学术咨询服务正当时学报期刊咨询网是专业的学术咨询服务平台！
发布时间：2021-08-14 15:57所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要以某地铁车站为工程背景，采用数值模拟与现场监测相结合的方法，对洞桩逆作法施工引起的不同阶段的地表沉降与车站结构受力进行分析，可为同类工程设计施工提供参考。研究结果表明：导洞开挖和扣拱施作对地层的扰动较大，因此有必要对地层进行预加固处理(
摘要以某地铁车站为工程背景，采用数值模拟与现场监测相结合的方法，对洞桩逆作法施工引起的不同阶段的地表沉降与车站结构受力进行分析，可为同类工程设计施工提供参考。研究结果表明：导洞开挖和扣拱施作对地层的扰动较大，因此有必要对地层进行预加固处理(如超前管棚+注浆)，进而严格控制地面沉降总量;围护桩轴力历时曲线可分为三个阶段：快速增长阶段，缓慢增长阶段，稳定持平阶段;实测和计算得到的地表沉降最大值均发生在车站中轴线上方，且两者的沉降变化规律基本吻合，符合Peck沉降槽理论。
关键词数值模拟现场监测洞桩法地表沉降结构受力
1引言
近年来，地铁修建技术随着地下交通的迅速发展不断的完善与改进。针对这种高密度、大空间的地下综合工程，为了减少对城市交通和市民出行日常的干扰，多数情况下选择地下施工的暗挖工程。基于暗挖施工技术对于安全和沉降控制的高标准和高要求，出现了一种新型的地铁车站工法——浅埋暗挖洞桩法(PBA)[1。该方法基于传统的地下结构施作技术，通过将小导洞、挖孔灌注桩、扣拱等成熟技术进行有效结合，形成了一种新的工法。在北京、沈阳等多个地铁车站已经成功应用。众多专家学者在洞桩法施工引起地表沉降与结构受力等方面也已经做了一定的研究[58]。
地铁建设论文范例： 地铁基坑开挖风险分析及安全保障措施
王霆等采用现场实测与数值模拟相结合的方法，研究了洞桩法车站施工对地层的影响规律;杜彬等以北京地铁国贸站为工程依托，结合三维数值计算方法，对大跨度分离式地铁车站洞桩法施工引起的地表沉降规律进行了研究。瞿万波等[7]对地下围岩开挖过程中地铁车站围护桩的内力计算问题进行了研究，分别推导出考虑临时横撑作用和桩顶竖向分力作用时桩身内力的计算公式。
黄生文[8]结合具体工程实例，针对洞桩法施工中围护桩设计计算存在的问题，在内力计算简化模型的基础上，研究出了桩身参数的设计和计算方法，并运用具体工程实例验证其可靠性。已有文献对于施工引起的地表沉降研究较多[911]，也有少量文献对车站结构内力进行了研究[1214]，但对于某一工程背景下，地铁车站施工引起的地表沉降和结构受力的综合研究相对较少。本文结合某地铁车站的具体工程实例，运用有限元软件建立三维模型，对施工过程中的关键步序进行模拟，对洞桩法施工引起的地表沉降规律和车站结构受力进行了分析，从而为同类工程设计施工提供参考。
2工程背景
2.1工程概况
暗挖车站全长98m，设座工作竖井，小里程端与盾构区间相接，大里程端与明挖主体结构相接。暗挖车站主体为地下两层岛式明暗挖结合车站，标准段宽为23.3m，车站高度为16.68m，中心里程覆土高度约为10.67m。车站主体采用洞桩逆作法施工，主体断面共有个导洞。导洞开挖时为避免群洞效应，先开挖中导洞，后开挖两侧小导洞，相邻导洞之间的进尺错距应大于15m。上层两侧小导洞采用台阶法开挖，上层中导洞采用“CD”法开挖，下层中导洞采用台阶法开挖施工。主体结构围护桩直径Ф1200mm，中柱采用Ф800mm钢管柱。
2.2工程地质
车站施工范围内地层自上而下依次为杂填土、卵石、强风化砂岩和中风化砂岩。车站暗挖施工过程中未受地下水困扰，故不考虑地下水的影响。
3PBA工法
在施工方案选择阶段，考虑到该车站所处环境比较复杂且地表沉降控制要求较高，所以最终选择采用洞桩逆作法施工，主要施工步序如下。(1)施工竖井和横通道开挖。(2)导洞按图中①③②④的顺序进行开挖，导洞开挖前进行土体预加固处理，开挖后及时对导洞进行初期支护[15]。(3)边洞(号和号)内施作围护桩及冠梁，中洞(号)内施作钢管柱挖孔。(4)边洞(号和号)内施作扣拱初支及回填，下导洞(号)施作底纵梁并安装钢管柱，施作中洞结构含顶纵梁)。(5)施作导洞间扣拱。(6)开挖上部土体并施作初期支护。(7)开挖下部土体，然后施作底板和边墙二衬。
4PBA法施工过程模拟
4.1计算假设
结合地铁车站实际施工过程，对计算模型采用如下基本假定[10]。(1)土层材料采用弹塑性材料[16];(2)土体强度准则采用摩尔库仑本构模型;(3)不考虑渗流场在地铁车站施工中的影响;(4)结构材料采用线弹性本构关系。
4.2模型建立
本文采用idasGts进行施工过程模拟。当模型边界与边导洞中心线的距离为结构尺寸的~5倍时，土体受施工开挖影响不明显[12]。所以，模型在水平方向(轴)和竖直方向(轴)的尺寸分别为170和70。考虑导洞间的开挖顺序及各个导洞间的错距要求，模型纵深方向(轴)的尺寸拟定为36m。模型上表面为自由边界，下表面为固定约束，四周岩体为法向约束。对复合式钢格栅混凝土衬砌采用壳单元模拟，二衬采用实体单元模拟。施工步骤按照实际工程设定，导洞的开挖采用钝化实现，初支等支护结构采用激活实现。
5PBA法监测与数据分析
由于该地铁车站所处的环境十分复杂，为了确保施工能安全进行，在车站施工过程中对地表沉降及围护桩的轴力进行监测。
5.1监测方案
本次监控量测分析选取了几个典型断面进行分析。1)地表沉降监测点沿暗挖车站纵向每10米布置一个断面的沉降监测点，每个断面11～13个监测点，针对风险的上方增设一组地表沉降监测点，观测沉降变化情况。本文选取典型断面56进行地表沉降分析。2)围护桩监测断面里程取为DK11+233m，位于号竖井和号竖井中间，采用XLGJ2振弦式钢筋计埋设于围护桩顶部。围护桩轴力随时间整体呈增大趋势，但各个阶段的增长趋势不同，围护桩的最大轴力为248kN。
在扣拱施工过程中，由于导洞初支是一个封闭结构，所以扣拱初支承担的荷载并没有全部传递给围护桩，而是由导洞初支分担部分荷载，故围护桩轴力增长较缓慢;在扣拱初支拆除阶段，轴力增长速率较快，此时上部荷载通过扣拱大部分传递给维护桩，围护桩轴力继续增大;上层土体开和下层土体开挖阶段，轴力增长速率逐渐减小，说明随着土体的开挖，桩体承受的侧摩阻力逐渐消失，使桩体的轴力进一步增大;中板施作和下层结构施作阶段，围护桩的轴力增长很小，说明此阶段施工对围护桩的影响很小。
6实测与计算对比
6.1地表沉降对比分析
将数值模拟结果与现场实测最终地表沉降进行对比可知，模拟最大值为实测最大值的2.5%，即实测值始终比数值模拟计算得到的沉降值略大一些，产生这种现象的原因有以下三点。(1)未考虑横通道开挖对地表沉降的影响;当开挖横通道时，掌子面土体由于原始的侧压力向横通道内移动，引起横通道上方地表沉降。未考虑降水处理引起的地层损失;地下水位下降会使土体有效应力增加而引起固结沉降。3)初期支护与围岩之间存在间隙;暗挖地铁车站施工时，超挖与欠挖会造成初期支护与围岩不密贴，进而使围岩发生一定程度的变形。
7结论
以某地铁车站为工程依托，应用有限元软件idasGts对洞桩逆作法施工进行模拟，结合现场实测数据，对地表沉降与结构受力进行对比分析，得到如下结论：(1)扣拱施作对地表沉降造成的影响最大，导洞开挖和扣拱施作阶段的地表沉降之和占比高达75.4%，因此，控制导洞和扣拱施工阶段的地表沉降是控制整个地表沉降的关键。
所以，在导洞及扣拱土体开挖前应采取必要的预加固措施(如超前管棚注浆)、及时施作网喷支护，就能够严格控制地面沉降总量。围护桩轴力历时曲线可分为三个阶段：快速增长阶段，此阶段进行扣拱施作及拆撑，故轴力快速增长;缓慢增长阶段，此阶段进行上部土体开挖及中板施作，故增长速率较上一阶段低;稳定持平阶段，此阶段进行下层土体开挖及底板施作，围护桩轴力基本不再增长，最终趋于稳定。
实测地表最大沉降值为15.21mm，数值计算的地表沉降最大值为11.03mm，模拟值为实测值的2.5%。两者的最大沉降值都发生在车站中线处。从对比曲线图可以看出实测值和计算值沉降曲线规律都基本吻合，并且关于车站中轴线呈对称分布，近似为正态分布曲线，符合Peck沉降槽理论。因此，认为本次数值模拟对同类工程的设计和施工具有一定的参考和借鉴价值。
参考文献References
[1]朱泽民地铁暗挖车站洞桩法(PBA)施工技术[J].隧道建设200626(5):6365100.ZHUZeminPileBeamArch(PBA)constructiontechnologyforminedmetrostation[J].TunnelConstruction200626(5):6365100
[2]黄瑞金.地铁浅埋暗挖洞桩法车站扣拱施工技术[J].地下空间与工程学报,2007,3(2):268271.HUANGuijin.PBAmethodappliedintheconstructionofarchinsubwaystation[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering20073(2):268271276
高成雷浅埋暗挖洞桩法应用理论研究[D].成都西南交通大学2002.AOChenglei.Atheoreticalresearchonthepracticeofcavernpileforforshallowburiedundergroundexcavatedtunnels[D].Chengdou.SouthwestJiaotongUnversity,2002.
[4]郭陕云,姜林我国地铁建设概况及修建技术[J].现代隧道技术,2004,41(4):16.GUOShanyun,JiangLin.Designanddevelopmentofmonitoringsystemsforroadtunnels[J].ModernTunnellingTechnology,2004,41(4):6.
[5]王霆罗富荣刘维宁等地铁车站洞桩法施工引起的地表沉降和邻近柔性接头管道变形研究[J].土木工程学报20145):163169
作者：周稳弟1,2，梁庆国1,2，张晋东
转载请注明来源。原文地址：http://www.xuebaoqk.com/xblw/6799.html
《某地铁车站洞桩法施工变形和结构受力分析》