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摘 要: 以广州地铁3 号线林和西路站为工程背景,采用有限元法数值模拟分析手段对在单线区间盾构隧道的基础上,采用矿山法直接扩挖单层三连拱地铁车站进行了研究,得出了主体结构的参数和整个施工过程结构的内力、变形和位移分布与大小,为今后实际工程的设计和施工提供有价值的参考。
关键词: 地铁车站; 盾构隧道; 结构参数; 有限元法
国外许多城市不仅用盾构法修建地铁区间隧道, 还用盾构法修建地铁车站等特殊断面结构。直接采用盾构法或配合盾构法修建地铁车站等特殊断面结构已成为世界各国地下铁道施工的最新技术前沿之一[ 1～3 ] 。
目前由于我国设备能力及设计施工技术经验不足,仅在区间隧道的修建时采用盾构法,而车站及特殊断面的隧道尚未采用。一般为了给盾构机提供场地, 在区间隧道修建前必须先修建区间隧道两端的地铁车站,并且相邻的区间隧道不能连续修建,这无疑限制了盾构法的大规模采用。为寻求盾构法在城市地铁工程中大规模应用的突破口,结合我国实情,作者以广州地铁3 号线林和西路站为工程背景,在国内首次对在区间盾构隧道的基础上修建地铁车站的方案进行了研究[ 4 ] ,列出了两连拱岛式站台车站、四条平行隧道岛式站台车站、四条平行隧道侧式站台车站、三条平行隧道岛式站台车站和三连拱岛式站台车站等基本方案形式,本文采用有限元法模拟手段就最具可能性的区间隧道基础上修建三连拱岛式站台地铁车站的方案进行了研究。
1 三连拱地铁车站方案概况
1. 1 车站基本情况
林和西路站位于天河北路与林和西路交叉口,呈南北向。车站周围超高层建筑较多,道路较窄,交通繁忙;站两侧建筑物距离较近,站位东、西向调整幅度非常有限;站位所处位置两旁建筑物的地下室已超出道路规划红线,造成出入口及风亭的布置困难;客流量较小;地下管线密集。
本站地形平坦,为珠江一级阶地,第四系覆盖层以人工堆积、冲洪积、残积为主,厚5. 1～14. 5 m , 局部可见淤泥质土和细砂透镜体。强风化岩面埋深5. 1～ 14. 5 m 。地质构造简单,未发现有断层通过。部分地段有砂层孔隙水, 及风化岩裂隙水,稳定地下水位埋深1. 90～5. 70 m 。
1. 2 设计原则和技术标准
根据《广州市轨道交通3 号线工程总体策划纲要(讨论稿) 》中的车站施工方法及综合情况一览表,林和西路站为3 级车站、客流4 365 人/h、线路轨面埋深15 ～20 m 、岛式站台、站台宽8 m 、线间距13. 2 m 、施工方法为盾构过站后采用矿山法扩挖。林和西路地铁车站的主要技术标准以《地下铁道设计规范》( GB50157 -92) 为准。
1. 3 车站结构型式
根据对林和西路站的具体情况分析,结合现阶段国内施工装备和能力,提出车站为单层三连拱岛式站台车站,站厅设在地面或两端地下,站台两端可设辅助用房,站台与站厅之间由楼梯和自动扶梯连接(车站断面图见图1) 的车站结构型式。
2 有限元数值模拟
采用两种平面应变数值模拟方法对在区间盾构隧道基础上采用矿山法扩挖的单层三连拱岛式站台地铁车站进行数值模拟研究。首先采用荷载2结构模式对三连拱岛式站台地铁车站在不同埋深条件下最终主体结构的高跨比和厚度进行研究;再采用考虑施工效应的数值模拟方法对车站的整个施工过程进行模拟,对施工中的临时支护和主体结构的适应性进行研究。
2. 1 荷载2结构模式
2. 1. 1 基本假设和计算模式
荷载2结构模式的基本假设为:主体结构为小变形弹性梁,将主体结构离散为足够多个等厚度直梁单元; 用布置于全周各节点上的弹簧单元来模拟围岩与结构的相互作用;弹簧单元不承受拉力,受拉力的弹簧自动脱落;拱底作用相同的竖向反力来平衡地面荷载、土压、水压及结构的自重。具体计算模式如图2 所示。
2. 1. 2 计算参数和模型本次采用ANSYS 软件梁单元(BEAM 3) 模拟主体结构,弹簧单元(COMBIN 14) 模拟弹簧,将所有的荷载换算为等效节点荷载加到每个节点上。在每个节点上都加上径向的弹簧,弹簧的刚度为同一点处地层的弹性抗力系数,通过反复计算确定弹簧的有无。总共划分了128 个梁单元和28 个弹簧单元。岩土体计算参数以实际的地质勘测资料为准,主体结构盾构隧道管片为C50 混凝土,但根据管片的接头效应和刚度等效原理,将其弹模折减到原值的0. 75[5] ,其他结构取C30 混凝土的参数。计算采用水土合算的形式,荷载取值如下:岩土体的容重为20 kN/m3,钢筋混凝土的容重为25 kN/立方米,地面活载为20 kN/平方米,水平压力用竖向荷载乘以侧压力系数0. 538(地质资料) 。地层的弹性抗力为16 MPa/m , 有限元模型网格、约束和荷载见图3。
2. 1. 3 计算情况
根据荷载2结构模式的基本假设,本次计算取车站主体结构的最不利受荷情况即可能的最大埋深:轨面埋深21. 5 m 模拟计算。站厅取3 种不同的净高,分别为5. 5 m 、6. 0 m 和6. 5 m ; 每种站厅净高下主体结构取3 种不同的厚度,分别为0. 4 m 、0. 5 m 和0. 6 m 。
2. 1. 4 计算结果和分析
每一种情况的计算结果包括结构的变形、弯矩、轴6. 5 m , 主体结构厚度0. 5 m 为例,将部分计算结果如力和剪力。将部分计算结果由表1 列出,以站厅净高图4～ 图6 列出。
表1 主体结构最大弯矩及相应的轴力
从以上计算结果分析:
(1) 随着站厅净高的增加,拱顶、仰拱和盾构管片的最大弯矩都明显减小,拱顶处最大减小了80 %(从328 kN·m 减小到59 kN·m) ;虽然相应的轴力也有所减小,但减小的百分比很小,最大只有6 %(从1 080 kN 减小到1 022 kN) ,对于混凝土材料而言,这样的内力变化是有利的,故在考虑站厅净高时,在条件允许的情况下,应尽量增加站厅的净高。
(2) 两侧立柱弯矩的变化情况是先由小增大再由大减小(从274 kN·m 增大到303 kN·m , 再从303 kN ·m 减小到297 kN·m) ,而相应的轴力减小却不太明显,最大只有6 %(从2 373 kN 减小到2 221 kN) ,说明对立柱而言,并非站厅的净高越高越好,而是有一个合理的高度。
(3) 在相同站厅净高条件下,拱顶和仰拱的弯矩随主体结构厚度增加的变化情况是先由大减小再由小增大(以站厅净高6. 5 m , 拱顶的弯矩变化为例,先从101 kN·m 减小到59 kN ·m , 再从59 kN ·m 增大到141 kN·m) ,相应的轴力变化情况是先由小增大再由大减小(从1 160 kN 增大到1 181 kN , 再从1 181 kN 减小到1 140 kN) ,但两侧立柱和盾构管片的内力变化幅度较小(最大不超过10 %),故在考虑主体结构厚度时,在满足材料要求的前提下,应选择合理的主体结构厚度。
(4) 从盾构管片的内力分布来看,三连拱岛式站台车站结构盾构管片的内力,与相应的盾构区间隧道管片内力分布在相同的量级上,说明采用这种方法没有给盾构管片增加太大的附加内力,并且更重要的是管片不需要作任何特殊处理,采用普通的盾构管片就可以满足结构要求。
综上分析,对盾构法隧道基础上扩挖的三连拱岛式站台车站,在轨面埋深为21. 5 m 时主体结构参数的合理取值如下:站厅净高6. 5 m , 主体结构厚度0. 5 m , 管片部分采用普通盾构管片。主体结构混凝土各部分的应力分布情况如表2 所示。从表上可看出,盾构隧道管片主体结构厚度为0. 3 m 的C50 钢筋混凝土平板型、通过内外两侧配钢筋后(比如,钢筋净保护层厚为50 mm , As = 1 018 平方毫米) 能够满足结构的长期安全性要求。再次说明此种结构形式的管片主体结构本身是可行的。其他部位采用0. 5 m 厚的C30 钢筋混凝土也能满足结构的长期安全性要求。
表2 结构各部分应力分布情况表
2. 2 考虑施工效应的有限元数值模拟
2. 2. 1 计算模型和参数为了考察轨面埋深21. 5 m 、主体结构站厅净高6. 5 m 、厚0. 5 m 、普通盾构管片和临时支护在整个施工过程中的可行性与安全性,进行了考虑施工效应的有限元数值模拟。采用ANSYS 程序的平面应变方法、Drucker2Prager (D2P) 材料、单元“ 生(alive) ”与“ 死(kill) ”的处理功能和隧道开挖等效释放载荷的概念[6 ] 进行模拟,对在盾构法隧道基础上扩挖的三连拱岛式站台地铁车站整个施工过程进行了数值模拟。使用等参四边形单元(PLAN E 42) 模拟岩土体, 梁单元(BEAM 3) 模拟主体结构。计算边界为:左右取1. 5 倍三连拱隧道跨度,下边界取1 倍三连拱洞室高,上边界取至地面;最终计算边界为高35 m , 宽77 m ; 轨面埋深为-21. 5 m 。整个模型总共划分成2 639 个单元, 有限元网格划分如图7 所示。同荷载2结构模式,将其弹模折减到原值的0. 75 , 其他结构取C30 混凝土的参数,加固区岩体和超前支护根据等效加固原理采用将围岩参数提高的方法进行模拟。物理力学参数见表3 。
2. 2. 2 施工过程的模拟
施工方法为先用盾构机修建两条平行的盾构区间隧道,再采用CRD 法扩挖,最终修成单层三连拱车站。施工步骤(见图8) 为:修建盾构隧道左洞1 →修建盾构隧道右洞2 →修建左立柱3 → 对4 的外周地层进行加固改良及超前支护→开挖左上部4 并做初期支护→修建右立柱5 →对6 的外周地层进行加固改良及超前支护→开挖右上部6 并做初期支护→开挖左下部7 并做初期支护→开挖右下部8 并做初期支护→拆除7 、8 部分的盾构管片→修筑主体结构。
在开挖4 、6 、7 和8 步时,使用钢支撑和喷射混凝土进行支护,钢支撑用14 号工字钢,喷射混凝土用C20 , 厚25 cm 。计算参数取值以《地下铁道设计规范》( GB50157 -92) 为准。
2. 2. 3 计算结果和分析每一施工步的结果包括土层的应力、位移和结构的变形、弯矩、轴力、剪力。以弯矩为例,将其中几步的最大最小内力值(以结构的弯矩和轴力为例) 见表4 。模拟结果以图表示,见图9～ 图11 。每步模拟计算的
表4 结构内力随开挖变化情况表
最大弯矩为293. 9 kN·m , 和第7 步结构的最大弯矩为-340. 9 kN·m) ,结构的内力值远远小于荷载2结构模式的内力值。而这些个别较大值产生的原因是应力集中或局部应力分布不均造成的,这些可以在施工过程中选择恰当的临时支护措施,确定合理的支护参数得以解决。故从总体上讲,轨面埋深21. 5 m , 主体结构站厅净高6. 5 m , 主体结构厚度0. 5 m , 普通盾构管片的结构在整个施工过程中主体结构和临时支护是安全的,建议的设计参数能够满足施工阶段对结构提出的要求。
3 结论
通过本文的数值模拟分析,可以得出如下结论:
(1) 根据目前我国地下铁道修建技术的现状,在盾构法隧道基础上扩挖地铁车站的思路是完全可行的,这不但可以使盾构法在城市地铁工程中大规模的应用,还可以较大幅度地降低工程的造价,进一步提高地铁工程的建设质量,缩短建设周期。
(2) 目前我国的地铁车站的轨面埋深一般在10～ 25 m 之间,通过林和西路站为主要工程对象较大埋深(轨面埋深21. 5 m) 的模拟计算,只要选用适当的车站主体结构参数,采用普通盾构管片,整个车站主体结构能够满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。
(3) 在整个施工过程中,只要选择恰当的临时支护措施,确定合理的支护参数,应力集中或局部应力分布不均造成的局部应力增大问题可以解决。
(4) 在三连拱地铁车站扩挖时,虽然盾构隧道的
从模拟结果可知,除个别施工步外(第4 步结构的内力有所增大,但在管片的设计时,不需要作任何特殊处理。虽然在结构上满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求,在施工过程中是可行的,但是在一些细部方面,如盾构管片在无损条件下的拆装及再利用, 结构雁型部的防水和施工过程对周围环境的影响等问题还需要做进一步的研究。
参考文献:
[1 ] 地盘工? 仝. ?ψ ?? の調 [ M ]. 东京: 鹿岛出版仝, 1997.
[2 ] 地盘工? 仝. ?ψ ????? ? の新技術[ M ]. 东京: 鹿岛出版仝,1997.
[3 ] 李围,何川,李志南,等. 地铁车站盾构法综合技术在我国的应用前景探讨[ A ]. 见:中国土木工程学会地下工程分会地下铁道专业委员会编. 中国土木工程学会地下工程分会地下铁道专业委员会第十四届年会论文集[ C ]. 北京: 中国科学技术出版社,2001. 337.
[4 ] 何川,李围,张志强,等. 结合盾构法修建地铁车站的方案研究[J ]. 现代隧道技术,2002 ,(增刊) : 64.
[5 ] 何川. ?ψ ????? ? 縦? 方向の地震に関する研究[D]. 东京:早稲田大学, 1999.
[6 ] 潘昌实. 隧道力学数值方法[ M ]. 北京:中国铁道出版社, 199