摘　要:以上海地铁明珠线二期上体场站工程的实际施工为背景,对上体场站穿越段施工全过程进行三维有限元分析,动态模拟了施工过程对地铁一号线底板、高架立柱等周围环境的变形影响。得出了一些规律性的认识和有价值的结论,给施工提出了一些有益的建议。

　　1引言

　　随着城市地下空间的开发利用和城市地铁轨道交通的逐步发展,必然会形成越来越多的换乘节点,以及新建车站对已建车站的穿越。目前,国内没有类似的施工经验可以借鉴,穿越过程会对周围环境产生怎样的影响是未知的,从而造成施工时的安全隐患。另外,由于穿越段将从运营中的一号线上体馆站下穿过,其结构紧贴一号线底板,一号线车站上方地面为立交桥,环境条件非常苛刻。为了确保工程安全,消除安全隐患,利用数值模拟工具对该结构进行三维有限元分析[1,2],模拟穿越施工的动态过程,并通过总结穿越施工对结构影响的规律性,寻找出施工中的关键因素,从而采取安全有效的施工方法来保证地铁一号线以及上面立交桥的正常运营。

　　2 工程概况

　　明珠线二期上体场车站位于零陵路漕溪北路丁字路口,呈东向西设置,与原地铁一号线上体馆站呈“丁”字相接。为地下三层结构,地铁一号线上体馆站为地下二层结构,二者共享下一层站厅层。按使用功能要求,明珠线车站下三层必须穿越一号线车站底部,以保证线路通畅,同时在穿越段打通原一号线车站底板和站台板,形成垂直换乘节点。

　　根据地质条件特征、施工条件,并结合上海地区类似地层地下工程实践,拟采用水平冻结加固土体,矿山法开挖构筑穿越段的施工方法,即:采用水平孔冻结法加固穿越段结构周围地层,使外围土体冻结,形成强度高、封闭性好的冻土帷幕,然后在冻土帷幕中进行分区、分层开挖构筑施工。

　　根据工程结构特征施工划分为南线隧道、北线隧道和换乘通道三个区域进行施工(如图1、图2所示)。

　　3 计算模型

　　计算采用三维大型有限元计算软件ANSYS8.0。钢筋混凝土地连墙和顶板中板底板采用4节点三维板单元SHELL63,冻土采用8节点三维实体单元SOLID185,梁、柱、托换桩采用2节点空间梁单元BEAM4。他们都假定为线弹性材料[3]。梁、柱、托换桩三者连接的位置采用耦合的方法。底板和冻土之间的接触引入接触面单元。为了减少计算量并满足实际计算的需要,对整个结构做了必要的简化。在计算时,截取穿越段和受穿越段施工影响较大的范围作为计算域。穿越完成后的有限元网格和模型的边界条件如图3、4所示。为了真实地模拟穿越过程对地铁一号线底板和地面立交桥的影响,采用ANSYS的单元“生死”功能来模拟土体开挖和支护施工。[4]具体实现步骤是:

　　(1)建立整个结构模型;

　　(2)施加重力荷载和结构外荷载,“杀死”冻土单元,计算结构的初始变形;

　　(3)“激活”冻土单元,模拟土体冻胀对周围环境的影响;

　　(4)“杀死”北线穿越段冻土,模拟北线隧道穿越段施工;

　　(5)“杀死”南线穿越段冻土,模拟南线隧道穿越段施工;

　　(6)“杀死”中间穿越段冻土,模拟换乘通道穿越段施工;

　　(7)“杀死”结构外冻土单元,模拟冻土解冻时的冻融。

　　4 计算结果分析

　　4.1 施工过程对地铁一号线影响分析

　　由于穿越段要从正在运营中的一号线上体馆站穿过,在施工中不能影响一号线的正常运行。所以很有必要分析穿越施工对地铁轨道变形的影响。图5、6给出了穿越施工引起的一号线轨道变形。从图5、6可以看出,冻胀变形量很小,最大值为+2.1mm,对一号线地铁运营几乎没什么影响。南线、北线隧道穿越引起的轨道变形最大值分别为-5.9mm和-6.0mm,最大轨道高差(纵向)分别为3.8mm/10m和3.9mm/10m。根据“上海市地铁基坑工程施工规程”的要求,明珠线二期上体场站工程因施工引起的地铁结构变形必须满足如下列车安全运行条件:

　　(1)轨道高差(纵向)小于4mm/10m;

　　(2)地铁结构绝对沉降

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