哈尔滨某地铁区间下穿某桥模型分析

彭涛

【摘 要】简要介绍了哈尔滨地铁1号线某段区间隧道下穿四环某桥的工程施工方法及为减小路面和桥面沉降所施做的工程措施。本文的分析方法主要采用岩土和隧道有限元分析计算软件Midas GTS nx对该下穿区段进行3D建模以模拟并分析区间于该地段下穿四环路某桥的现实情况。计算得出的结果对于该工程具有预测及指导意义。

【关键词】地铁 有限元 3D建模 下穿桥 Midas GTS nx

1 工程概况

哈尔滨城市轨道交通1号某区间与该市四环路某桥斜交（该四环路桥顺桥向与哈尔滨地铁1号线线路方向交叉角约67.5°），相交长度约38.7m。该桥位于该市四环路上，因与市区某主干街道相交故施做桥梁横跨该街道。该桥为普通简支梁桥，桥梁最大跨度约20.7m，桥墩与桥台距离约11.5m，该桥桥台及墩台下均设桥桩支撑该桥，单排8根，共计4排（含桥台）桥下为哈尔滨市某主干街道（与哈尔滨地铁1号线线路方向同向），哈尔滨地铁1号线区间线路设计从该桥的第一、二及二三排桥桩下穿过，其中线路左线区间结构外皮距第一排桥桩最小净距仅为1.75m。区间设计采用矿山法施工。拱顶采用管棚间插注浆小导管的措施加固，并于径向采用打设锚杆的方法加固周围土体。施工断面图如图1所示。

区间下穿土层由上至下依次为素填土层、粉质粘土层及黏土层，其中区间结构位于黏土层中，据该区域水文地质资料，该区域地下水位年变幅在2.0～3.0m，且常年位于本区间结构底板下5.0～6.0m。

2 施工方法及主要施工步骤

本段区间采用矿山法施工，由于区间上方为既有公路及桥台堆土，施工中应尽量较少对土体的扰动，减少地面沉降和对桥梁基础的扰动。

为此施工采用了在拱顶180°范围内打设φ108管棚间布φ42注浆小导管的方法加固拱顶上部土层。其中管棚为通长布设，小导管长度为3m，隔榀布设，水平倾角为10°，管棚中应注水泥净浆，小导管中应注水泥水玻璃双液浆，且注浆压力不小于1.2Mpa。

断面开挖采用台阶法开挖，上台阶开挖后及时施做临时仰拱使上部临时封闭成环，待下部开挖完毕并封闭整环后再拆除临时仰拱。台阶开挖长度不宜超过6m。

区间径向采用φ42注浆锚杆进行加固，锚杆长度为1.5m沿区间侧壁径向梅花型打设，打设间距1mX1m，注浆浆液采用水泥浆。

3 模型的建立

3.1 关于模型的一些假定

模型中隧道喷射混凝土衬砌均按线弹性模型考虑且遵循广义虎克定律，土体均以摩尔库伦模型为基础模拟，锚杆按Midas GTS nx中新添加的植入式桁架模型模拟。模型中对于因锚杆注浆而加固的的土体采用替换单元属性的方式实现，即未加固土体按原土体属性计算，加固后土体按硬化土体属性计算。由于Midas GTS nx中的地表沉降量是个累积计算值顾本模型为了计算出最接近现实情况的结果，计算过程与实际开挖过程过程相同。

各土层材料属性定义如表1。

模型建成后，为了增加模型的计算稳定性，采用四面体网格划分该模型。同时为了节省计算时间，本模型以1m为最小单元边长，共计划分267000个单元。如图2所示。

3.2 结果分析

从计算结果如图3所示，可以看出隧道结构最大位移处发生拱顶，有9mmz左右的竖向位移，其次为拱底，有5mm左右的拱底隆起，但均能满足地铁区间设计要求。地面沉降均保持在1～3mm范围内，桥体位于区间线路左线部分有1.7mm左右的沉陷，由于桥墩和桥桩的杠杆作用使得位于右线区间桥体有1.2mm作用的上浮，但均能满足规范要求。

4 结语

本工程中的加固措施是在模型中经过反复实验最终确定下来的，经过多次计算，发现管棚对于控制地面沉降效果比较显著，而小导管和锚杆对于控制区间内部位移及变形有着较为不错的效果，故而在本工程中采用了二者结合的加固方式，对控制地面及其上方建筑物沉降和对控制区间内部结构位移变形都有着较为优异的表现。