【摘 要】本文以北京某地铁站为工程背景，采用FLAC3D软件建立“地层-结构”相互作用三维有限差分模型对PBA法扩挖车站的施工过程进行三维数值模拟，重点研究了各个施工阶段梁-中柱体系的力学特性。结果表明：随着扩挖施工的进行，梁-中柱的最大主应力一直在增大，当车站施工完毕时，最大主应力达到最大值；当拆除盾构上部管片后，梁-中柱的最大主应力急剧增大，随后的施工过程中增幅很小。
【关键词】地铁车站；大直径盾构隧道；PBA法；梁-中柱体系；应力分析
在北京市城市地下铁道施工建设中，盾构法以其施工速度快、质量高、安全可靠、对周围环境影响小的优势在北京地铁区间隧道的修建中得到了大量的应用。但该方法仅限于区间施工，盾构过站的问题一直没有得到很好的解决，盾构区间施工和地铁车站施工的矛盾日益突出。区间盾构法施工往往受车站施工的限制，使得盾构法的优势不能充分发挥，造成地铁线路施工工期的延长。为解决区间盾构施工和车站施工工期矛盾的问题，通过对国内外资料的研究分析，在大直径盾构建造地铁单洞双线区间并在盾构隧道基础上小规模扩挖形成车站是解决复杂环境下地铁建设的新思路。
0.工程概况
依据初步地质勘查报告，该工程范围内主要为第四系沉积层，具有典型的粘性土、砂土交互沉积规律，地势平缓。车站站台结构施工范围主要为粉土、粉质粘土、粘土和中粗砂等。
依据地质勘查报告，该站范围内土层分布如下：车站拱顶位于粉细砂层；侧壁范围内主要为粉细砂层、粉质粘土层、粉土层；底板落在粉质粘土层或细中砂层上。车站结构顶板埋深15.8m，底板埋深25.8m，潜水位于地表以下8m，车站处于潜水层，未进入承压水层。
1.PBA法扩挖车站数值模拟
1.1计算假定
本文采用FLAC3D有限元差分软件对施工过程进行三维数值模拟，对计算中所作的基本假定和说明如下[1]：
（1）假定岩土体为各向同性、连续介质。
（2）岩土体为理想弹塑性介质，选用摩尔-库伦弹塑性模型和屈服破坏准则。
（3）暗挖施工前采取降水措施，施工阶段的水位一般考虑在结构底板以下0.5米，本计算不考虑地下水在隧道开挖过程中的影响。
（4）初始应力场可视为自重应力场。
1.2计算范围
为了使模拟范围不会给模拟结果带来较大的误差，必须保证有足够大的计算范围，但是若计算范围过大，单元划分较小，边界条件又会影响到计算的误差，所以必须合理确定模型的边界范围[2]。
车站站台的覆土厚度为15.8m，站台结构的最大宽度为19.6m，最大高度为11.4m。计算时考虑到边界条件的影响，在水平方向，车站开挖面外侧距离模型边界应满足3倍结构宽度，取模型宽度为122米。在垂直方向，车站结构下方土体厚度应为车站最大高度的2.5倍，取模型高度为54米。根据研究需要，沿车站方向取34.2m代表整个车站的变形规律。此范围包括19环盾构管片，每环管片的宽度为1.8m；10根中柱，每根中柱长1.8m，宽0.5m，中柱间隔为1.8m。最终三维模型尺寸确定为122m（X方向）×34.2m（Z方向）×54m（Y方向），如图1所示。
图1 计算模型
在本模型中，模型的底面和侧面为位移边界，底面限制垂直移动，侧面限制水平移动，上表面为自由面。考虑到地面超载的影响，在地层上表面加上20kN/m2的地面超载。梁-中柱体系的混凝土强度等级为C40，采用实体单元模拟，弹性模型，弹性模量32.5Gpa，泊松比0.2，密度2500kg/m3。
1.3 PBA法扩挖车站施工过程模拟
在大盾构的基础上采用PBA法扩挖车站施工，首先在10m大直径盾构内施作底梁、中柱和顶梁（梁-中柱），架设钢支撑，然后在此基础上开挖两侧小导洞对车站进行扩挖。在施工模拟的过程中，把已贯通的盾构隧道做为既有结构考虑，盾构通过车站后进行位移清零。
其施工步骤为：①10m直径大盾构通过；②在盾构内施作梁-中柱，架设临时支撑；③开挖两侧小导洞，施作小导洞初支；④施作围护桩、冠梁；开挖上部中导洞，小导洞回填并进行初支扣拱；⑤开挖中导洞中部土体；⑥拆除两侧小导洞部分初支及临时钢支撑，拆除部分K管片及B管片；⑦施工拱顶二衬；⑧开挖下部土体，拆除部分管片，拆除临时支撑；⑨车站整体施作二衬。在大直径盾构的基础上结合PBA法扩挖车站施工步骤数值模拟过程见表1。
表1 PBA法扩挖车站施工步骤模拟
为使数值模拟结果更加真实可靠，数值模拟的过程应尽量和实际的施工程序相符合。现对数值模拟应注意的问题归纳如下：
（1）在PBA法扩挖车站施工时，盾构和两侧小导洞每次开挖进尺为1.8m，中导洞上部开挖时，上下台阶之间的距离取3环管片的宽度，即5.4m。即下台阶开挖比上台阶开挖每部滞后5.4m，依次类推。
（2）待两侧小导洞开挖施工完毕后，沿盾构前进方向（Z方向）每1.8m为一循环进行管片的拆除、临时支撑的架设及二衬的施作。
2.梁-中柱体系应力分析
梁-中柱结构最大主应力沿隧道中轴线对称分布，数值以拉应力为正，压应力为负。各施工阶段结构应力分布等值色图见表2，施工过程中结构应力值及位置统计见表3。
其中表2、表3中各编号代表的工况为：①开挖两侧小导洞，施作小导洞初支；②作围护桩、冠梁；开挖上部中导洞，小导洞回填并进行初支扣拱；③开挖中导洞中部土体；④拆除两侧小导洞部分初支及临时钢支撑，拆除部分K管片及B管片；⑤施工拱顶二衬；⑥开挖下部土体，拆除部分管片，拆除临时支撑；⑦车站整体施作二衬。
表2 主要施工阶段结构最大主应力等值色图（单位：Pa）
表3 施工阶段结构应力值（单位：MPa）
由以上图表可以看出：
（1）随着扩挖施工的进行，梁-中柱的最大主应力一直在增大，当车站施工完毕时，最大主应力达到最大值，为压应力，其值为12.47MPa。其中中柱的最大主应力明显增大，而底纵梁的最大主应力则增长幅度相对较小。
（2）随着扩挖施工的进行，梁-中柱的最大主应力一直发生在中柱的中部。
（3）中柱的最大应力明显大于顶纵梁和低纵梁的最大主应力。
（4）当拆除盾构上部管片后，梁-中柱的最大主应力急剧增大，增幅达到了9.5Mpa。随后的施工过程中增幅很小。
随着开挖施工的进行，梁-中柱的最大主应力变化规律见图2。
图2 各施工阶段梁-中柱的等效应力最大值
上图横坐标数值代表各施工步骤，分别为①施工小导洞、中柱纵梁；②开挖上部中导洞，小导洞回填；③开挖中部中导洞，初支扣拱；④拆除上部管片和小导洞初支；⑤拱部二衬扣；⑥开挖下部土体拆除下部管片及支撑；⑦施作整体二衬。
由以上图表得知，在整个施工过程中，梁-中柱的最大主应力的最大值发生在中柱部位，其值为12.47MPa，梁-中柱采用C40混凝土，其抗压强度标准值为29.6MPa，故梁-中柱的最大主应力在容许范围之内。
3.结语
对梁-中柱体系，在整个扩挖过程中以受压状态为主，且所受压力随着扩挖的不断进行而逐步增大，尤其是在拆除K管片两侧管片后梁-中柱体系的最大主应力增幅较大，其值为9.5MPa。而以后管片和临时支撑的拆除对其影响不大。梁-中柱体系的最大主应力在车站施工完毕时达到最大值，为12.47MPa。中柱的最大主应力的增幅比顶纵梁和底纵梁的要大的多，总体来说，最大主应力都发生在中柱部分。■
【参考文献】
[1]彭文斌编.FLAC 3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]张志强，何川.盾构隧道施工的三维有限元仿真分析[C].地下铁道新技术文集，2003.
推荐访问： 柱体 盾构 应力 修建 直径