双凤桥立交K匝道对轨道三号线北延伸段影响有限元分析

刘庆（重庆市设计院，重庆　400015）



双凤桥立交K匝道对轨道三号线北延伸段影响有限元分析

刘庆
（重庆市设计院，重庆400015）

摘要：重庆轨道交通三号线下穿双凤桥立交，其中轨道暗挖隧道段与立交K匝道路面距离较近，因隧道先施工，匝道的施工与运营均可能对轨道结构安全产生影响。该文用三维弹塑性有限元方法，对K匝道施工及运营过程中隧道结构的内力和变形情况进行了模拟分析。计算结果表明，轨道交通三号线暗挖隧道的承载力、变形和抗裂等均满足规范要求，结构安全。

关键词：有限元分析；暗挖隧道；位移影响；计算荷载；边界条件

1　项目背景

1.1区位

双凤桥立交位于渝北区双凤桥及空港广场附近，处于两路老城区、空港工业园区、空港新城和江北机场等区域的交汇处，为210国道、椿萱大道、空港大道、双凤路、319国道等道路上的重要交通节点。

轨道三号线北延段由南向北延伸，在双凤桥立交C匝道K0+060处进入立交设计范围并沿C匝道向北延伸，上跨C匝道、I匝道、319国道及D匝道后，进入空港广场，继续向北下穿K匝道，在K匝道K0+310处向东延伸，进入空港大道并离开立交设计范围，区位关系如图1。

图1　区位图

1.2相互关系

立交K匝道与轨道三号线关系密切，在平面图上存在两次线位重叠或交叉，如图2。

图2　 K匝道与轨道平面关系图

第一次：K匝道K0+172.444-K0+222.724斜跨轨道YK1+ 647.811-YK1+695.921段，两者结构上下净距仅为1.26m。该段轨道为单洞暗挖隧道，初期支护由Φ22中空注浆锚杆、Φ22砂浆锚杆和210mm厚C25喷射混凝土组成，二衬采用C35混凝土，厚500mm，横向主筋为Φ25@150。该段K匝道属于路堑，因埋深较浅，采用明挖U型槽，净宽7.7m，侧墙最大临空高度7.0m，侧墙及底板厚0.55m，剖面关系如图3。

图3　明挖U型槽段与轨道三号线剖面关系

第二次：K匝道K0+302.296-K0+320.846垂直上跨轨道YK1+765.833-YK1+774.975段，两者结构上下净距仅为3.18m。该段轨道为双洞暗挖隧道，初期支护由Φ22中空注浆锚杆、Φ22砂浆锚杆和270～290mm厚C25喷射混凝土组成，二衬采用C35混凝土，厚650～700mm，横向主筋为Φ25@150。该段K匝道为明挖下穿通道，采用箱型截面，净空7.7m（宽）×6.0m（高），顶底板及侧墙厚0.75m，剖面关系如图4。

图4　车行地通道段与轨道三号线剖面关系

轨道三号线北延伸段采用跨坐式单轨，因该段隧道位于填土层中，基底土层段采用钢花管注浆加固，同时，为确保轨道运营时轨道梁支座不产生沉降，设计将轨道梁支座设置在独立桩基础上，并将桩底深入中风化岩层，独立桩基础与区间隧道结构完全脱开，如图5。

图5　轨道三号线北延伸段典型衬砌图

根据轨道公司与双凤桥组合式立交业主达成的协议，双凤桥K匝道施工将在轨道三号线北延伸段暗挖隧道完工后进行。由于轨道暗挖隧道修建在填土层中，所以K匝道路基开挖会对隧道衬砌内力、变形产生较大影响。同时，K匝道路面与隧道顶距离很近，立交建成后，道路车辆集中荷载作用在隧道衬砌顶部，使衬砌局部受力增大，影响衬砌结构安全。因此，需要采用有限元方法，模拟K匝道路基开挖对轨道隧道结构内力、变形的影响，并分析道路车辆集中荷载作用在衬砌上隧道的安全性能，根据计算结果对道路及隧道施工方案提出相关建议，为项目的设计、施工提供安全技术保障。

2　风险源及分析内容

根据以上分析，双凤桥立交K匝道对轨道三号线北延伸段隧道有两个风险项，具体如表1所示。

表1　风险识别

采用有限元手段，预测K匝道基坑开挖和道路运营后对轨道区间隧道的位移影响。K匝道施工和修建完成后，对区间隧道的结构内力进行计算，评价轨道三号线北延伸段相关结构的安全性。

3　三维有限元分析

建立三维有限元模型分析K匝道施工和运营对轨道三号线北延伸段暗挖隧道的影响。

3.1三维计算模型

计算范围内的围岩采用SOLID45三维实体单元，区间衬砌采用SHELL63三维壳体单元。为了确保三维模型有足够计算精度并减少计算工作量，此次计算对范围进行了一定的限制，沿轨道三号线纵向取200m，垂直于轨道三号线横向取140m，从地表向下取80m，如图6、图7。

图6　 K匝道建成三维有限元模型

图7　 K匝道与区间隧道相互关系

3.2计算荷载、边界条件及方法

3.2.1三维模型的计算荷载

结构自重；区间隧道施工产生的围岩释放荷载；道路车道车辆荷载，按20kPa计算。

3.2.2三维模型的计算边界条件

计算模型的底面约束竖直方向Y方向的自由度，侧面约束侧向X、Z方向的自由度，地表为自由面［1］。

3.2.3计算方法和收敛准则

计算采用使用“生死”单元的方法实现区间隧道的开挖和支护。围岩材料的屈服条件采用Drucker－Prager屈服准则［2］。

3.3计算参数

根据地质钻探所揭示的地层条件，现场从上到下主要为人工填土层、中等风化砂质泥岩层，地下水匮乏。轨道三号线暗挖隧道底部未进入中风化砂质泥岩层区域，采用钢花管注浆的形式进行加固。K匝道采用机械开挖施工，施工完成后修建结构物，并采用素填土回填，如表2。

表2　材料参数表

3.4三维模型计算结果

3.4.1计算步

目前轨道三号线北延伸段区间隧道正在修建，根据安排，交叉影响区范围内K匝道施工在暗挖隧道建成后开始建设，并在轨道通车前建设完成。整个计算模型共有17个计算步：

（1）计算模型用8个计算步分析轨道三号线间隧道施工完毕后的地应力场，其中，计算步1分析自重作用下的初始应力场；计算步2-8分析区间隧道暗挖施工后的二次应力场；

（2）计算模型用9-14计算步模拟K匝道开挖；

（3）计算步15模拟K匝道结构物修建；

（4）计算步16模拟K匝道建成后地表回填对区间隧道的影响；

（5）计算步17模拟K匝道运营后对区间隧道的影响。

3.4.2计算结果

通过三维计算模型得到不同阶段下K匝道修建对轨道三号线区间隧道的位移影响结果。

从表3可看出，K匝道在开挖阶段对区间隧道的变形影响都是卸载引起的隆起变形，最大变形为3.0mm位于隧道洞顶，仰拱处的位移量不大于1.0mm。K匝道建成回填并运营后，区间隧道的变形基本恢复到初始状态，洞顶、仰拱的位移量都很小，不会影响轨道三号线北延伸段将来的正常运营。

表3　位移影响计算结果（单位：mm）

K匝道开挖过程中，区间隧道的侧向变形最大2.6mm，如图8、图9，接近洞顶的竖向变形，说明隧道变形有一定程度的扭转，原因是K匝道与区间隧道重叠区域正好是隧道结构断面变化位置，由于结构缝的存在削弱了衬砌纵向的抗扭能力［3］。K匝道建成后对开挖土体进行回填，该工序使区间隧道的侧向变形得到恢复，如图10、图11，从最终状态看，K匝道对区间隧道的侧向位移影响较小。

图8　开挖完成计算模型位移云图（m）

图9　开挖挖成隧道位移云图（m）

图10　建成运营计算模型位移云图（m）

图11　建成运营隧道位移云图（m）

4　荷载结构法分析

双凤桥K匝道施工后，隧道衬砌结构的受力发生改变，采用荷载结构法对区间二衬截面与配筋的复算校核。

4.1明挖U型槽段

该段区间隧道为独立单洞，属于浅埋隧道，运营的车辆荷载可考虑为均布荷载，按20kPa取值，K匝道运营时该段隧道内力如图12、图13。

K匝道运营工况下的隧道结构最不利位置拱脚处的受力分别为：M=244kN.m，N=619kN。对应的轨道隧道衬砌厚650mm，环向主筋Φ25@150mm，该截面最大承载力为572.3kN· m，安全系数2.35，最大裂缝宽度0.048mm，可满足规范要求。

图12　 K匝道运营工况衬砌轴力图（kN）

图13　 K匝道运营工况衬砌弯矩图（kN·m）

4.2车行地通道段

该段区间隧道为独立双洞，属于浅埋隧道，运营的车辆荷载可考虑为均布荷载，按20kPa取值，K匝道运营时该段隧道内力如图14、图15。

图14　 K匝道运营工况衬砌轴力图（kN）

图15　 K匝道运营工况衬砌弯矩图（kN·m）

K匝道回填并运营后隧道结构最不利位置侧墙处的受力分别为：M=227kN·m，N=652kN。对应的轨道衬砌厚500mm，环向主筋Φ25@150mm，该截面最大承载力为544.8kN·m，安全系数2.41，最大裂缝宽度0.065mm，可满足规范要求。

5　实施结果

目前，轨道交通三号线北延伸段主体结构已全部完成，正进行附属设施的施工及设备调试，预计年底完工运行。2015年6月，双凤桥立交建成通车，K匝道施工时，轨道集团委托检测单位对立交影响范围内的区间隧道进行监控量测，结果如下：

（1）隧道主体无新增裂缝，应力变化幅度较小；

（2）K匝道开挖期间，拱顶的最大隆起变形为2.6mm，立交建成通车后，隧道顶隆起变形减小，约为-0.3mm，以上结果与有限元分析结果的3mm、-1.1mm基本相近，实际变形小于理论计算值。

6　结论

通过K匝道对轨道交通三号线北延伸段区间隧道影响的有限元仿真计算及荷载法分析，可以得到如下结论：

（1）K匝道施工引起轨道区间隧道的变形以竖向隆起为主，洞顶最大变形3.0mm，仰拱最大变形0.65mm，均能满足轨道三号线北延伸段安全运营的变形标准；

（2）K匝道施工和运营引起轨道区间隧道衬砌内力变化在设计安全范围内，改变后的结构内力仍满足承载力要求和抗裂要求，不需要对轨道结构加固；

（3）通过对比施工阶段监控量测数据，隧道实际变形与有限元理论分析结果基本相近，小于理论计算值，表明分析手段及参数取值基本得当，隧道结构安全。

参考文献：

［1］关宝树.隧道力学概论［M］.成都：西南交通大学出版社，1993：49-54.

［2］吴波，高波，索晓明，等.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）：84-89.

［3］刘国彬，黄院雄，侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（2）∶202-207.

责任编辑：孙苏，李红

Finite Element Analysis on Impacts of Ramp K of Shuangfengqiao Interchange on Northern Extended Section of Rail Transit Line Three

Key words:finite element analysis；shallow tunnel；displacement impact；loading calculation；boundary conditions

Abstract：Chongqing Rail Transit Line 3 passes underneath Shuangfengqiao Interchange，and its shallow tunnel is close to Ramp K of the interchange. Since the tunnel is constructed earlier，the construction and operation of the ramp probably affect the safety of the rail structure. With finite element method of three-dimensional elastoplasticity，the internal force and deformation of the tunnel structure in the construction and operation of ramp K is simulated and analyzed. The results show that the bearing capacity，deformation and cracking resistance of the shallow tunnel of rail transit line 3 meet the requirements of national standards，and the structure is secure.

中图分类号：TU31

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）05-0049-04

收稿日期：2016-02-23

作者简介：刘庆（1975-），男，四川广汉人，本科，高级工程师，主要从事路桥设计工作。

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.05.049