明珠线二期施工对环境影响的三维有限元分析

1引言

随着城市地下空间的开发利用和城市地铁轨道交通的逐步发展,必然会形成越来越多的换乘节点,以及新建车站对已建车站的穿越。目前,国内没有类似的施工经验可以借鉴,穿越过程会对周围环境产生怎样的影响是未知的,从而造成施工时的安全隐患。另外,由于穿越段将从运营中的一号线上体馆站下穿过,其结构紧贴一号线底板,一号线车站上方地面为立交桥,环境条件非常苛刻。为了确保工程安全,消除安全隐患,利用数值模拟工具对该结构进行三维有限元分析[1,2],模拟穿越施工的动态过程,并通过总结穿越施工对结构影响的规律性,寻找出施工中的关键因素,从而采取安全有效的施工方法来保证地铁一号线以及上面立交桥的正常运营。

2 工程概况

明珠线二期上体场车站位于零陵路漕溪北路丁字路口,呈东向西设置,与原地铁一号线上体馆站呈“丁”字相接。为地下三层结构,地铁一号线上体馆站为地下二层结构,二者共享下一层站厅层。按使用功能要求,明珠线车站下三层必须穿越一号线车站底部,以保证线路通畅,同时在穿越段打通原一号线车站底板和站台板,形成垂直换乘节点。

根据地质条件特征、施工条件,并结合上海地区类似地层地下工程实践,拟采用水平冻结加固土体,矿山法开挖构筑穿越段的施工方法,即:采用水平孔冻结法加固穿越段结构周围地层,使外围土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕,然后在冻土帷幕中进行分区、分层开挖构筑施工。

根据工程结构特征施工划分为南线隧道、北线隧道和换乘通道三个区域进行施工。

3 计算模型

计算采用三维大型有限元计算软件ANSYS8.0。钢筋混凝土地连墙和顶板中板底板采用4节点三维板单元SHELL63,冻土采用8节点三维实体单元SOLID185,梁、柱、托换桩采用2节点空间梁单元BEAM4。他们都假定为线弹性材料[3]。梁、柱、托换桩三者连接的位置采用耦合的方法。底板和冻土之间的接触引入接触面单元。为了减少计算量并满足实际计算的需要,对整个结构做了必要的简化。在计算时,截取穿越段和受穿越段施工影响较大的范围作为计算域。穿越完成后的有限元网格和模型的边界条件如图3、4所示。为了真实地模拟穿越过程对地铁一号线底板和地面立交桥的影响,采用ANSYS的单元“生死”功能来模拟土体开挖和支护施工。[4]具体实现步骤是:

(1)建立整个结构模型;

(2)施加重力荷载和结构外荷载,“杀死”冻土单元,计算结构的初始变形;

(3)“激活”冻土单元,模拟土体冻胀对周围环境的影响;

(4)“杀死”北线穿越段冻土,模拟北线隧道穿越段施工;

(5)“杀死”南线穿越段冻土,模拟南线隧道穿越段施工;

(6)“杀死”中间穿越段冻土,模拟换乘通道穿越段施工;

(7)“杀死”结构外冻土单元,模拟冻土解冻时的冻融。

4 计算结果分析

4.1 施工过程对地铁一号线影响分析

由于穿越段要从正在运营中的一号线上体馆站穿过,在施工中不能影响一号线的正常运行。所以很有必要分析穿越施工对地铁轨道变形的影响。图5、6给出了穿越施工引起的一号线轨道变形。从图5、6可以看出,冻胀变形量很小,最大值为 2.1mm,对一号线地铁运营几乎没什么影响。南线、北线隧道穿越引起的轨道变形最大值分别为-5.9mm和-6.0mm,最大轨道高差(纵向)分别为3.8mm/10m和3.9mm/10m。根据“上海市地铁基坑工程施工规程”的要求,明珠线二期上体场站工程因施工引起的地铁结构变形必须满足如下列车安全运行条件:

(1)轨道高差(纵向)小于4mm/10m;

(2)地铁结构绝对沉降量小于或等于20mm。

所以,冻结施工、南线隧道穿越和北线隧道穿越施工都能满足要求。

但是,换乘通道穿越引起的轨道变形最大值为-10.7mm,冻土融沉引起的轨道变形最大值为-13.4mm,最大轨道高差(纵向)分别为8.5mm/10m和10.2mm/10m。虽然满足规程的第二条要求,但是不满足第一条要求。必须采取如注浆、托换等加固措施降低轨道变形。

4.2 施工过程对地面高架影响分析

地面高架对地面变形非常敏感。地面高架有四根立柱直接或接近于穿越段正上方,其坐标分别为L1(25,6,0),L2(25,15,0),L3(45,6,0),L4(45,15,0)位置。穿越段位置处于X=29～45m之间。穿越施工必然导致高架立柱的垂直变形,从而影响上面高架正常运行。图7给出了L1～L4高架立柱在不同施工工况时的变形发展情况。图7中的工况1～5分别代表本文上面提到的冻胀变形～冻融变形5个工况,工况0代表施工前的情况,即竖直变形等于0。从图7可以看出,立柱L1、L2最大变形量分别为-5.1mm和-5.5mm,两根立柱差异沉降为0.4mm;立柱L3、L4最大变形量为-8.1mm和-7.9mm,两根立柱差异沉降为0.2mm。由于立柱L1、L2较L3、L4远离穿越段位置,所以它们受穿越施工的影响小一些,表现在图中的垂直沉降也较小。

4.3施工过程对一号线底板影响分析

一号线底板紧贴着穿越段,因此受施工的影响最为直接。图8～13给出了穿越段底板在各个施工工况的垂直变形情况。为了方便讨论,我们分别把南线隧道穿越处底板、北线隧道穿越处底板、中间换乘通道穿越处底板分别称为南线底板、北线底板和中间底板。从底板变形随施工过程的变化可以看出,在初始变形中,变形主要沿板的横向发生。变形最大的地方发生在南线底板范围内,大约是处于x=25m。这个位置正上方有两根高架立柱。所以这也是地面高架荷载通过高架立柱、地铁车站顶板横梁、地铁车站立柱层层往下传的结果。计算结果显示,南线底板承受大部分高架传来的荷载。由于冻土冻胀的影响,一号线底板稍稍隆起,竖直沉降有所减少。随着南线隧道穿越施工,南线底板失去支承,竖直变形增大,变形幅度达到6mm,此时底板变形向纵向的发展。也就是说,原来的单向板在南线穿越隧道穿越后就开始接近于双向板的工作状态[5]。北线隧道穿越使北线底板失去支承,底板变形增大。从图10、11可以看出,北线隧道穿越对南线底板的变形影响较小,而此时板的双向作用更为明显。中间换乘通道穿越后,整个穿越段底板出现很大的竖直变形,与初始变形相比,增幅达到13mm。在冻土冻融后,这个变形趋势进一步扩大,最终底板变形增幅高达15mm。这么大的底板变形增幅,有可能造成底板的开裂甚至破坏,从而影响地铁一号线的正常运营。

5 结论和建议

(1)实施换乘通道施工和冻土融化施工时,地铁一号线上行线和下行线轨道会发生较大的变形,影响地铁一号线的正常运营。因此,在施工前,要合理地选择施工组织方案,采取有效措施降低变形。比如采用在施工中及时支撑和注浆加固措施。

(2)穿越段施工对地面高架的影响不大,立柱间的差异沉降也很小。

(3)穿越段底板在南线隧道穿越、北线隧道穿越、中间通道穿越以及冻土冻融时出现均较大的沉降变形,必须采取诸加固措施,如托换加固等等。

(4)通过有限元模拟分析,可预测结构中哪些部位变形过大,对周围环境影响较大,在施工时重点加强以上部位的监测,为监测方案的制定提供有益的参考。

(5)实行以监测反馈为基础的信息化施工。在现有的条件和技术下,将穿越车站施工参数随时根据监测信息调整优化施工参数。