地铁列车引起的低频地表响应及减振措施研究j.都市块规交通,2005:(4)lo1105.【3吴波,高波,等.城市地铁4,1nq距隧