盾构隧道基础上修建三连拱地铁车站结构参数研究(3)

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。

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