A高层建筑与重庆轨道交通近接施工数值模拟分析_刘惠敏

A高层建筑与重庆轨道交通近接施工数值模拟分析

刘惠敏,李 岳

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(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津300142;2.林同炎国际工程咨询(中国)有限公司,重庆401121)

=摘 要> A高层建筑位于重庆市轨道环线、九号线支线的地铁线路保护线内,并且先于地铁修建,该

高层建筑的设计方案需要考虑今后轨道环线、九号线支线施工对其自身的影响。文章采用三维弹塑性有限元方法,通过模拟轨道环线、九号线支线隧道施工,对A高层建筑因隧道施工产生的位移影响进行预测。计算结果表明,A高层建筑采用桩基础结构形式,可以很好地A高层建筑因隧道开挖产生的变形和释放的围岩荷载;该高层建筑不会对轨道环线、九号线支线隧道的结构内力产生太大影响,因而隧道衬砌不需要再进行加固设计。这一结论为该工程的顺利实施提供了理论依据。

=关键词> 地铁; 有限元分析; 隧道施工; 数值模拟=中图分类号> TU431

=文献标识码> A

的修建产生较大影响,需要通过有限元仿真分析对其可行性进行分析。

111 计算范围和单元划分在有限元计算中,边界约束条件对计算结果影响较大。实践和理论分析表明,对于地下洞室开挖后的应力和应变,仅在距洞室中心点3~5倍隧道开挖宽度(或高度)的范围内存在影响。在3倍宽度处的应力变化一般在10%以下,在5倍宽度处一般在3%以下[1],[2]。本次计算采用ANSYS有限元程序进行数值模拟,根据影响范围为开挖直径5倍的原则[3],计算模型沿线路纵向取200m,沿地铁线路

横向取230m,从地表向

图3 三维有限元模型下取80m。计算土体采

用SOLID45实体单元,隧道衬砌采用SHELL63壳体单元,屈服条件采用Drucker-Prager屈服准则。建好的结构模型和三维有限元模型如图2、图3。112 计算参数

有限元计算范围内的围岩主要为砂岩和泥岩,砂岩岩体 [收稿日期]2010-04-09

[作者简介]刘惠敏(1987~),女,桥梁与隧道工程专业工学硕士,工程师。

1 项目背景

规划A高层建筑位于重庆市轨道环线、九号线支线的交通线路保护线内,该高层建筑由地下1层、地面33层组成,高99m,占地约653m2。整个高层建筑为钢筋混凝土框架结构,拟采用人工挖孔桩作为基础,桩长10m。重庆轨道交通环线、九号线支线隧道目前尚在规划阶段,此段范围内拟定采用四线并行方案。隧道断面采用双线单洞隧道形式,隧道建筑限界净宽12m,线路埋深约为16m。隧道二次衬砌采用550mm厚的C30混凝土,按<25@200的配筋方式进行设计。A高层建筑楼与重庆轨道交通环线、九号线支线的平面、立面关系如图1所示。A高层建筑先于地铁修建。

图2 结构模型

图1 立面位置关系

从图中可知,轨道环线、九号线支线与A高层建筑的水平最小距离13153m,环线、九号线支线隧道洞顶到地面的距离815m,隧道间的夹层土厚6m,均小于1倍的隧道开挖宽度,属于近接程度较高的隧道。根据地质勘测报告提供的资料,A高层建筑与轨道环线、九号线场地的持力岩层为易软化砂岩层,基本质量等级为Õ类。因此,A高层建筑在轨道交通线路保护线内修建可能会对轨道环线、九号线支线隧道

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#岩土工程与地下工程#

基本质量等级为Õ级、泥岩岩体基本质量等级为Ô级,围岩力学参数见表1。

的最大竖向位移和最大侧向位移的不同,

工况1的计算结果均小于工况2的计算结果,说明采用桩基础结构,了因隧道开挖产生变形影响,所以用桩基础作为高层建筑的基础形式,可以更好地增加高层建筑抵抗隧道开挖产生变形的能力。工况1采用的有桩基础结构是本次计算中建议采用的基础结构形式。工

图5 地表位移云图(m)

图4 围岩位移云图(m)

113 计算荷载

根据荷载类型可将荷载分成结构自重、隧道开挖产生的围岩释放荷载和A高层建筑修建产生的地面超载这三部分。高层建筑产生的地面超载按每层楼1715kPa计算,每层楼高3m,所以将单层楼面荷载1715kPa除以楼层高度3m可以得到用实体单元表示的高层建筑物的重度为5183kN/m3。114 开挖步和计算工况

轨道环线、九号线支线区间隧道开挖断面宽14m、高916m,属于大断面隧道,计算中采用左右侧壁导坑法,模拟隧道的横向开挖顺序。整个模型用13个计算步进行模拟计算。计算步1模拟隧道开挖前A高层建筑修建完毕后的初始应力场,后12个算步模拟轨道环线与九号线支线隧道的开挖和衬砌的支护。先开挖九号线支线区间隧道,再开挖轨道环线隧道,轨道环线落后九号线支线区间2个计算步开挖。围岩开挖和衬砌支护在ANSYS中可采用/死0、/生0单

[4]

元的方法实现。

A高层建筑设计施工图中采用桩基础作为楼房的基础结构,桩基础长10m。轨道环线、九号线支线隧道开挖后,除了会对A高层建筑的竖向位移产生影响外,还会使A高层建筑产生侧向位移。为了比较隧道开挖后基础形式对侧向位移的影响,本次计算还采用无桩基础的建筑结构形式进行对比分析。其中工况1为有桩基础结构计算模型;工况2为无桩基础结构计算模型。

况1计算得到的位移云图如图4、图5所示。212 地层位移曲线

有限元模拟隧道开挖完毕后,A高层建筑因隧道施工而产生有规律的沉降。为了更好地了解轨道环线和九号线支线隧道的开挖对A高层建筑的影响,取横截面A-A绘出工况1施工方法的地面沉降曲线,见图6和图8;取竖截面B-

2 计算结果

211 工况计算结果比较

按照上面所述的计算工况和开挖步计算,可以得到不同工况下位移计算结果,见表2。

图6 地表竖向位移观测截面

B绘出工况1、工况2施工的侧向位移曲线,见图7和图9。

工况1地表位移沉降分析表明,因轨道环线、九号线支线区间隧道开挖引起地表位移最大沉降为2183mm;A高层建筑基底最大位移沉降为1174mm,最小位移为1166mm。按照5建筑地基基础设计规范6(DBJ50-047-2006)可以计算得到该高层建筑地基基础的倾斜量为1186@10-6,小于规

计算结果中,按工况1和工况2施工所产生的隧道

最大竖向位移和地表最大竖向位移基本相等。这说明A高层建筑修好后,施工轨道环线和九号线支线隧道产生的竖向变形主要是由隧道开挖所产生,与A高层建筑的基础形式无关。工况1和工况2计算结果的差异在于A高层建筑地表

范中规定的4@10-3的限值[5]。因此,尽管该高层建筑楼位于轨道交通保护红线内,轨道环线、九号线支线隧道开挖不会对A高层建筑基础产生较大位移影响。213 隧道结构承载力验算

轨道环线与A高层建筑水平最小距离13153m。根据工程经验判断,轨道环线、九号线支线与高层建筑最近处为

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图10 计算截面位置

图7 侧向位移观测截面

从表3中可以看出最大弯矩,不仅小于衬砌的极限弯矩,而且满足抗裂要求。因此区间隧道内力计算表明,轨道环线、九号线支线区间隧道在A高层建筑修建完毕后进行施工,按照标准衬砌截面设计衬砌厚度和配筋,可以保证隧道

图8 截面A-A竖向位移曲线

结构的承载能力要求和正常使用要求,不需要再对隧道衬砌断面进行加固设计。

3 结 论

(1)用有限元模拟隧道开挖,能再现施工过程中的力学现象,从而使设计或施工能够从宏观角度对隧道施工过程进行把握;

(2)对比计算分析表明,有桩基础的建筑结构形式可以较好的A高层建筑由于区间隧道开挖产生的竖向变形和侧向变形,A高层建筑地基基础的倾斜量在规范允许范围之内,A高层建筑设计方案中采用桩基础是一种合理的基础结构形式;

(3)计算结果表明,A高层建筑的平面位置虽然位于轨道交通保护线内,但先建的A高层建筑不会对隧道施工产生太大影响,隧道结构承载力能满足规范要求,不需要进行加固设计。

参考文献

[1] 李志业,曾艳华.地下结构设计原理与方法[M].成都:西南交

通大学出版社.2003:269-270

[2] 徐干成,白洪才,郑颖人,等.地下工程支护结构[M].北京:中

国水利水电出版社,2002:104

[3] 关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出版社,1993:

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[4] 吴波,高波.城市地铁小间距隧道施工性态的力学模拟与分析

[J].中国公路学报,2005(3):84-

[5] 地方标准DBJ50-047-2006建筑地基基础设计规范[S]

图9 截面B-B侧向位移曲线

结构受力最不利位置,需要进行结构内力的安全性分析。因

此将轨道环线、九号线支线与高层建筑最近位置的衬砌应力进行积分(见图10),得到工况1施工条件下隧道衬砌最大计算弯矩,并计算衬砌的裂缝宽度。将最大计算弯矩与结构的极限弯矩进行比较,可以得到轨道环线、九号线支线的安全状态。

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