明珠線二期施工對環(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站工程的實際施工為背景,對上體場站穿越段施工全過程進行三維有限元分析,動態(tài)模擬了施工過程對地鐵一號線底板、高架立柱等周圍環(huán)境的變形影響。得出了一些規(guī)律性的認識和有價值的結(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,必然會形成越來越多的換乘節(jié)點,以及新建車站對已建車站的穿越。目前,國內(nèi)沒有類似的施工經(jīng)驗可以借鑒,穿越過程會對周圍環(huán)境產(chǎn)生怎樣的影響是未知的,從而造成施工時的安全隱患。另外,由于穿越段將從運營中的一號線上體館站下穿過,其結(jié)構(gòu)緊貼一號線底板,一號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)值模擬工具對該結(jié)構(gòu)進行三維有限元分析[1,2],模擬穿越施工的動態(tài)過程,并通過總結(jié)穿越施工對結(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保證地鐵一號線以及上面立交橋的正常運營。2 工程概況 明珠線二期上體場車站位于零陵路漕溪北路丁字路口,呈東向西設(shè)置,與原地鐵一號線上體館站呈“丁”字相接。為地下三層結(jié)構(gòu),地鐵一號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線車站底部,以保證線路通暢,同時在穿越段打通原一號線車站底板和站臺板,形成垂直換乘節(jié)點。 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),形成強度高、封閉性好的凍土帷幕,然后在凍土帷幕中進行分區(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區(qū)域進行施工(如圖1、圖2所示)。
3計算模型 計算采用三維大型有限元計算軟件ＡＮＳＹＳ8.0。鋼筋混凝土地連墻和頂板中板底板采用4節(jié)點三維板單元ＳＨＥＬＬ63,凍土采用8節(jié)點三維實體單元ＳＯＬＩＤ185,梁、柱、托換樁采用2節(jié)點空間梁單元ＢＥＡＭ4。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。為了減少計算量并滿足實際計算的需要,對整個結(jié)構(gòu)做了必要的簡化。在計算時,截取穿越段和受穿越段施工影響較大的范圍作為計算域。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。為了真實地模擬穿越過程對地鐵一號線底板和地面立交橋的影響,采用ＡＮＳＹＳ的單元“生死”功能來模擬土體開挖和支護施工。[4]具體實現(xiàn)步驟是:(1)建立整個結(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,計算結(jié)構(gòu)的初始變形;(3)“激活”凍土單元,模擬土體凍脹對周圍環(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,模擬凍土解凍時的凍融。4計算結(jié)果分析4.1 施工過程對地鐵一號線影響分析 由于穿越段要從正在運營中的一號線上體館站穿過,在施工中不能影響一號線的正常運行。所以很有必要分析穿越施工對地鐵軌道變形的影響。圖5、6給出了穿越施工引起的一號線軌道變形。從圖5、6可以看出,凍脹變形量很小,最大值為+2.1ｍｍ,對一號線地鐵運營幾乎沒什么影響。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行條件:(1)軌道高差(縱向)小于4ｍｍ/10ｍ;(2)地鐵結(jié)構(gòu)絕對沉降量小于或等于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施工過程對地面高架影響分析 地面高架對地面變形非常敏感。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行。圖7給出了Ｌ1～Ｌ4高架立柱在不同施工工況時的變形發(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施工過程對一號線底板影響分析 一號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。計算結(jié)果顯示,南線底板承受大部分高架傳來的荷載。由于凍土凍脹(如圖9)的影響,一號線底板稍稍隆起,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,變形幅度達到6ｍｍ,此時底板變形向縱向的發(fā)展。也就是說,原來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,北線隧道穿越對南線底板的變形影響較小,而此時板的雙向作用更為明顯。中間換乘通道穿越后(如圖12),整個穿越段底板出現(xiàn)很大的豎直變形,與初始變形相比,增幅達到13ｍｍ。在凍土凍融(如圖13)后,這個變形趨勢進一步擴大,最終底板變形增幅高達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,從而影響地鐵一號線的正常運營。5結(jié)論和建議(1)實施換乘通道施工和凍土融化施工時,地鐵一號線上行線和下行線軌道會發(fā)生較大的變形,影響地鐵一號線的正常運營。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支撐和注漿加固措施。(2)穿越段施工對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)測結(jié)構(gòu)中哪些部位變形過大,對周圍環(huán)境影響較大,在施工時重點加強以上部位的監(jiān)測,為監(jiān)測方案的制定提供有益的參考。(5)實行以監(jiān)測反饋為基礎(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)隨時根據(jù)監(jiān)測信息調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)。參考文獻:[1] 王瑁成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[Ｍ].北京:清華大學出版社,1996[2] 朱伯芳.有限單元法原理和應(yīng)用[Ｍ].北京:中國水利水電出版社,1998[3] 孔祥鵬.垂直換乘節(jié)點施工中新建車站對已建車站的影響[Ｄ].同濟大學碩士學位論文,2003[4]?。粒危樱伲臃治鲋改?ＡＮＳＹＳ公司北京辦事處,1999[5] 徐昀.軟土地鐵車站縱向變形研究[博士學位論文][Ｄ].上海:同濟大學地下建筑與工程系,2000
3計算模型 計算采用三維大型有限元計算軟件ＡＮＳＹＳ8.0。鋼筋混凝土地連墻和頂板中板底板采用4節(jié)點三維板單元ＳＨＥＬＬ63,凍土采用8節(jié)點三維實體單元ＳＯＬＩＤ185,梁、柱、托換樁采用2節(jié)點空間梁單元ＢＥＡＭ4。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。為了減少計算量并滿足實際計算的需要,對整個結(jié)構(gòu)做了必要的簡化。在計算時,截取穿越段和受穿越段施工影響較大的范圍作為計算域。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。為了真實地模擬穿越過程對地鐵一號線底板和地面立交橋的影響,采用ＡＮＳＹＳ的單元“生死”功能來模擬土體開挖和支護施工。[4]具體實現(xiàn)步驟是:(1)建立整個結(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,計算結(jié)構(gòu)的初始變形;(3)“激活”凍土單元,模擬土體凍脹對周圍環(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,模擬凍土解凍時的凍融。4計算結(jié)果分析4.1 施工過程對地鐵一號線影響分析 由于穿越段要從正在運營中的一號線上體館站穿過,在施工中不能影響一號線的正常運行。所以很有必要分析穿越施工對地鐵軌道變形的影響。圖5、6給出了穿越施工引起的一號線軌道變形。從圖5、6可以看出,凍脹變形量很小,最大值為+2.1ｍｍ,對一號線地鐵運營幾乎沒什么影響。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行條件:(1)軌道高差(縱向)小于4ｍｍ/10ｍ;(2)地鐵結(jié)構(gòu)絕對沉降量小于或等于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施工過程對地面高架影響分析 地面高架對地面變形非常敏感。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行。圖7給出了Ｌ1～Ｌ4高架立柱在不同施工工況時的變形發(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施工過程對一號線底板影響分析 一號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。計算結(jié)果顯示,南線底板承受大部分高架傳來的荷載。由于凍土凍脹(如圖9)的影響,一號線底板稍稍隆起,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,變形幅度達到6ｍｍ,此時底板變形向縱向的發(fā)展。也就是說,原來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,北線隧道穿越對南線底板的變形影響較小,而此時板的雙向作用更為明顯。中間換乘通道穿越后(如圖12),整個穿越段底板出現(xiàn)很大的豎直變形,與初始變形相比,增幅達到13ｍｍ。在凍土凍融(如圖13)后,這個變形趨勢進一步擴大,最終底板變形增幅高達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,從而影響地鐵一號線的正常運營。5結(jié)論和建議(1)實施換乘通道施工和凍土融化施工時,地鐵一號線上行線和下行線軌道會發(fā)生較大的變形,影響地鐵一號線的正常運營。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支撐和注漿加固措施。(2)穿越段施工對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)測結(jié)構(gòu)中哪些部位變形過大,對周圍環(huán)境影響較大,在施工時重點加強以上部位的監(jiān)測,為監(jiān)測方案的制定提供有益的參考。(5)實行以監(jiān)測反饋為基礎(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)隨時根據(jù)監(jiān)測信息調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)。參考文獻:[1] 王瑁成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[Ｍ].北京:清華大學出版社,1996[2] 朱伯芳.有限單元法原理和應(yīng)用[Ｍ].北京:中國水利水電出版社,1998[3] 孔祥鵬.垂直換乘節(jié)點施工中新建車站對已建車站的影響[Ｄ].同濟大學碩士學位論文,2003[4]?。粒危樱伲臃治鲋改?ＡＮＳＹＳ公司北京辦事處,1999[5] 徐昀.軟土地鐵車站縱向變形研究[博士學位論文][Ｄ].上海:同濟大學地下建筑與工程系,2000
