甘 曉 麗

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250002)

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軍事博物館站PBA法施工中數(shù)值計(jì)算分析

甘 曉 麗

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250002)

結(jié)合北京地鐵9號(hào)線軍事博物館站的實(shí)際情況，采用PBA逆作法施工雙層三跨式車站結(jié)構(gòu)，并通過(guò)ansys模型分析了施工中不同的控制工況下，車站結(jié)構(gòu)受力變化情況，從而明確車站結(jié)構(gòu)施工受力特點(diǎn)，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

地鐵車站，PBA法，ansys，數(shù)值計(jì)算

PBA法是北京城建設(shè)計(jì)研究總院崔志杰等提出的，由于該工法是在國(guó)內(nèi)提出，思路較新，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)較少，PBA工法雖在北京、沈陽(yáng)等地已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十個(gè)車站、區(qū)間的應(yīng)用，但PBA工法的理論和實(shí)踐體系目前均不完善，有待進(jìn)一步的研究探討。目前深入系統(tǒng)研究的不多，特別在國(guó)外幾乎沒有相關(guān)方面的研究。

但PBA工法作為地鐵施工中控制沉降量較小，適用大跨、多跨結(jié)構(gòu)暗挖的工法，在傳統(tǒng)淺埋暗挖分部法的基礎(chǔ)上吸收了蓋挖法的特點(diǎn)，靈活多變，適應(yīng)性強(qiáng)，必然具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

1 工程概況

軍事博物館車站主體位于中華世紀(jì)壇東南側(cè)，斜跨復(fù)興路與羊坊店路路口布置。路口東北角為中國(guó)人民革命軍事博物館，西北角為中央電視臺(tái)，西南角為京西賓館及新華社宿舍區(qū)，東南角為中國(guó)鋁業(yè)大廈、恩菲科技大廈及有色冶金屬設(shè)計(jì)院。路口東約120 m為既有地鐵1號(hào)線軍事博物館站，車站主體下穿既有1號(hào)線軍博站西端區(qū)間結(jié)構(gòu)。

車站總長(zhǎng)度為200.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.0 m，高度17.445 m，為雙層三跨結(jié)構(gòu)，PBA導(dǎo)洞邊柱法施工，車站主體結(jié)構(gòu)底板平均埋深32.1 m。下穿既有地鐵1號(hào)線區(qū)間采用兩個(gè)分離的單層單跨結(jié)構(gòu)，CRD法施工，見圖1。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)《北京地鐵九號(hào)線軍事博物館站巖土工程勘察報(bào)告》選取地層參數(shù)并結(jié)合實(shí)際開挖過(guò)程中地質(zhì)條件進(jìn)行計(jì)算，車站結(jié)構(gòu)

底板覆土厚度取32.1 m。地層巖性及巖土的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

地下水類型主要為潛水，含水層主要為卵石、圓礫⑤層。

計(jì)算車站的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)橫斷面如圖2所示。

3 計(jì)算基本原則

本文采用ansys11.0有限元軟件，車站結(jié)構(gòu)模擬彈性平面梁?jiǎn)卧?，彈性抗力以及車站地基模擬彈簧單元，取每延米單位寬度對(duì)軍事博物館車站標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行二維建模。將結(jié)構(gòu)模型分成足夠多個(gè)離散等厚度直梁?jiǎn)卧诓煌┕すr下，車站所受的組合荷載根據(jù)作用方向分別轉(zhuǎn)換成等效節(jié)點(diǎn)力施加在相應(yīng)的單元節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)而計(jì)算出結(jié)構(gòu)受力結(jié)果。

本文選取“PBA”法暗挖地鐵車站施工中三個(gè)控制工況進(jìn)行驗(yàn)算：

1)第一階段是扣拱施作完成后土體開挖至中板標(biāo)高處，但未施作中板及中板以上側(cè)墻；2)第二階段是中板及中板以上側(cè)墻澆筑完成后，向下開挖土體至底板標(biāo)高處；3)第三階段是車站底板澆筑完成，但未施作底板與中板之間側(cè)墻。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)模型大小，以拱頂二襯外輪廓線為主，中柱、邊樁取于二襯外輪廓線相作用點(diǎn)為其模型端點(diǎn)，其余構(gòu)件取各自的外輪廓線。本站結(jié)構(gòu)含水層主要為卵石、圓礫⑤層，采用水土分算的原則確定水位以下水土壓力。由于主體結(jié)構(gòu)在施工時(shí)需要采取降水措施，因此結(jié)構(gòu)受到的水土壓力都是按照無(wú)水工況考慮的。土層重度及靜止側(cè)壓力系數(shù)均按加權(quán)平均值計(jì)算。

采用“荷載—結(jié)構(gòu)”計(jì)算模式，即將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來(lái)源和支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性支承。支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過(guò)彈性支承對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束來(lái)實(shí)現(xiàn)，彈性支承不承受拉力。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

5.1 扣拱完成階段計(jì)算結(jié)果分析

由圖3可知，由于扣拱覆土和地面超載主要通過(guò)兩側(cè)圍護(hù)樁及中柱傳至下部土體，此時(shí)圍護(hù)樁及中柱表現(xiàn)為承受較大的軸力，軸力值基本在2 200 kN左右。

由圖4可知，扣拱完成后，兩側(cè)邊拱拱腳(即冠梁附近)承受最大2 600 kN·m的彎矩，中拱拱腳878 kN·m的彎矩。樁體承受的彎矩最大值出現(xiàn)樁身中間附近(距底條基7 m位置)達(dá)1 069 kN·m。因此在設(shè)計(jì)中，兩側(cè)邊拱拱腳處二襯鋼筋主筋增加、箍筋加密，以增加此處的抗彎矩能力。

5.2 中板完成階段計(jì)算結(jié)果分析

由圖5可知，圍護(hù)樁各個(gè)節(jié)點(diǎn)承受的軸力基本在2 100 kN左右，中柱上各個(gè)節(jié)點(diǎn)承受軸力基本在2 500 kN左右，中板承受軸力為1 599.2 kN。

由圖6可知，中板和圍護(hù)樁的交界附近彎矩最大，905 kN·m；較大彎矩出現(xiàn)在側(cè)墻上部與冠梁交界附近，518 kN·m；圍護(hù)樁距底條基4 m處，866 kN·m。

5.3 底板完成情況

由圖7可知，此時(shí)中板以下的側(cè)墻并未施作，受力情況與工況二基本相同。圍護(hù)樁各個(gè)節(jié)點(diǎn)承受的軸力基本在2 100 kN左右，中柱上各個(gè)節(jié)點(diǎn)承受軸力基本在2 500 kN左右，中板承受軸力為1 501.6 kN。由圖8可知，車站主體結(jié)構(gòu)承受彎矩情況與工況二基本相同。

6 結(jié)語(yǔ)

1)扣拱承受了覆土重量及地面超載，無(wú)論在哪個(gè)施工階段，扣拱特別是冠梁附近所承受的剪力、軸力、彎矩都比較大?？酃白鳛橹匾休d結(jié)構(gòu)，并且該處施工工序轉(zhuǎn)換多，因此施工結(jié)構(gòu)拱部是難點(diǎn)也是重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中采取合理拱軸線對(duì)受力結(jié)果也是非常關(guān)鍵。

2)冠梁背后回填混凝土增大拱腳剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力承載能力，因此保證扣拱初期支護(hù)背后回填質(zhì)量，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性。

3)中柱主要承受扣拱傳遞的軸力，所受軸力較大，在施工中應(yīng)嚴(yán)格控制鋼管柱安裝質(zhì)量。

4)圍護(hù)樁不僅是初支結(jié)構(gòu)，同時(shí)圍護(hù)樁與側(cè)墻共同作為永久結(jié)構(gòu)不僅承受扣拱傳遞的軸力，同時(shí)還受土體的側(cè)向壓力，圍護(hù)樁承受較大的剪力及彎矩。有必要在扣拱完成后在向下土體開挖對(duì)圍護(hù)樁進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。

[1] 陳 俊,吳順川.洞樁法施工在北京地鐵中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007,33(3):272-273.

[2] 潘昌實(shí),張 彌,吳鴻慶.隧道力學(xué)數(shù)值方法[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1995:63-124.

[3] 劉志義.地鐵設(shè)計(jì)實(shí)踐與探索[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2009:159-165.

[4] DRJ·歐文,E·希頓.塑性力學(xué)有限元理論與應(yīng)用[M].曾國(guó)平,劉 忠,徐家禮,譯.北京:兵器工業(yè)出版社,1989:112-379.

[5] 管 誠(chéng).地鐵PBA工法地層位移及土與結(jié)構(gòu)相互作用分析[D].北京:北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009:53-67.

On numeric calculation analysis of PBA method construction of Military Museums

Gan Xiaoli

(TunnelEngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway14thBureauGroup,Jinan250002,China)

Combining with the fact in the Military Museum along No.9 Beijing Subway, the paper adopts PBA reverse building method, analyzes the stress changes on the station structure under various controlling construction circumstances with ansys model, so as to identify the stressed features of the station structure and lower the construction risks.

subway station, PBA method, ansys, numeric calculation

1009-6825(2017)13-0176-02

2017-02-21

甘曉麗(1982- )，女，工程師

U231.4

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