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

1、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         08-12-24 11:31:00     作者：林剛 何川     編輯：studa0714摘要: 以廣州地鐵3 號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)和整個施工過程結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和位移分布與大小,為今后實際工程的設(shè)計和施工提供有價值的參考。關(guān)鍵詞: 地鐵車站

2、; 盾構(gòu)隧道; 結(jié)構(gòu)參數(shù); 有限元法國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)已成為世界各國地下鐵道施工的最新技術(shù)前沿之一 13 。      目前由于我國設(shè)備能力及設(shè)計施工技術(shù)經(jīng)驗不足,僅在區(qū)間隧道的修建時采用盾構(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)合我國實情,作

3、者以廣州地鐵3 號線林和西路站為工程背景,在國內(nèi)首次對在區(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車站、四條平行隧道島式站臺車站、四條平行隧道側(cè)式站臺車站、三條平行隧道島式站臺車站和三連拱島式站臺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

4、;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,為珠江一級階地,第四系覆蓋層以人工堆積、沖洪積、殘積為主,厚5. 114. 5 m , 局部可見淤泥質(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)造簡單,未發(fā)現(xiàn)有斷層通過。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. 905. 70 m 。1. 2 設(shè)計原則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)      根據(jù)廣州市軌道交通3 號線工程總體策劃綱要(討論稿)

5、 中的車站施工方法及綜合情況一覽表,林和西路站為3 級車站、客流4 365 人/h、線路軌面埋深15 20 m 、島式站臺、站臺寬8 m 、線間距13. 2 m 、施工方法為盾構(gòu)過站后采用礦山法擴(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)計規(guī)范( GB50157 -92) 為準(zhǔn)。1. 3 車站結(jié)構(gòu)型式      根據(jù)對林和西路站的具體情況分析,結(jié)合現(xiàn)階段國內(nèi)施工裝備和能力,提出車站為單層三連拱島式站臺車站,站廳設(shè)在地面或兩端地下,站臺兩端可設(shè)輔助用房,站臺與站廳之間由樓梯和自動扶梯連接(車站斷面圖見圖1) 的車站結(jié)構(gòu)型式。 2 有

6、限元數(shù)值模擬      采用兩種平面應(yīng)變數(shù)值模擬方法對在區(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)模式對三連拱島式站臺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)值模擬方法對車站的整個施工過程進(jìn)行模擬,對施工中的臨時支護(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)離散為足夠多個等厚度直梁單元

7、; 用布置于全周各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用;彈簧單元不承受拉力,受拉力的彈簧自動脫落;拱底作用相同的豎向反力來平衡地面荷載、土壓、水壓及結(jié)構(gòu)的自重。具體計算模式如圖2 所示。2. 1. 2 計算參數(shù)和模型本次采用ANSYS 軟件梁單元(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)點荷載加到每個節(jié)點上。在每個節(jié)點上都加上徑向的彈簧,彈簧的剛度為同一點處地層的彈性抗力系數(shù),通過反復(fù)計算確定彈簧的有無。總共劃分了128 個梁單元和28 個彈簧單元。巖土體計算參數(shù)以實際的地質(zhì)勘測資料為準(zhǔn),主體結(jié)構(gòu)盾構(gòu)隧道管片為C50 混凝土,但根據(jù)

8、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. 755 ,其他結(jié)構(gòu)取C30 混凝土的參數(shù)。計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、約束和荷載見圖3。 2. 1. 3 計算情況      根據(jù)荷載2結(jié)構(gòu)模式的基本假設(shè),本次計算取車站主體結(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 模擬計算。站廳取3 種不

9、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 計算結(jié)果和分析      每一種情況的計算結(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,將部分計算結(jié)果如力和剪力。將部分計算結(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

10、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,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 , 再從303 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) ,說明對立柱而言

11、,并非站廳的凈高越高越好,而是有一個合理的高度。(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 , 再從59 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 , 再從1 181 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10 %),故在考慮主體結(jié)構(gòu)厚度時,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)力分布來看,三連拱島式站臺車站結(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上,說明采用這種方法沒有給盾構(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,對盾構(gòu)法隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)挖的三連拱島式站臺車站,在軌面埋深為21. 5 m 時主體結(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)