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        上跨地鐵人防工程施工安全性分析

        2016-06-13 00:49:01

        朱 敏

        (中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

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        上跨地鐵人防工程施工安全性分析

        朱 敏

        (中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

        摘要:結(jié)合蘭州市軌道交通1號(hào)線一期工程奧體中心站附屬人防工程開發(fā)項(xiàng)目,采用Flac軟件,對(duì)基坑施工步驟采用三維地層結(jié)構(gòu)模型模擬,分析人防工程施工引起的既有隧道的變形及內(nèi)力,評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)的安全性,為類似工程提供參考。

        關(guān)鍵詞:人防工程;既有隧道;施工安全;數(shù)值分析

        1 工程概況

        1.1 軌道交通1 號(hào)線及奧體中心站概況

        蘭州軌道交通1 號(hào)線一期工程奧體中心站位于西固區(qū)規(guī)劃深安大橋西側(cè),沿規(guī)劃路東西走向布置。車站周邊現(xiàn)狀為農(nóng)田、民房及少部分水塘,民房現(xiàn)已拆遷完畢。奧體中心站為明挖地下三層島式站臺(tái)車站,地下一層預(yù)留物業(yè)開發(fā)空間,地下二層為站廳層,地下三層為站臺(tái)層;車站總長(zhǎng)216.95 m,站臺(tái)寬度13 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.2 m。

        1.2 站點(diǎn)人防工程開發(fā)設(shè)計(jì)概況

        奧體中心站人防工程擬開發(fā)范圍為軌道交通奧體中心站地下一層及兩端區(qū)間上方空間。開發(fā)范圍西端為奧體中心站西端向西延伸209.6 m至車站西側(cè)規(guī)劃十字路口下,東端為奧體中心站東端向東延伸193 m至深安大橋橋頭規(guī)劃丁字路口下。人防工程平時(shí)開發(fā)為地下一層商業(yè)。開發(fā)總長(zhǎng)度619.55 m,標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外輪廓寬度50 m,總建筑面積約42 384.2 m2。

        1.3 人防工程與區(qū)間隧道位置關(guān)系

        根據(jù)工程整體設(shè)計(jì)規(guī)劃,盾構(gòu)區(qū)間隧道先期施工。后期開發(fā)的人防工程位于已建區(qū)間隧道上方,走向與區(qū)間隧道平行。沿著大里程方向隧道埋深逐漸增大,基坑底板與隧道拱頂凈距也逐漸增大,其中YDK9+482m處凈距最小為3.3 m,YDK10+100處凈距為6.3 m。

        基坑開挖寬度50 m,開挖深度7.3~7.7 m,采用放坡開挖,放坡系數(shù)1∶1,如圖1所示。

        圖1 人防工程與隧道位置關(guān)系

        1.4 工程地質(zhì)和水文條件

        本場(chǎng)地鉆探深度內(nèi)地層為:地表為0.5~12.3 m人工填土;其下為第四系全新統(tǒng)厚度0.5~1.4 m的黃土;厚度0~11.8 m第四系全新統(tǒng)(Q4)卵石;厚度30~300 m第四系下更新統(tǒng)(Q1)卵石。各地層的物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

        場(chǎng)區(qū)地下水主要賦存于卵石層中,地下水類型屬蘭州斷陷盆地松散巖類孔隙潛水??辈炱陂g地下水位埋深4.5~7.7 m,相應(yīng)地下水位高程1 523.14~1 524.49 m。

        2 上跨工程施工變形控制基準(zhǔn)

        依據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50911—2013)[1]對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)變形控制要求,結(jié)合其它類似工程經(jīng)驗(yàn)、本工程實(shí)際特點(diǎn)和施工等綜合影響因素,確定本工程變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示,并將控制值的80%作為報(bào)警值、70%作為預(yù)警值。

        3 三維數(shù)值計(jì)算模型

        計(jì)算采用Flac軟件,對(duì)基坑施工步驟采用三維地層結(jié)構(gòu)模型模擬。分析人防工程基坑及結(jié)構(gòu)施工引起的既有區(qū)間隧道的變形及內(nèi)力,評(píng)估既有區(qū)間隧道的安全性。

        表1 物理力學(xué)綜合設(shè)計(jì)參數(shù)

        表2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值

        表3 上跨工程施工既有隧道結(jié)構(gòu)變形控制基準(zhǔn)

        3.1 計(jì)算假定

        (1)基坑開挖施工期間,既有區(qū)間隧道僅考慮非抗震組合工況,不考慮地震作用。

        (2)地鐵隧道、基坑、土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。

        (3)隧道結(jié)構(gòu)、地層巖土體為均質(zhì)各向同性材料,地質(zhì)勘查報(bào)告給出物理力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

        3.2 計(jì)算模型

        以地鐵區(qū)間隧道軸線方向?yàn)閥軸,垂直隧道軸線為x軸,豎直方向?yàn)閦軸,模型在y軸方向上長(zhǎng)40 m,在x軸方向上長(zhǎng)100 m,z軸方向上長(zhǎng)40 m。根據(jù)區(qū)間隧道及人防工程的空間位置關(guān)系,建立三維計(jì)算模型,計(jì)算模型網(wǎng)格劃分效果如圖2和圖3所示,模型共劃分為369 852個(gè)單元,62 141個(gè)節(jié)點(diǎn)。

        3.3 計(jì)算參數(shù)、計(jì)算荷載及本構(gòu)模型

        3.3.1 計(jì)算參數(shù)

        計(jì)算模型中各土層的計(jì)算參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的文件選取,見表1和表2所示。地鐵隧道盾構(gòu)管片采用預(yù)制鋼筋混凝土管片:強(qiáng)度等級(jí)C50,抗?jié)B等級(jí)P12;管片厚度為350 mm,環(huán)寬1 200 mm。

        3.3.2 計(jì)算荷載

        計(jì)算荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力和施工機(jī)械荷載(按20 kPa考慮)[2]。

        3.3.3 邊界條件

        模型底部施加豎向位移約束,模型四周約束為各面的法向位移約束,地表為自由面。

        3.3.4 單元類型及破壞準(zhǔn)則的選取

        地層、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道管片均采用實(shí)體單元模擬。地層在開挖過程中考慮其塑性變形,采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,圍護(hù)結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道管片僅考慮其彈性工作,采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

        3.4 計(jì)算工況

        為了減小計(jì)算工作量,選取隧道埋深最淺、人防工程與隧道凈距最小的50 m段(YDK9+482~YDK9+532)進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算工況分為三工況:分別為工況1,基坑開挖前的初始工況;工況2,基坑開挖;工況3,結(jié)構(gòu)施工與回填。

        4 計(jì)算結(jié)果與分析

        4.1 基坑開挖前的初始狀態(tài)

        初始工況受的荷載主要為地層及結(jié)構(gòu)的自重荷載。通過對(duì)初始狀態(tài)的模擬,得到地層和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力狀態(tài),其中既有隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為0.47 MPa,最大壓應(yīng)力3.34 MPa,區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)受力良好,滿足正常使用要求。

        4.2 基坑開挖

        通過本段基坑開挖施工的數(shù)值模擬,可得地層及隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)。如圖4和表4所示,基坑開挖施工后,既有隧道隆起變形4.15 mm;隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力1.06 MPa,最大壓應(yīng)力2.54 MPa。結(jié)構(gòu)變形滿足變形控制基準(zhǔn),結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力變化較大,但結(jié)構(gòu)受力安全。

        4.3 結(jié)構(gòu)施工及回填

        根據(jù)區(qū)段結(jié)構(gòu)澆筑施工及回填施工的數(shù)值模擬,可得地層及隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)如圖5、圖6及表4所示,既有隧道隆起變形2.57 mm;隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力0.36 MPa,最大壓應(yīng)力2.57 MPa。結(jié)構(gòu)變形滿足變形控制基準(zhǔn),結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力變化較大,但結(jié)構(gòu)受力安全。

        圖2整體模型 圖3區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)模型 圖4 結(jié)構(gòu)及地層豎直方向最大變形

        表4 人防工程施工各工況區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形及受力統(tǒng)計(jì)

        工況 隧道變形狀態(tài)/mmx方向y方向z方向 隧道受力狀態(tài)/MPa 最大拉應(yīng)力最大壓應(yīng)力施工前0000.473.34基坑開挖1.190.194.151.062.54結(jié)構(gòu)施工及回填1.000.082.570.362.57

        圖5結(jié)構(gòu)及回填施工區(qū)間隧道最大主應(yīng)力圖6 結(jié)構(gòu)及回填施工區(qū)間隧道最小主應(yīng)力

        5 結(jié)論

        (1)人防工程基坑開挖深度為7.3~7.7 m,基坑底板與區(qū)間隧道拱頂?shù)膬艟酁?.3 m時(shí),人防工程施工引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)豎向最大隆起變形為4.15 mm,最大橫向水平變形為1.19 mm,最大縱向水平變形為0.19 mm,滿足變形控制要求。

        (2)人防工程施工引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.06 MPa,最大壓應(yīng)力為3.34 MPa。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[3],C50混凝土的抗拉和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為1.89 MPa和23.1 MPa,隧道結(jié)構(gòu)受力滿足混凝土強(qiáng)度要求。

        參考文獻(xiàn)

        [1]中華人民共和國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50911—2013 城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013

        [2]中華人民共和國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50009—2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012

        [3]中華人民共和國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010

        An Analysis of the Security of the Civil Air Defense Project Spanning an Existing Subway Tunnel

        Zhu Min

        ( The Engineering Design and Consultation Group Co. Ltd.of the Railway Building Corporation of China,Beijing 100055,China )

        Abstract:With the civic air defense project attached to the first-term project ——the Olympic Sports Center Station of the 1st Rail Transit Line of Lanzhou City——as a practical example,a 3-dimensional stratum structure model is adopted to simulate the construction steps of the foundation pit,with the possible civic-air-defense-project-caused deformation and internal forces of the existing tunnel analyzed,upon the basis of which the security of the existing tunnel structure is evaluated.The paper may serve as a useful reference for other similar projects.

        Key words:air defense project;existing tunnels;construction security;numerical simulation analysis

        收稿日期:2016-03-01

        作者簡(jiǎn)介:朱敏(1988—),女,工程師,主要從事隧道與地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作zhuminhappyrose@126.com

        DOI:10.13219/j.gjgyat.2016.03.013

        中圖分類號(hào):U452.2

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1672-3953(2016)03-0048-03

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