明珠線二期施工對(duì)環(huán)境影響的三維有限元分析摘 要:以上海地鐵明珠線二期上體場(chǎng)站工程的實(shí)際施工為背景,對(duì)上體場(chǎng)站穿越段施工全過程進(jìn)行三維有限元分析,動(dòng)態(tài)模擬了施工過程對(duì)地鐵一號(hào)線底板、高架立柱等周圍環(huán)境的變形影響。得出了一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)和有價(jià)值的結(jié)論,給施工提出了一些有益的建議。關(guān)鍵詞:地鐵;穿越車站;三維有限元1引言 隨著城市地下空間的開發(fā)利用和城市地鐵軌道交通的逐步發(fā)展,必然會(huì)形成越來(lái)越多的換乘節(jié)點(diǎn),以及新建車站對(duì)已建車站的穿越。目前,國(guó)內(nèi)沒有類似的施工經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,穿越過程會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生怎樣的影響是未知的,從而造成施工時(shí)的安全隱患。另外,由于穿越段將從運(yùn)營(yíng)中的一號(hào)線上體館站下穿過,其結(jié)構(gòu)緊貼一號(hào)線底板,一號(hào)線車站上方地面為立交橋,環(huán)境條件非常苛刻。為了確保工程安全,消除安全隱患,利用數(shù)值模擬工具對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析[1,2],模擬穿越施工的動(dòng)態(tài)過程,并通過總結(jié)穿越施工對(duì)結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律性,尋找出施工中的關(guān)鍵因素,從而采取安全有效的施工方法來(lái)保證地鐵一號(hào)線以及上面立交橋的正常運(yùn)營(yíng)。2 工程概況 明珠線二期上體場(chǎng)車站位于零陵路漕溪北路丁字路口,呈東向西設(shè)置,與原地鐵一號(hào)線上體館站呈“丁”字相接。為地下三層結(jié)構(gòu),地鐵一號(hào)線上體館站為地下二層結(jié)構(gòu),二者共享下一層站廳層。按使用功能要求,明珠線車站下三層必須穿越一號(hào)線車站底部,以保證線路通暢,同時(shí)在穿越段打通原一號(hào)線車站底板和站臺(tái)板,形成垂直換乘節(jié)點(diǎn)。 根據(jù)地質(zhì)條件特征、施工條件,并結(jié)合上海地區(qū)類似地層地下工程實(shí)踐,擬采用水平凍結(jié)加固土體,礦山法開挖構(gòu)筑穿越段的施工方法,即:采用水平孔凍結(jié)法加固穿越段結(jié)構(gòu)周圍地層,使外圍土體凍結(jié),形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕,然后在凍土帷幕中進(jìn)行分區(qū)、分層開挖構(gòu)筑施工。根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特征施工劃分為南線隧道、北線隧道和換乘通道三個(gè)區(qū)域進(jìn)行施工(如圖1、圖2所示)。
3計(jì)算模型 計(jì)算采用三維大型有限元計(jì)算軟件ＡＮＳＹＳ8.0。鋼筋混凝土地連墻和頂板中板底板采用4節(jié)點(diǎn)三維板單元ＳＨＥＬＬ63,凍土采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元ＳＯＬＩＤ185,梁、柱、托換樁采用2節(jié)點(diǎn)空間梁?jiǎn)卧拢牛粒?。他們都假定為線彈性材料[3]。梁、柱、托換樁三者連接的位置采用耦合的方法。底板和凍土之間的接觸引入接觸面單元。為了減少計(jì)算量并滿足實(shí)際計(jì)算的需要,對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)做了必要的簡(jiǎn)化。在計(jì)算時(shí),截取穿越段和受穿越段施工影響較大的范圍作為計(jì)算域。穿越完成后的有限元網(wǎng)格和模型的邊界條件如圖3、4所示。為了真實(shí)地模擬穿越過程對(duì)地鐵一號(hào)線底板和地面立交橋的影響,采用ＡＮＳＹＳ的單元“生死”功能來(lái)模擬土體開挖和支護(hù)施工。[4]具體實(shí)現(xiàn)步驟是:(1)建立整個(gè)結(jié)構(gòu)模型;(2)施加重力荷載和結(jié)構(gòu)外荷載,“殺死”凍土單元,計(jì)算結(jié)構(gòu)的初始變形;(3)“激活”凍土單元,模擬土體凍脹對(duì)周圍環(huán)境的影響;(4)“殺死”北線穿越段凍土,模擬北線隧道穿越段施工;(5)“殺死”南線穿越段凍土,模擬南線隧道穿越段施工;(6)“殺死”中間穿越段凍土,模擬換乘通道穿越段施工;(7)“殺死”結(jié)構(gòu)外凍土單元,模擬凍土解凍時(shí)的凍融。4計(jì)算結(jié)果分析4.1 施工過程對(duì)地鐵一號(hào)線影響分析 由于穿越段要從正在運(yùn)營(yíng)中的一號(hào)線上體館站穿過,在施工中不能影響一號(hào)線的正常運(yùn)行。所以很有必要分析穿越施工對(duì)地鐵軌道變形的影響。圖5、6給出了穿越施工引起的一號(hào)線軌道變形。從圖5、6可以看出,凍脹變形量很小,最大值為+2.1ｍｍ,對(duì)一號(hào)線地鐵運(yùn)營(yíng)幾乎沒什么影響。南線、北線隧道穿越引起的軌道變形最大值分別為-5.9ｍｍ和-6.0ｍｍ,最大軌道高差(縱向)分別為3.8ｍｍ/10ｍ和3.9ｍｍ/10ｍ。根據(jù)“上海市地鐵基坑工程施工規(guī)程”的要求,明珠線二期上體場(chǎng)站工程因施工引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形必須滿足如下列車安全運(yùn)行條件:(1)軌道高差(縱向)小于4ｍｍ/10ｍ;(2)地鐵結(jié)構(gòu)絕對(duì)沉降量小于或等于20ｍｍ。 所以,凍結(jié)施工、南線隧道穿越和北線隧道穿越施工都能滿足要求。 但是,換乘通道穿越引起的軌道變形最大值為-10.7ｍｍ,凍土融沉引起的軌道變形最大值為-13.4ｍｍ,最大軌道高差(縱向)分別為8.5ｍｍ/10ｍ和10.2ｍｍ/10ｍ。雖然滿足規(guī)程的第二條要求,但是不滿足第一條要求。必須采取如注漿、托換等加固措施降低軌道變形。4.2施工過程對(duì)地面高架影響分析 地面高架對(duì)地面變形非常敏感。地面高架有四根立柱直接或接近于穿越段正上方,其坐標(biāo)分別為Ｌ1(25,6,0),Ｌ2(25,15,0),Ｌ3(45,6,0),Ｌ4(45,15,0)位置。穿越段位置處于Ｘ=29～45ｍ之間。穿越施工必然導(dǎo)致高架立柱的垂直變形,從而影響上面高架正常運(yùn)行。圖7給出了Ｌ1～Ｌ4高架立柱在不同施工工況時(shí)的變形發(fā)展情況。圖7中的工況1～5分別代表本文上面提到的凍脹變形～凍融變形5個(gè)工況,工況0代表施工前的情況,即豎直變形等于0。從圖7可以看出,立柱Ｌ1、Ｌ2最大變形量分別為-5.1ｍｍ和-5.5ｍｍ,兩根立柱差異沉降為0.4ｍｍ;立柱Ｌ3、Ｌ4最大變形量為-8.1ｍｍ和-7.9ｍｍ,兩根立柱差異沉降為0.2ｍｍ。由于立柱Ｌ1、Ｌ2較Ｌ3、Ｌ4遠(yuǎn)離穿越段位置,所以它們受穿越施工的影響小一些,表現(xiàn)在圖中的垂直沉降也較小。4.3施工過程對(duì)一號(hào)線底板影響分析 一號(hào)線底板緊貼著穿越段,因此受施工的影響最為直接。圖8～13給出了穿越段底板在各個(gè)施工工況的垂直變形情況。為了方便討論,我們分別把南線隧道穿越處底板、北線隧道穿越處底板、中間換乘通道穿越處底板分別稱為南線底板、北線底板和中間底板。從底板變形隨施工過程的變化可以看出,在初始變形(如圖8)中,變形主要沿板的橫向發(fā)生。變形最大的地方發(fā)生在南線底板范圍內(nèi),大約是處于ｘ=25ｍ。這個(gè)位置正上方有兩根高架立柱。所以這也是地面高架荷載通過高架立柱、地鐵車站頂板橫梁、地鐵車站立柱層層往下傳的結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示,南線底板承受大部分高架傳來(lái)的荷載。由于凍土凍脹(如圖9)的影響,一號(hào)線底板稍稍隆起,豎直沉降有所減少。隨著南線隧道穿越施工(如圖10),南線底板失去支承,豎直變形增大,變形幅度達(dá)到6ｍｍ,此時(shí)底板變形向縱向的發(fā)展。也就是說,原來(lái)的單向板在南線穿越隧道穿越后就開始接近于雙向板的工作狀態(tài)[5]。北線隧道穿越(如圖11)使北線底板失去支承,底板變形增大。從圖10、11可以看出,北線隧道穿越對(duì)南線底板的變形影響較小,而此時(shí)板的雙向作用更為明顯。中間換乘通道穿越后(如圖12),整個(gè)穿越段底板出現(xiàn)很大的豎直變形,與初始變形相比,增幅達(dá)到13ｍｍ。在凍土凍融(如圖13)后,這個(gè)變形趨勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大,最終底板變形增幅高達(dá)15ｍｍ。這么大的底板變形增幅,有可能造成底板的開裂甚至破壞,從而影響地鐵一號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)。5結(jié)論和建議(1)實(shí)施換乘通道施工和凍土融化施工時(shí),地鐵一號(hào)線上行線和下行線軌道會(huì)發(fā)生較大的變形,影響地鐵一號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)。因此,在施工前,要合理地選擇施工組織方案,采取有效措施降低變形。比如采用在施工中及時(shí)支撐和注漿加固措施。(2)穿越段施工對(duì)地面高架的影響不大,立柱間的差異沉降也很小。(3)穿越段底板在南線隧道穿越、北線隧道穿越、中間通道穿越以及凍土凍融時(shí)出現(xiàn)均較大的沉降變形,必須采取諸加固措施,如托換加固等等。(4)通過有限元模擬分析,可預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)中哪些部位變形過大,對(duì)周圍環(huán)境影響較大,在施工時(shí)重點(diǎn)加強(qiáng)以上部位的監(jiān)測(cè),為監(jiān)測(cè)方案的制定提供有益的參考。(5)實(shí)行以監(jiān)測(cè)反饋為基礎(chǔ)的信息化施工。在現(xiàn)有的條件和技術(shù)下,將穿越車站施工參數(shù)隨時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)信息調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)。參考文獻(xiàn):[1] 王瑁成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[Ｍ].北京:清華大學(xué)出版社,1996[2] 朱伯芳.有限單元法原理和應(yīng)用[Ｍ].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998[3] 孔祥鵬.垂直換乘節(jié)點(diǎn)施工中新建車站對(duì)已建車站的影響[Ｄ].同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003[4] ＡＮＳＹＳ分析指南,ＡＮＳＹＳ公司北京辦事處,1999[5] 徐昀.軟土地鐵車站縱向變形研究[博士學(xué)位論文][Ｄ].上海:同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,2000
3計(jì)算模型 計(jì)算采用三維大型有限元計(jì)算軟件ＡＮＳＹＳ8.0。鋼筋混凝土地連墻和頂板中板底板采用4節(jié)點(diǎn)三維板單元ＳＨＥＬＬ63,凍土采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元ＳＯＬＩＤ185,梁、柱、托換樁采用2節(jié)點(diǎn)空間梁?jiǎn)卧拢牛粒?。他們都假定為線彈性材料[3]。梁、柱、托換樁三者連接的位置采用耦合的方法。底板和凍土之間的接觸引入接觸面單元。為了減少計(jì)算量并滿足實(shí)際計(jì)算的需要,對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)做了必要的簡(jiǎn)化。在計(jì)算時(shí),截取穿越段和受穿越段施工影響較大的范圍作為計(jì)算域。穿越完成后的有限元網(wǎng)格和模型的邊界條件如圖3、4所示。為了真實(shí)地模擬穿越過程對(duì)地鐵一號(hào)線底板和地面立交橋的影響,采用ＡＮＳＹＳ的單元“生死”功能來(lái)模擬土體開挖和支護(hù)施工。[4]具體實(shí)現(xiàn)步驟是:(1)建立整個(gè)結(jié)構(gòu)模型;(2)施加重力荷載和結(jié)構(gòu)外荷載,“殺死”凍土單元,計(jì)算結(jié)構(gòu)的初始變形;(3)“激活”凍土單元,模擬土體凍脹對(duì)周圍環(huán)境的影響;(4)“殺死”北線穿越段凍土,模擬北線隧道穿越段施工;(5)“殺死”南線穿越段凍土,模擬南線隧道穿越段施工;(6)“殺死”中間穿越段凍土,模擬換乘通道穿越段施工;(7)“殺死”結(jié)構(gòu)外凍土單元,模擬凍土解凍時(shí)的凍融。4計(jì)算結(jié)果分析4.1 施工過程對(duì)地鐵一號(hào)線影響分析 由于穿越段要從正在運(yùn)營(yíng)中的一號(hào)線上體館站穿過,在施工中不能影響一號(hào)線的正常運(yùn)行。所以很有必要分析穿越施工對(duì)地鐵軌道變形的影響。圖5、6給出了穿越施工引起的一號(hào)線軌道變形。從圖5、6可以看出,凍脹變形量很小,最大值為+2.1ｍｍ,對(duì)一號(hào)線地鐵運(yùn)營(yíng)幾乎沒什么影響。南線、北線隧道穿越引起的軌道變形最大值分別為-5.9ｍｍ和-6.0ｍｍ,最大軌道高差(縱向)分別為3.8ｍｍ/10ｍ和3.9ｍｍ/10ｍ。根據(jù)“上海市地鐵基坑工程施工規(guī)程”的要求,明珠線二期上體場(chǎng)站工程因施工引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形必須滿足如下列車安全運(yùn)行條件:(1)軌道高差(縱向)小于4ｍｍ/10ｍ;(2)地鐵結(jié)構(gòu)絕對(duì)沉降量小于或等于20ｍｍ。 所以,凍結(jié)施工、南線隧道穿越和北線隧道穿越施工都能滿足要求。 但是,換乘通道穿越引起的軌道變形最大值為-10.7ｍｍ,凍土融沉引起的軌道變形最大值為-13.4ｍｍ,最大軌道高差(縱向)分別為8.5ｍｍ/10ｍ和10.2ｍｍ/10ｍ。雖然滿足規(guī)程的第二條要求,但是不滿足第一條要求。必須采取如注漿、托換等加固措施降低軌道變形。4.2施工過程對(duì)地面高架影響分析 地面高架對(duì)地面變形非常敏感。地面高架有四根立柱直接或接近于穿越段正上方,其坐標(biāo)分別為Ｌ1(25,6,0),Ｌ2(25,15,0),Ｌ3(45,6,0),Ｌ4(45,15,0)位置。穿越段位置處于Ｘ=29～45ｍ之間。穿越施工必然導(dǎo)致高架立柱的垂直變形,從而影響上面高架正常運(yùn)行。圖7給出了Ｌ1～Ｌ4高架立柱在不同施工工況時(shí)的變形發(fā)展情況。圖7中的工況1～5分別代表本文上面提到的凍脹變形～凍融變形5個(gè)工況,工況0代表施工前的情況,即豎直變形等于0。從圖7可以看出,立柱Ｌ1、Ｌ2最大變形量分別為-5.1ｍｍ和-5.5ｍｍ,兩根立柱差異沉降為0.4ｍｍ;立柱Ｌ3、Ｌ4最大變形量為-8.1ｍｍ和-7.9ｍｍ,兩根立柱差異沉降為0.2ｍｍ。由于立柱Ｌ1、Ｌ2較Ｌ3、Ｌ4遠(yuǎn)離穿越段位置,所以它們受穿越施工的影響小一些,表現(xiàn)在圖中的垂直沉降也較小。4.3施工過程對(duì)一號(hào)線底板影響分析 一號(hào)線底板緊貼著穿越段,因此受施工的影響最為直接。圖8～13給出了穿越段底板在各個(gè)施工工況的垂直變形情況。為了方便討論,我們分別把南線隧道穿越處底板、北線隧道穿越處底板、中間換乘通道穿越處底板分別稱為南線底板、北線底板和中間底板。從底板變形隨施工過程的變化可以看出,在初始變形(如圖8)中,變形主要沿板的橫向發(fā)生。變形最大的地方發(fā)生在南線底板范圍內(nèi),大約是處于ｘ=25ｍ。這個(gè)位置正上方有兩根高架立柱。所以這也是地面高架荷載通過高架立柱、地鐵車站頂板橫梁、地鐵車站立柱層層往下傳的結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示,南線底板承受大部分高架傳來(lái)的荷載。由于凍土凍脹(如圖9)的影響,一號(hào)線底板稍稍隆起,豎直沉降有所減少。隨著南線隧道穿越施工(如圖10),南線底板失去支承,豎直變形增大,變形幅度達(dá)到6ｍｍ,此時(shí)底板變形向縱向的發(fā)展。也就是說,原來(lái)的單向板在南線穿越隧道穿越后就開始接近于雙向板的工作狀態(tài)[5]。北線隧道穿越(如圖11)使北線底板失去支承,底板變形增大。從圖10、11可以看出,北線隧道穿越對(duì)南線底板的變形影響較小,而此時(shí)板的雙向作用更為明顯。中間換乘通道穿越后(如圖12),整個(gè)穿越段底板出現(xiàn)很大的豎直變形,與初始變形相比,增幅達(dá)到13ｍｍ。在凍土凍融(如圖13)后,這個(gè)變形趨勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大,最終底板變形增幅高達(dá)15ｍｍ。這么大的底板變形增幅,有可能造成底板的開裂甚至破壞,從而影響地鐵一號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)。5結(jié)論和建議(1)實(shí)施換乘通道施工和凍土融化施工時(shí),地鐵一號(hào)線上行線和下行線軌道會(huì)發(fā)生較大的變形,影響地鐵一號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)。因此,在施工前,要合理地選擇施工組織方案,采取有效措施降低變形。比如采用在施工中及時(shí)支撐和注漿加固措施。(2)穿越段施工對(duì)地面高架的影響不大,立柱間的差異沉降也很小。(3)穿越段底板在南線隧道穿越、北線隧道穿越、中間通道穿越以及凍土凍融時(shí)出現(xiàn)均較大的沉降變形,必須采取諸加固措施,如托換加固等等。(4)通過有限元模擬分析,可預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)中哪些部位變形過大,對(duì)周圍環(huán)境影響較大,在施工時(shí)重點(diǎn)加強(qiáng)以上部位的監(jiān)測(cè),為監(jiān)測(cè)方案的制定提供有益的參考。(5)實(shí)行以監(jiān)測(cè)反饋為基礎(chǔ)的信息化施工。在現(xiàn)有的條件和技術(shù)下,將穿越車站施工參數(shù)隨時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)信息調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)。參考文獻(xiàn):[1] 王瑁成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[Ｍ].北京:清華大學(xué)出版社,1996[2] 朱伯芳.有限單元法原理和應(yīng)用[Ｍ].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998[3] 孔祥鵬.垂直換乘節(jié)點(diǎn)施工中新建車站對(duì)已建車站的影響[Ｄ].同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003[4] ＡＮＳＹＳ分析指南,ＡＮＳＹＳ公司北京辦事處,1999[5] 徐昀.軟土地鐵車站縱向變形研究[博士學(xué)位論文][Ｄ].上海:同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,2000
