地鐵車站蓋挖逆作法施工結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形數(shù)值模擬

劉國輝，肖　峰，李英杰

(1.中建交通建設(shè)集團有限公司，北京 100142；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

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地鐵車站蓋挖逆作法施工結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形數(shù)值模擬

劉國輝1，肖峰2，李英杰1

(1.中建交通建設(shè)集團有限公司，北京 100142；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

摘要：依托北京地鐵某車站蓋挖逆作法施工過程，通過有限元數(shù)值模擬研究頂板、中板、底板和側(cè)墻的受力和變形狀態(tài)隨施工過程的變化規(guī)律，分析中間樁(柱)受力隨施工過程的變化過程。計算表明，隨施工過程進行，中柱的應(yīng)力變化情況為先處于受拉狀態(tài)，在上覆土回填之后又轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)，而頂板上側(cè)在靠近側(cè)墻和中間柱附近位置處于受拉狀態(tài)，下側(cè)則相反。此外，還研究了施工過程中圍護結(jié)構(gòu)、中間柱差異沉降規(guī)律，表明中柱間最大差異沉降以及中間柱與側(cè)墻最大差異沉降均小于規(guī)范允許值。最后對車站施工期間的安全性以及對周圍建筑物的影響進行了評價。

關(guān)鍵詞：蓋挖逆作法；數(shù)值計算；結(jié)構(gòu)內(nèi)力；地層沉降

地鐵車站蓋挖逆作法施工過程中，車站結(jié)構(gòu)會涉及到復(fù)雜的受力和變形狀態(tài)，以及力學(xué)轉(zhuǎn)換過程。已有學(xué)者采用有限元等數(shù)值計算方法，對逆作法施工進行了模擬[1]，并對不同設(shè)計方案及其支護結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析和參數(shù)優(yōu)化[2]。此外，一些研究[3]還對地鐵施工現(xiàn)場的車站主體土方開挖、中間樁柱施工、差異沉降控制、防水處理等問題進行了分析，并分析結(jié)構(gòu)和地層的最終沉降量[4]。蘇潔等[5]以北京地鐵4號線動物園車站施工過程為例，考慮蓋挖逆作施工過程中地層及結(jié)構(gòu)動態(tài)力學(xué)響應(yīng)過程，采用有限元計算軟件對施工過程中車站結(jié)構(gòu)變形進行模擬分析，提出車站施工過程的分階段控制方法。魏玉超等[6]就城市地鐵車站工程的蓋挖逆作法施工技術(shù)進行了介紹。而鄭騏[7]和趙育紅[8]重點分析了在地鐵車站采用蓋挖逆作法進行中間柱施工的工藝原理、工藝流程以及質(zhì)量和安全措施。總體而言，由于地鐵車站蓋挖逆作法施工過程十分復(fù)雜，施工力學(xué)過程仍有待于進行深入討論。

本文以北京地鐵14號線東湖渠站為工程背景，通過數(shù)值模擬手段，對車站結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力和變形狀態(tài)進行分析，進而對蓋挖逆作法施工中的一些關(guān)鍵受力狀態(tài)進行研究。

1　數(shù)值計算過程

1.1物理模型

東湖渠站位于廣順北大街下方，北至望京北路，南至利澤中街，為14號線標準站。東湖渠站為地下兩層，采用12 m島式站臺，雙柱三跨混凝土結(jié)構(gòu)。車站共設(shè)4個出入口、1個消防通道和2組風(fēng)亭。車站主體采用蓋挖逆作法施工，頂板分東西半幅施工，附屬結(jié)構(gòu)采用暗挖配合明挖施工。

用Midas GTS有限元軟件模擬車站施工過程。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和水文條件確定材料參數(shù)，建立車站和周圍土體的三維模型。三維模型140 m長，75 m寬，50 m深。模擬區(qū)域為縱向：車站靠北側(cè)中間柱軸20號至軸36號122 m外加北端基坑外側(cè)18 m的土體；橫向：基坑內(nèi)側(cè)25 m加上基坑?xùn)|西兩側(cè)25 m的土體；豎向從地面往下50 m深土體。

1.2本構(gòu)模型和參數(shù)選取

概化后的土層參數(shù)見表1，土體單元類型為實體單元，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。中間柱、中間樁單元類型為梁單元，頂板、中板、底板、側(cè)墻的單元類型為板單元，懸臂樁單元類型為板單元，圍護樁在建模過程中通過修改單元屬性的手段來添加，單元類型為實體單元。懸臂樁單元類型為板單元，圍護樁在建模過程中通過修改單元屬性的手段來添加，單元類型為實體單元。上述結(jié)構(gòu)材料假定為彈性材料，見表2。

表1　地層土性參數(shù)

表2　車站結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和材料參數(shù)

1.3懸臂樁和圍護樁的等效方法

為簡化模型，可以按照剛度等效的原則，將密集布置的懸臂樁和圍護樁轉(zhuǎn)化成一定厚度的地下連續(xù)墻(圖1)。具體方法為：設(shè)鉆孔樁的樁徑為D，樁凈距為t，則單根樁應(yīng)等價為長D+t的地下連續(xù)墻，設(shè)等價后的地下連續(xù)墻厚度為h，則由等剛度轉(zhuǎn)換的原則得：

(1)

于是

(2)

圖1等效剛度轉(zhuǎn)換

對于攪噴樁，可以視作對土體灌漿，灌漿后土體剛度E=2E0(E0為灌漿前土體剛度)。由于車站采用蓋挖逆作法施工，需先施作車站頂板，頂板基坑四周懸臂樁采用Φ600@1000鉆孔灌注樁，即D=0.6，t=0.4，得到懸臂樁等效地下連續(xù)墻厚度h=0.42 m。

車站主體圍護結(jié)構(gòu)為Φ1000@1500鉆孔灌注樁，采用長螺旋高壓攪噴樁與圍護樁咬合成墻的方案。攪噴樁按灌漿后土體來計算剛度，即

(3)

式中，攪噴樁和圍護樁直徑、間距均相同D=1，t=0.5，混凝土彈性模量Ec=2.17×107kPa，灌漿前土體彈性模量E0=2×104kPa，則計算得到圍護樁與攪噴樁等效地下連續(xù)墻厚度h=0.75 m。

1.4荷載確定

車站施工期間，基坑兩側(cè)存在雙向三車道車輛荷載，城市道路主要車輛為小客車。根據(jù)城市道路工程設(shè)計規(guī)范(CJJ-37-2012)第3.3.1條：小客車軸距為3.8 m；第3.6.1條：道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以雙輪組單軸載100 kN為標準軸載?？紤]前后兩輛車之間軸距為10 m，車道寬度為3.3 m，則等效的路面荷載：P=2×100/(3.8+10)×3.3=4.4 kPa。

2　模擬結(jié)果與分析

圖2為中間柱的計算結(jié)果。圖中位置1位于中柱內(nèi)距頂板1 m處，位置2位于中柱內(nèi)距頂板2.5 m處，位置3位于中柱內(nèi)距頂板4 m處，位置4位于中柱內(nèi)距中板1 m處，位置5位于中柱內(nèi)距中板3.5 m處，位置6位于中柱內(nèi)距中板6 m處?？梢钥闯?，在西半幅中柱施做后一段時間內(nèi)由于西側(cè)上覆土開挖，導(dǎo)致西中柱周圍土體回彈，對中柱產(chǎn)生向上的負摩阻力，使柱體處于受拉狀態(tài)。頂板施工后，西側(cè)上覆土回填，中柱在承受上覆土荷載的情況下逐漸變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，并且壓應(yīng)力隨著施工過程逐漸增大。數(shù)值模擬最大拉應(yīng)力為1.9 MPa，最大壓應(yīng)力為8.3 MPa。

圖2中間柱應(yīng)力隨施工步驟變化過程

針對西半幅頂板，由西向東沿頂板橫向設(shè)置5個計算點，分別距離西側(cè)墻1 m，3 m，5 m，7 m，9 m處。由圖3可以看出，頂板上側(cè)在施工過程中位置2、3、5處于受壓狀態(tài)，即側(cè)墻與中間柱之間中間位置和中間柱與中間柱之間中間位置處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力值4 MPa。位置1處于頂板與側(cè)墻連接處附近，在施工過程中一直處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力4 MPa。位置4由于處在中間柱附近，豎向位移受到約束，施工過程中應(yīng)力狀態(tài)反轉(zhuǎn)，由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力值較小。頂板下側(cè)在施工過程中位置2、3、5則處于受拉狀態(tài)，最大值3 MPa；此時位置1則處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力值5 MPa；同樣的位于中間柱附近的位置4由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力值也較小。

圖3表明，頂板上側(cè)在靠近側(cè)墻和中間柱附近位置處于受拉狀態(tài)，其余位置處于受壓狀態(tài)；而頂板下側(cè)則相反，在靠近側(cè)墻和中間柱附近位置處于受壓狀態(tài)。應(yīng)該看到，數(shù)值分析中頂板上、下的最大拉應(yīng)力值都較大，說明頂板的這些位置是受力較大的地方，需要重點注意。

圖3頂板應(yīng)力隨施工步驟變化過程

圖4表示的是數(shù)值模擬中板上側(cè)和中板下側(cè)應(yīng)力計算結(jié)果。位置4～7處于中間柱附近，在施工過程前期上側(cè)處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力隨著施工過程逐漸增大，最大值達到1.6 MPa，在地下二層土開挖后，相應(yīng)位置處中板上側(cè)應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)變，與中板兩側(cè)其他位置處一樣，處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力2 MPa。中板兩側(cè)位置在施工過程前期下側(cè)處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力隨著施工過程逐漸增大，最大值達0.6 MPa，在地下二層土開挖后，相應(yīng)位置處中板下側(cè)應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)變，與中板中間位置處一樣，處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力2.3 MPa。

圖4中板應(yīng)力隨施工步驟變化過程

由圖4可以看出，中板上側(cè)靠近中間柱位置及中板下側(cè)靠近側(cè)墻位置處應(yīng)力均會隨施工過程而發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)變，由最初的受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)，最終中板各個位置上、下側(cè)均處于受壓狀態(tài)。導(dǎo)致中板應(yīng)力反轉(zhuǎn)的原因是由于地下二層土開挖后，基坑外側(cè)土的側(cè)向土壓力釋放，原來由地下二層土承擔(dān)的水平應(yīng)力在地下二層土挖走后，通過側(cè)墻轉(zhuǎn)移到中板承擔(dān)。豎直方向中板主要承擔(dān)自重荷載，而自重荷載產(chǎn)生的彎矩相對較小，截面上的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力大大小于基坑外側(cè)土側(cè)向土壓力轉(zhuǎn)移到中板上產(chǎn)生的壓應(yīng)力，二者疊加后使得整個中板處于受壓狀態(tài)。

對側(cè)墻表面沿豎向方向依次設(shè)置3個計算點，位置由上至下分別為距離頂板1 m處、2.5 m、4 m處。圖5表明，側(cè)墻內(nèi)側(cè)施工后處于受拉狀態(tài)，且隨施工過程拉應(yīng)力逐漸增大，在側(cè)墻下部的地下二層土開挖后，應(yīng)力隨即變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，最大壓應(yīng)力0.45 MPa。側(cè)墻外側(cè)施工后處于受壓狀態(tài)，在地下二層土開挖后，壓應(yīng)力迅速增大，最大值達到0.23 MPa。另外，側(cè)墻內(nèi)側(cè)位置3處以及側(cè)墻外側(cè)位置2處在地下二層土開挖后均處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力在0.05 MPa左右。

圖5側(cè)墻應(yīng)力隨施工步驟變化過程

此外，由圖5(a)可看出，在施工過程中靠上側(cè)的側(cè)墻內(nèi)表面施做后處于受拉狀態(tài)，在地下二層土開挖后轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)。圖6表示數(shù)值模擬的中板上表面應(yīng)力變化情況,顯示在施工過程中中板上表面大部分處于受壓狀態(tài)，只有在中柱和側(cè)墻附近可能出現(xiàn)局部受拉的情況。

圖6中板上表面應(yīng)力隨施工步驟變化過程

3　中柱、側(cè)墻之間差異沉降

蓋挖逆作法中樁(柱)、連續(xù)墻在施工時間上存在先后順序，故而中柱與連續(xù)墻之間存在差異沉降，當這種差異沉降過大，超過規(guī)定值時，往往會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，甚至產(chǎn)生破壞。

現(xiàn)分析車站結(jié)構(gòu)東西側(cè)墻和東西中柱的沉降，其隨施工步驟的沉降值見表3。東、西中柱的沉降值(或回彈)在相應(yīng)上覆土層開挖時較大，隨著上覆土回填及后續(xù)施工，回彈值逐漸減小，在地下二層土開挖時達到最大。兩側(cè)側(cè)墻在地下二層土開挖時回彈最大，隨后減小。由于施工的先后差異，東、西中柱，東、西側(cè)墻之間存在差異沉降。例如，東、西中柱間最大差異沉降發(fā)生在西上覆土開挖后，達到8 mm；西側(cè)墻與西中柱、東側(cè)墻與東中柱最大差異沉降均發(fā)生在底板側(cè)墻施工階段，分別為3.1 mm和0.5 mm。

表3　側(cè)墻、中柱沉降隨施工步驟變化過程　單位：mm

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，地下結(jié)構(gòu)中相鄰中柱之間以及相鄰的樁柱和連續(xù)墻之間的沉降差值不能超過20 mm，或者不能超過柱間距長度的1/400。在本研究中，側(cè)墻與相鄰中柱之間的距離為7 m，東、西中柱間距離為6 m，柱間距長度的1/400即15 mm，側(cè)墻與中柱間最大差異沉降3.1 mm，小于20 mm；東、西中柱間最大差異沉降8 mm，小于柱間距長度1/400(圖7)。因此，施工過程中側(cè)墻、中柱的差異沉降能滿足要求。

圖7側(cè)墻與中柱差異沉降隨施工過程變化

4　結(jié)構(gòu)向內(nèi)收斂位移分析

在基坑開挖過程中，圍護結(jié)構(gòu)的水平位移一直是工程關(guān)注的一個重點，當其水平位移過大時，往往預(yù)示著基坑有破壞的可能。在本車站中采用蓋挖逆作法施工，開挖車站上覆土?xí)r，基坑外側(cè)土靠基坑外圍懸臂樁支持。在上覆土開挖和頂板施工過程中，基坑?xùn)|側(cè)懸臂樁樁身的水平位移如圖8，在步驟3東側(cè)上覆土開挖時，樁體水平位移變化較大，樁頂位移達到4 mm，在上覆土回填前，樁頂位移最大6.6 mm。規(guī)范中規(guī)定基坑側(cè)壁水平位移小于30 mm或者2‰H(H為基坑開挖深度)，本車站中上覆土層厚5 m，即H=5 000 mm，2‰H=10 mm?？梢姡瑧冶蹣蹲畲笏轿灰菩∮谝?guī)范允許值。

圖9為東圍護樁隨施工過程水平位移變化情況?？梢钥闯?，在地下一層土開挖過程中，樁身水平位移顯著增大，由于樁頂受已施工的頂板約束，水平位移幾乎不發(fā)展。地下二層土開挖過程中，相應(yīng)位置樁體水平位移發(fā)展最快，并超過了樁頂?shù)乃轿灰?，而圍護樁上部由于受到頂板和中板的約束，水平位移發(fā)展很緩慢。整個樁體的變形趨勢也由原來的懸臂式變形曲線逐漸變?yōu)镾形變形曲線，在圖9中位置8處，位移曲線存在反彎點，實際工程中此處對應(yīng)中板位置。由此可見，雖然圍護樁埋深較懸臂樁深，相應(yīng)的側(cè)向土壓力更大，但由于頂板和中板的側(cè)向支撐約束作用，圍護樁在施工過程中的水平位移也較小。東側(cè)圍護樁在整個施工過程中最大水平位移6.3 mm，樁頂最大水平位移4.7 mm，同樣均小于規(guī)范允許值。這也反映出地鐵車站蓋挖逆作法施工的一個優(yōu)勢，那就是施工過程中圍護結(jié)構(gòu)變形小，能夠有效控制周圍土體的變形和地表沉降，有利于保護臨近建筑物和構(gòu)筑物。

圖8東懸臂樁水平位移隨施工過程變化

圖9東圍護樁水平位移隨施工過程變化

5　結(jié)　論

(1)施工過程中，中柱的應(yīng)力變化情況為先處于受拉狀態(tài)，在上覆土回填之后，轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)，并且壓應(yīng)力逐漸增大。

(2)頂板上側(cè)在靠近側(cè)墻和中間柱附近位置處于受拉狀態(tài)，其余位置處于受壓狀態(tài)；而頂板下側(cè)則相反，在靠近側(cè)墻和中間柱附近位置處于受壓狀態(tài)，其余位置處于受拉狀態(tài)。

(3)中板上側(cè)靠近中間柱位置以及中板下側(cè)靠近側(cè)墻位置處應(yīng)力均會隨著施工過程而發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)變，由最初的受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)為受壓狀態(tài)，最終中板各個位置上、下側(cè)均處于受壓狀態(tài)。

(4)側(cè)墻受力較為復(fù)雜，在側(cè)墻對應(yīng)位置的地下二層土未開挖前，側(cè)墻內(nèi)側(cè)均受拉，外側(cè)均受壓；在地下二層土開挖后，側(cè)墻內(nèi)外側(cè)大部分處于受壓狀態(tài)，只在側(cè)墻下部存在局部受拉區(qū)域，拉應(yīng)力值相對較小。

(5)中柱間最大差異沉降8 mm，中間柱、側(cè)墻最大差異沉降3.1 mm；基坑最大水平位移分別為6.6 mm和6.3 mm，均小于規(guī)范允許值，施工過程有效的控制了周圍地層的變形。

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TheNumericalSimulationoftheStressandDeformationontheStructuresofSubwayStationsInducedbyTop-downExcavationMethod

LIU Guo-hui1,XIAO Feng2,LI Ying-jie1

(1.ChinaConstructionCommunicationsEngineeringGroupCorp.,Ltd.,Beijing100142,China;2.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract：In the construction process,the stress and deformation characteristics of the main structure induced by top-down excavation method of a subway station in Beijing were studied by adopting numerical caculation.By using finite element numerical simulation,the stress state and deformation status of the top,middle and bottom plate and side walls in response to the construction process of the station were studied to analyze the changing process of the middle pile(or column)under stress during the construction.The results showed that the stress value of the middle pile changed continuously with the construction of the subway station,which was tensile stress at first and then turned into compressive stress when the pit was backfilled;whereas the the upper part of the top plate which was adjacent to the side walls and the middle pile was under tensile stress,but the bottom part was the opposite.Besides,the differential settlement of the middle pile and enclosing supporting structure were studied,which proved that the maximum differential settlement of the middle pile and that between the middle pile and the sidewalls were all less than the allowable value according to the specification.In the end,the safety of the construction of the subway station and its impact on the adjacent buildings were evaluated.

Keywords：top-down excavation method;numerical calculation;internal stress of the structure;settlement of soil layer

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.039

中圖分類號：TU473

文獻標識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0193—06

作者簡介：劉國輝(1977—)，女，河北承德人，高級工程師，主要從事巖土工程設(shè)計與施工方面的研究工作。

收稿日期：2014-08-11修稿日期：2014-09-07