暗挖隧道下穿既有地铁变形及运营安全分析

暗挖隧道下穿既有地铁变形及运营安全分析

1下穿段结构特点城市新地铁车站的密集标签不仅通过地铁地板结构的地板，而且新车站的下部是平头直墙的两个洞，采用柱孔法建造。车站底部结构底部厚度为230mm，地板厚度为150mm，中板厚度为450mm，侧墙厚度为800mm。既有区间结构为双跨单层矩形钢筋混凝土结构,顶板厚750mm,底板厚700mm,侧墙厚700mmm;下穿段上方既有区间段长25m(两变形缝之间结构长度),变形缝宽20mm。新建车站与既有区间的空间位置关系如图1所示。2荷载-结构模型地下工程数值分析常用的计算模型主要有连续介质模型(地层-结构模型)和作用-反作用模型(荷载-结构模型)两种。地层-结构模型由于考虑地层与结构的共同作用,多用于结构的变形和内力分析;荷载-结构模型只将结构作为计算对象,多用于结构内力分析。针对新建地铁下穿段施工引起既有区间结构变形的分析,考虑到施工引起的既有地铁结构变形及内力变化均与地层关系密切,因此采用FLAC3D建立地层-结构模型进行变形预测分析,同时采用SAP2000建立三维荷载-结构模型,将预测的变形附加于结构模型上,并对引起的内力变化进行分析。新建车站下穿段施工主要影响正上方既有区间段及两侧相邻段,引起既有区间的竖向沉降及变形缝的差异沉降。因此取新建车站下穿段上方的两条变形缝、变形缝间既有区间结构及变形缝外侧部分区间结构作为重点分析对象。3中间下穿既有线结构施工设计方案中新建下穿段采用“PBA”法施工,运用桩梁体系,可以起到托换作用,与既有线区间平底结构传力均匀,有利于对既有线的保护及施工安全。同时在新建下穿段周围采取预注浆加固既有线下方土体,并在施工过程中根据量测结果进行背后回填注浆和同步补偿注浆。对既有线区间采用远程自动化监测综合措施,并在既有线内轨道上设轨距杆和护轨,以保证既有地铁结构安全和正常运营。在车站两端双层主体结构二次衬砌完成后,采用“PBA”工法从两端双层结构施作中间下穿既有线结构。其施工步骤如下:(1)待两端车站双层段支护基本稳定后,由双层段对经过既有线段全长范围地层进行注浆加固。(2)导洞施工,初期支护。开挖导洞时,先开挖下导洞后开挖上导洞,先开挖边导洞后开挖中间导洞。(3)施作条型基础,施作边桩及部分顶板,预留防水板、钢筋接头。(4)铺设防水层,回填导洞,φ42小导管超前预注浆加固地层,开挖拱部土体,施作初期支护、扣拱。(5)向下开挖至站厅板设计标高,敷设防水层施作中站厅板、纵梁、内衬墙。(6)开挖至底板设计标高处,施作混凝土底板垫层、防水层、底板、内衬墙,施作内部结构。为综合施工中的各种施工不利因素,本分析计算中不考虑超前注浆加固,且选取关键工况进行长距离开挖(如导洞一次性开挖)的不利情况进行,具体开挖工序见图2。4分析模式和参数4.1既有结构的结构模型(1)地层-结构模型采用FLAC3D建立的模型一共划分了94779个单元,地层-结构模型采用大变形理论,模型整体网格划分见图3。全部单元采用实体单元,不同的土层采用不同的材料参数模拟,土体采用摩尔-库仑弹塑性本构模型。新建及既有结构均采用线弹性本构模型,由于新建车站位于既有结构正下方,因此引起的既有结构变形基本为沉降变形,故既有结构变形缝处采用断开结构来模拟。边界条件选取时除了顶面取为自由边界,其他5个面均采取法向约束。计算荷载主要考虑既有地铁结构自重、土体竖向自重力和地表均布超载(取为20kPa)。(2)荷载-结构模型采用SAP2000建立车站结构的空间有限元模型如图4所示。结构体系为板-柱组成的箱型结构。板用Shell-Thick壳单元模拟,对底板上所有节点施加固定支座约束,并通过支座的竖向位移来模拟地基沉降。作用在结构上的荷载除自重外,还有覆盖土层对顶板和侧墙的土压力。4.2砂及卵砾、砾岩、砂及卵砾层我国计算的土层为考虑模型范围内地层不均匀分布,特将性质相近的土体进行等效,模拟范围内土层分布主要以粉土填土(厚约4~6m)、砂及卵砾(厚约4~6m)、砾岩(卵砾层以下,分为强风化和中—强风化两层,强风化层厚约8~10m,以下为中—强风化层)为主,因此计算中土层可简化为上述三层。考虑上述土层间夹有粉土、粉质粘土或泥岩,以及综合其它不利因素,根据勘察报告中提供的参数作出一定的折减,具体计算参数如表1所示。5结果分析5.1下穿段底板变形(1)新建地铁车站开挖引起既有区间结构的附加变形图5为新建车站开挖引起的既有区间结构的附加变形云图。随着新建地铁的开挖,既有区间结构产生的竖向沉降及变形缝处的差异沉降不断增加,新建下穿段主体施工结束后,既有区间竖向沉降最大值约为16mm(位于区间结构北部靠近东侧变形缝处),变形缝差异沉降最大值为4.8mm(东侧变形缝)。由于既有区间的两条变形缝位于新建下穿段上部边导洞的正上方,上部边导洞开挖对既有区间变形缝处周围土体扰动较大,因此在开挖上部边导洞之时引起较大的既有区间沉降(最大值由6mm增加至12.5mm),且此时引起的两条变形缝处差异沉降为最大(约达6mm,为东侧变形缝处)。此外,新建下穿段主体上部的既有区间(两变形缝之间)底板位移东北侧最大,东南侧次之,西侧较小,但位移相差不大(东北侧与东南侧位移差不到1mm);底板稍微出现扭曲趋势,原因在于东侧变形缝位于下穿段主体上部边导洞的正上方,而西侧变形缝略偏于下穿段主体上部边导洞之外,且新建下穿段与既有区间存在一定的交角。(2)新建地铁车站开挖引起既有区间结构变形缝处的差异沉降既有区间由于涉及行车及运营安全,对变形缝处差异沉降的要求非常严格,因此为更加有效地了解新建地铁下穿段主体施工引起既有区间线路沉降及相应变形缝处的差异沉降分布情况,并为施工期间的监控量测提供控制标准及提出控制所关注的重点,保证地铁行车及运营安全,特选取既有区间左右线路(即南侧、北侧线路)下结构作为监测断面进行分析(图6)。新建地铁下穿段主体开挖引起既有区间线路下结构沉降及变形缝处差异沉降曲线如图7所示。在下部导洞开挖过程中引起的线路下结构沉降及差异沉降相对较小,但在上部边导洞开挖后,线路下结构沉降及差异沉降迅速增大,其中变形缝差异沉降值达到最大值(南侧线路下结构东西侧变形缝处差异沉降分别为4.91mm和4.98mm,北侧线路下结构东西侧变形缝处差异沉降分别为4.36mm和5.57mm);随着进一步的开挖,结构沉降继续增加,而变形缝处的差异沉降略有减小(待整个下穿段开挖结束后,南侧线路下结构东西侧变形缝处差异沉降分别为3.7mm和4.4mm,北侧线路下结构东西侧变形缝处差异沉降分别为3.4mm和4.8mm)。可见,下穿段施工阶段引起变形缝处的差异沉降较大,且涉及到运营安全,因此,在施工中,特别是在上部边导洞开挖时应重点进行监控,同时制定专项方案及应急方案,必要时对既有区间内轨道采取保护措施,保证运营安全。5.2区间结构底板弯矩分布由于既有区间底板涉及到行车及运营安全问题,因此选择区间底板开裂极限状态作为结构抗变形能力分析的标准。施加预测沉降曲线,并与自重和土压力进行荷载组合,得到区间结构底板在施加预测沉降条件下的横向、纵向弯矩分布。通过计算最大弯矩与结构容许弯矩和设计弯矩(根据既有地铁区间底板的实际配筋情况得出)对比,找出既有区间结构的危险截面位置,并得到结构危险截面的安全度(免于危险的客观程度),具体见表2。可见,设计极限弯矩大于计算弯矩,区间底板在新建车站开挖过程中不会出现开裂,结构是安全的。6新建车站下穿段施工的影响结合工程实例,通过FLAC3D建立三维地层-结构模型分析新建地铁车站下穿段施工引起既有线区间结构的变形,以及通过SAP2000建立三维荷载-结构模型分析新建车站下穿段施工引起既有线区间结构的内力变化,得出如下主要结论:(1)新建车站下穿段施工对既有区间结构的影响较大,引起了较大的结构沉降及变形缝处差异沉降,但根据结构内力计算分析及限界要求,既有区间结构安全及限界是可以满足的。(2)由于既有区间的两条变形缝位于新建车站下穿段上部边导洞的正上方,上部边导洞开挖对既有区间变形缝处周围土体扰动较大,因此在开挖上部边导洞时引起较