盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上修建三連拱地鐵車站結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

摘　要: 以廣州地鐵3 號(hào)線林和西路站為工程背景,采用有限元法數(shù)值模擬分析手段對(duì)在單線區(qū)間盾構(gòu)隧道的基礎(chǔ)上,采用礦山法直接擴(kuò)挖單層三連拱地鐵車站進(jìn)行了研究,得出了主體結(jié)構(gòu)的參數(shù)和整個(gè)施工過(guò)程結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和位移分布與大小,為今后實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工提供有價(jià)值的參考。
關(guān)鍵詞: 地鐵車站; 盾構(gòu)隧道; 結(jié)構(gòu)參數(shù); 有限元法

　　國(guó)外許多城市不僅用盾構(gòu)法修建地鐵區(qū)間隧道, 還用盾構(gòu)法修建地鐵車站等特殊斷面結(jié)構(gòu)。直接采用盾構(gòu)法或配合盾構(gòu)法修建地鐵車站等特殊斷面結(jié)構(gòu)已成為世界各國(guó)地下鐵道施工的最新技術(shù)前沿之一[ 1～3 ] 。
目前由于我國(guó)設(shè)備能力及設(shè)計(jì)施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)不足,僅在區(qū)間隧道的修建時(shí)采用盾構(gòu)法,而車站及特殊斷面的隧道尚未采用。一般為了給盾構(gòu)機(jī)提供場(chǎng)地, 在區(qū)間隧道修建前必須先修建區(qū)間隧道兩端的地鐵車站,并且相鄰的區(qū)間隧道不能連續(xù)修建,這無(wú)疑限制了盾構(gòu)法的大規(guī)模采用。為尋求盾構(gòu)法在城市地鐵工程中大規(guī)模應(yīng)用的突破口,結(jié)合我國(guó)實(shí)情,作者以廣州地鐵3 號(hào)線林和西路站為工程背景,在國(guó)內(nèi)首次對(duì)在區(qū)間盾構(gòu)隧道的基礎(chǔ)上修建地鐵車站的方案進(jìn)行了研究[ 4 ] ,列出了兩連拱島式站臺(tái)車站、四條平行隧道島式站臺(tái)車站、四條平行隧道側(cè)式站臺(tái)車站、三條平行隧道島式站臺(tái)車站和三連拱島式站臺(tái)車站等基本方案形式,本文采用有限元法模擬手段就最具可能性的區(qū)間隧道基礎(chǔ)上修建三連拱島式站臺(tái)地鐵車站的方案進(jìn)行了研究。
1 　三連拱地鐵車站方案概況
1. 1 　車站基本情況
林和西路站位于天河北路與林和西路交叉口,呈南北向。車站周圍超高層建筑較多,道路較窄,交通繁忙;站兩側(cè)建筑物距離較近,站位東、西向調(diào)整幅度非常有限;站位所處位置兩旁建筑物的地下室已超出道路規(guī)劃紅線,造成出入口及風(fēng)亭的布置困難;客流量較小;地下管線密集。
本站地形平坦,為珠江一級(jí)階地,第四系覆蓋層以人工堆積、沖洪積、殘積為主,厚5. 1～14. 5 m , 局部可見(jiàn)淤泥質(zhì)土和細(xì)砂透鏡體。強(qiáng)風(fēng)化巖面埋深5. 1～ 14. 5 m 。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,未發(fā)現(xiàn)有斷層通過(guò)。部分地段有砂層孔隙水, 及風(fēng)化巖裂隙水,穩(wěn)定地下水位埋深1. 90～5. 70 m 。
1. 2 　設(shè)計(jì)原則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)《廣州市軌道交通3 號(hào)線工程總體策劃綱要(討論稿) 》中的車站施工方法及綜合情況一覽表,林和西路站為3 級(jí)車站、客流4 365 人/h、線路軌面埋深15 ～20 m 、島式站臺(tái)、站臺(tái)寬8 m 、線間距13. 2 m 、施工方法為盾構(gòu)過(guò)站后采用礦山法擴(kuò)挖。林和西路地鐵車站的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50157 -92) 為準(zhǔn)。
1. 3 　車站結(jié)構(gòu)型式
根據(jù)對(duì)林和西路站的具體情況分析,結(jié)合現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)施工裝備和能力,提出車站為單層三連拱島式站臺(tái)車站,站廳設(shè)在地面或兩端地下,站臺(tái)兩端可設(shè)輔助用房,站臺(tái)與站廳之間由樓梯和自動(dòng)扶梯連接(車站斷面圖見(jiàn)圖1) 的車站結(jié)構(gòu)型式。

2 　有限元數(shù)值模擬
采用兩種平面應(yīng)變數(shù)值模擬方法對(duì)在區(qū)間盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上采用礦山法擴(kuò)挖的單層三連拱島式站臺(tái)地鐵車站進(jìn)行數(shù)值模擬研究。首先采用荷載2結(jié)構(gòu)模式對(duì)三連拱島式站臺(tái)地鐵車站在不同埋深條件下最終主體結(jié)構(gòu)的高跨比和厚度進(jìn)行研究;再采用考慮施工效應(yīng)的數(shù)值模擬方法對(duì)車站的整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行模擬,對(duì)施工中的臨時(shí)支護(hù)和主體結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性進(jìn)行研究。
2. 1 　荷載2結(jié)構(gòu)模式
2. 1. 1 　基本假設(shè)和計(jì)算模式
荷載2結(jié)構(gòu)模式的基本假設(shè)為:主體結(jié)構(gòu)為小變形彈性梁,將主體結(jié)構(gòu)離散為足夠多個(gè)等厚度直梁?jiǎn)卧? 用布置于全周各節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來(lái)模擬圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用;彈簧單元不承受拉力,受拉力的彈簧自動(dòng)脫落;拱底作用相同的豎向反力來(lái)平衡地面荷載、土壓、水壓及結(jié)構(gòu)的自重。具體計(jì)算模式如圖2 所示。
2. 1. 2 　計(jì)算參數(shù)和模型本次采用ANSYS 軟件梁?jiǎn)卧?BEAM 3) 模擬主體結(jié)構(gòu),彈簧單元(COMBIN 14) 模擬彈簧,將所有的荷載換算為等效節(jié)點(diǎn)荷載加到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都加上徑向的彈簧,彈簧的剛度為同一點(diǎn)處地層的彈性抗力系數(shù),通過(guò)反復(fù)計(jì)算確定彈簧的有無(wú)。總共劃分了128 個(gè)梁?jiǎn)卧?8 個(gè)彈簧單元。巖土體計(jì)算參數(shù)以實(shí)際的地質(zhì)勘測(cè)資料為準(zhǔn),主體結(jié)構(gòu)盾構(gòu)隧道管片為C50 混凝土,但根據(jù)管片的接頭效應(yīng)和剛度等效原理,將其彈模折減到原值的0. 75[5] ,其他結(jié)構(gòu)取C30 混凝土的參數(shù)。計(jì)算采用水土合算的形式,荷載取值如下:巖土體的容重為20 kN/m3,鋼筋混凝土的容重為25 kN/立方米,地面活載為20 kN/平方米,水平壓力用豎向荷載乘以側(cè)壓力系數(shù)0. 538(地質(zhì)資料) 。地層的彈性抗力為16 MPa/m , 有限元模型網(wǎng)格、約束和荷載見(jiàn)圖3。

2. 1. 3 　計(jì)算情況
根據(jù)荷載2結(jié)構(gòu)模式的基本假設(shè),本次計(jì)算取車站主體結(jié)構(gòu)的最不利受荷情況即可能的最大埋深:軌面埋深21. 5 m 模擬計(jì)算。站廳取3 種不同的凈高,分別為5. 5 m 、6. 0 m 和6. 5 m ; 每種站廳凈高下主體結(jié)構(gòu)取3 種不同的厚度,分別為0. 4 m 、0. 5 m 和0. 6 m 。
2. 1. 4 　計(jì)算結(jié)果和分析
每一種情況的計(jì)算結(jié)果包括結(jié)構(gòu)的變形、彎矩、軸6. 5 m , 主體結(jié)構(gòu)厚度0. 5 m 為例,將部分計(jì)算結(jié)果如力和剪力。將部分計(jì)算結(jié)果由表1 列出,以站廳凈高圖4～ 圖6 列出。
表1 　主體結(jié)構(gòu)最大彎矩及相應(yīng)的軸力

　　從以上計(jì)算結(jié)果分析:
(1) 隨著站廳凈高的增加,拱頂、仰拱和盾構(gòu)管片的最大彎矩都明顯減小,拱頂處最大減小了80 %(從328 kN·m 減小到59 kN·m) ;雖然相應(yīng)的軸力也有所減小,但減小的百分比很小,最大只有6 %(從1 080 kN 減小到1 022 kN) ,對(duì)于混凝土材料而言,這樣的內(nèi)力變化是有利的,故在考慮站廳凈高時(shí),在條件允許的情況下,應(yīng)盡量增加站廳的凈高。
(2) 兩側(cè)立柱彎矩的變化情況是先由小增大再由大減小(從274 kN·m 增大到303 kN·m , 再?gòu)?03 kN ·m 減小到297 kN·m) ,而相應(yīng)的軸力減小卻不太明顯,最大只有6 %(從2 373 kN 減小到2 221 kN) ,說(shuō)明對(duì)立柱而言,并非站廳的凈高越高越好,而是有一個(gè)合理的高度。
(3) 在相同站廳凈高條件下,拱頂和仰拱的彎矩隨主體結(jié)構(gòu)厚度增加的變化情況是先由大減小再由小增大(以站廳凈高6. 5 m , 拱頂?shù)膹澗刈兓癁槔?先從101 kN·m 減小到59 kN ·m , 再?gòu)?9 kN ·m 增大到141 kN·m) ,相應(yīng)的軸力變化情況是先由小增大再由大減小(從1 160 kN 增大到1 181 kN , 再?gòu)? 181 kN 減小到1 140 kN) ,但兩側(cè)立柱和盾構(gòu)管片的內(nèi)力變化幅度較小(最大不超過(guò)10 %),故在考慮主體結(jié)構(gòu)厚度時(shí),在滿足材料要求的前提下,應(yīng)選擇合理的主體結(jié)構(gòu)厚度。
(4) 從盾構(gòu)管片的內(nèi)力分布來(lái)看,三連拱島式站臺(tái)車站結(jié)構(gòu)盾構(gòu)管片的內(nèi)力,與相應(yīng)的盾構(gòu)區(qū)間隧道管片內(nèi)力分布在相同的量級(jí)上,說(shuō)明采用這種方法沒(méi)有給盾構(gòu)管片增加太大的附加內(nèi)力,并且更重要的是管片不需要作任何特殊處理,采用普通的盾構(gòu)管片就可以滿足結(jié)構(gòu)要求。
綜上分析,對(duì)盾構(gòu)法隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)挖的三連拱島式站臺(tái)車站,在軌面埋深為21. 5 m 時(shí)主體結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理取值如下:站廳凈高6. 5 m , 主體結(jié)構(gòu)厚度0. 5 m , 管片部分采用普通盾構(gòu)管片。主體結(jié)構(gòu)混凝土各部分的應(yīng)力分布情況如表2 所示。從表上可看出,盾構(gòu)隧道管片主體結(jié)構(gòu)厚度為0. 3 m 的C50 鋼筋混凝土平板型、通過(guò)內(nèi)外兩側(cè)配鋼筋后(比如,鋼筋凈保護(hù)層厚為50 mm , As = 1 018 平方毫米) 能夠滿足結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性要求。再次說(shuō)明此種結(jié)構(gòu)形式的管片主體結(jié)構(gòu)本身是可行的。其他部位采用0. 5 m 厚的C30 鋼筋混凝土也能滿足結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全性要求。

表2 　結(jié)構(gòu)各部分應(yīng)力分布情況表

2. 2 　考慮施工效應(yīng)的有限元數(shù)值模擬
2. 2. 1 　計(jì)算模型和參數(shù)為了考察軌面埋深21. 5 m 、主體結(jié)構(gòu)站廳凈高6. 5 m 、厚0. 5 m 、普通盾構(gòu)管片和臨時(shí)支護(hù)在整個(gè)施工過(guò)程中的可行性與安全性,進(jìn)行了考慮施工效應(yīng)的有限元數(shù)值模擬。采用ANSYS 程序的平面應(yīng)變方法、Drucker2Prager (D2P) 材料、單元“ 生(alive) ”與“ 死(kill) ”的處理功能和隧道開挖等效釋放載荷的概念[6 ] 進(jìn)行模擬,對(duì)在盾構(gòu)法隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)挖的三連拱島式站臺(tái)地鐵車站整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。使用等參四邊形單元(PLAN E 42) 模擬巖土體, 梁?jiǎn)卧?BEAM 3) 模擬主體結(jié)構(gòu)。計(jì)算邊界為:左右取1. 5 倍三連拱隧道跨度,下邊界取1 倍三連拱洞室高,上邊界取至地面;最終計(jì)算邊界為高35 m , 寬77 m ; 軌面埋深為-21. 5 m 。整個(gè)模型總共劃分成2 639 個(gè)單元, 有限元網(wǎng)格劃分如圖7 所示。同荷載2結(jié)構(gòu)模式,將其彈模折減到原值的0. 75 , 其他結(jié)構(gòu)取C30 混凝土的參數(shù),加固區(qū)巖體和超前支護(hù)根據(jù)等效加固原理采用將圍巖參數(shù)提高的方法進(jìn)行模擬。物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3 。
2. 2. 2 　施工過(guò)程的模擬
施工方法為先用盾構(gòu)機(jī)修建兩條平行的盾構(gòu)區(qū)間隧道,再采用CRD 法擴(kuò)挖,最終修成單層三連拱車站。施工步驟(見(jiàn)圖8) 為:修建盾構(gòu)隧道左洞1 →修建盾構(gòu)隧道右洞2 →修建左立柱3 → 對(duì)4 的外周地層進(jìn)行加固改良及超前支護(hù)→開挖左上部4 并做初期支護(hù)→修建右立柱5 →對(duì)6 的外周地層進(jìn)行加固改良及超前支護(hù)→開挖右上部6 并做初期支護(hù)→開挖左下部7 并做初期支護(hù)→開挖右下部8 并做初期支護(hù)→拆除7 、8 部分的盾構(gòu)管片→修筑主體結(jié)構(gòu)。

在開挖4 、6 、7 和8 步時(shí),使用鋼支撐和噴射混凝土進(jìn)行支護(hù),鋼支撐用14 號(hào)工字鋼,噴射混凝土用C20 , 厚25 cm 。計(jì)算參數(shù)取值以《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50157 -92) 為準(zhǔn)。

2. 2. 3 　計(jì)算結(jié)果和分析每一施工步的結(jié)果包括土層的應(yīng)力、位移和結(jié)構(gòu)的變形、彎矩、軸力、剪力。以彎矩為例,將其中幾步的最大最小內(nèi)力值(以結(jié)構(gòu)的彎矩和軸力為例) 見(jiàn)表4 。模擬結(jié)果以圖表示,見(jiàn)圖9～ 圖11 。每步模擬計(jì)算的
表4 　結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨開挖變化情況表

最大彎矩為293. 9 kN·m , 和第7 步結(jié)構(gòu)的最大彎矩為-340. 9 kN·m) ,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于荷載2結(jié)構(gòu)模式的內(nèi)力值。而這些個(gè)別較大值產(chǎn)生的原因是應(yīng)力集中或局部應(yīng)力分布不均造成的,這些可以在施工過(guò)程中選擇恰當(dāng)?shù)呐R時(shí)支護(hù)措施,確定合理的支護(hù)參數(shù)得以解決。故從總體上講,軌面埋深21. 5 m , 主體結(jié)構(gòu)站廳凈高6. 5 m , 主體結(jié)構(gòu)厚度0. 5 m , 普通盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過(guò)程中主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支護(hù)是安全的,建議的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠滿足施工階段對(duì)結(jié)構(gòu)提出的要求。

3 　結(jié)論
通過(guò)本文的數(shù)值模擬分析,可以得出如下結(jié)論:
(1) 根據(jù)目前我國(guó)地下鐵道修建技術(shù)的現(xiàn)狀,在盾構(gòu)法隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)挖地鐵車站的思路是完全可行的,這不但可以使盾構(gòu)法在城市地鐵工程中大規(guī)模的應(yīng)用,還可以較大幅度地降低工程的造價(jià),進(jìn)一步提高地鐵工程的建設(shè)質(zhì)量,縮短建設(shè)周期。
(2) 目前我國(guó)的地鐵車站的軌面埋深一般在10～ 25 m 之間,通過(guò)林和西路站為主要工程對(duì)象較大埋深(軌面埋深21. 5 m) 的模擬計(jì)算,只要選用適當(dāng)?shù)能囌局黧w結(jié)構(gòu)參數(shù),采用普通盾構(gòu)管片,整個(gè)車站主體結(jié)構(gòu)能夠滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求。
(3) 在整個(gè)施工過(guò)程中,只要選擇恰當(dāng)?shù)呐R時(shí)支護(hù)措施,確定合理的支護(hù)參數(shù),應(yīng)力集中或局部應(yīng)力分布不均造成的局部應(yīng)力增大問(wèn)題可以解決。

(4) 在三連拱地鐵車站擴(kuò)挖時(shí),雖然盾構(gòu)隧道的
　　從模擬結(jié)果可知,除個(gè)別施工步外(第4 步結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有所增大,但在管片的設(shè)計(jì)時(shí),不需要作任何特殊處理。雖然在結(jié)構(gòu)上滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求,在施工過(guò)程中是可行的,但是在一些細(xì)部方面,如盾構(gòu)管片在無(wú)損條件下的拆裝及再利用, 結(jié)構(gòu)雁型部的防水和施工過(guò)程對(duì)周圍環(huán)境的影響等問(wèn)題還需要做進(jìn)一步的研究。

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