王 月 輝

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

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地鐵車站端頭井盾構(gòu)平移的結(jié)構(gòu)處理措施及有限元計算

王 月 輝

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

以上海某車站一個端頭井為例，結(jié)合其工程概況，選取了一個經(jīng)濟(jì)合理的方案，建立了有限元三維模型，并進(jìn)行了計算分析，結(jié)果表明：計算結(jié)果從理論上較符合實際情況，并能滿足工程要求，可以作為設(shè)計計算依據(jù)。

端頭井，盾構(gòu)井，有限元模型，混凝土強(qiáng)度

目前國內(nèi)在地鐵車站設(shè)計及建設(shè)中，涉及專業(yè)廣，周邊控制因素多，經(jīng)常由于交通導(dǎo)改、管線改遷及工程籌劃等原因，導(dǎo)致盾構(gòu)需要在端頭井內(nèi)平移以滿足現(xiàn)場施工需要。針對此情況，不同結(jié)構(gòu)形式、不同地質(zhì)條件、不同施工方案處理方式不盡相同，并無統(tǒng)一固定模式。較為常見的做法是中柱后澆、底板梁后澆或下翻，以便于盾構(gòu)平移，盾構(gòu)平移操作完畢后，施工剩余結(jié)構(gòu)。另有設(shè)置臨時構(gòu)件，保證盾構(gòu)平移施工，盾構(gòu)平移操作完成后施工永久結(jié)構(gòu)，拆除臨時結(jié)構(gòu)等其他做法。

1 工程概況

本文以上海某地下2層單柱雙跨地下車站一個端頭井為例進(jìn)行分析。本站位于交叉路口，沿東西向位于道路下方，設(shè)計之初，盾構(gòu)井上下行線均為接收井吊出盾構(gòu)，故端頭井頂板及中板均預(yù)留兩個盾構(gòu)孔，中間設(shè)置縱梁，跨中設(shè)柱，為常規(guī)端頭井設(shè)置。端頭井地面覆土厚度約2.5 m。結(jié)構(gòu)布置見圖1，圖2。

車站主體主要部分所處地層為軟土，地下水位位于地面下0.5 m。土層詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)表

后期由于外部交通及管線改遷工期原因限制，需要將東端頭井其中一個盾構(gòu)孔提前封閉并恢復(fù)交通及管線，用于緩解現(xiàn)狀交通。并且要求封閉的端頭井側(cè)面等邊界邊要設(shè)置擋土墻，并回填土。鑒于此條件，需要提出更為經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、切實可行的辦法來解決問題。

2 結(jié)構(gòu)方案

鑒于以上既有工程條件，確定基本前提為：底板梁后澆；盾構(gòu)施工期間單側(cè)盾構(gòu)孔封閉；確保盾構(gòu)平移時操作空間，封閉盾構(gòu)孔頂板上覆土恢復(fù)交通。在此前提下，初步選擇了兩套有實施可能的方案進(jìn)行比較。

方案一：在保證盾構(gòu)操作空間的前提下，加設(shè)臨時鋼柱，待盾構(gòu)平移完成后拆除。

方案二：立柱及底板梁后澆，結(jié)構(gòu)柱后澆，通過增大頂板及中板梁尺寸增大梁承載力，盾構(gòu)施工完成后澆筑剩余結(jié)構(gòu)。

考慮盾構(gòu)施工空間要求、中柱施工期間暫緩澆筑帶來的大跨問題、臨時結(jié)構(gòu)的可靠性問題等因素，綜合比較后按照方案二進(jìn)行設(shè)計。

按照方案二的前提條件，確定采用的基本結(jié)構(gòu)措施為：

施工階段：底板梁后澆；盾構(gòu)施工期間單側(cè)盾構(gòu)孔封閉；端頭井頂板梁、中板梁在施工階段中柱未澆筑時按照單跨梁計算；底板保留泄水孔，避免出現(xiàn)底板浮力，底板作為一塊大板考慮。按照實際工況計算求得內(nèi)力包絡(luò)圖，確定配筋等設(shè)計參數(shù)。

使用階段：按照完成后的結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件尺寸重新計算各工況內(nèi)力，按照使用階段組合確定內(nèi)力包絡(luò)圖。確定配筋等設(shè)計參數(shù)。

綜合考慮兩種狀態(tài)下的設(shè)計結(jié)果，采用包絡(luò)設(shè)計原則，保證設(shè)計滿足所有條件。并預(yù)留后期施工所需預(yù)埋、連接等措施。

3 有限元模型及計算

3.1 力學(xué)模型

本工程采用結(jié)構(gòu)荷載模型計算。建立結(jié)構(gòu)模型，將水土作用按照荷載考慮。計算模型見圖3。

本工程混凝土強(qiáng)度為C35，彈性模量3E10 N/m2，泊松比0.17，重度25 kN/m3；覆土厚度為2.5 m，土重度取20 kN/m3；地面超載取20 kN/m3。

1)結(jié)構(gòu)。建立三層梁板體系三維模型、建立端頭井與標(biāo)準(zhǔn)段連接處結(jié)構(gòu)柱、不再建立端墻、側(cè)墻等構(gòu)件，但建立結(jié)構(gòu)柱，中板及頂板開孔，開孔尺寸為11.4 m×7.2 m。各層板均采用Shell單元，梁、柱均采用梁單元(Beam188)。與標(biāo)準(zhǔn)段連接處，梁板模型建至1/3跨處。

原結(jié)構(gòu)尺寸如下：頂板梁1 000 mm×2 000 mm、中板梁700 mm×1 100 mm、底板梁暫不考慮、框柱600 mm×1 200 mm；頂板h=900 mm、中板h=400 mm、底板h=1 000 mm。頂板覆土2.5 m、底板埋深17.3 m。

根據(jù)初步估算，擬定施工階段結(jié)構(gòu)尺寸如下：頂板梁1 000×2 600、中板梁700×900、底板梁1 000×1 000、框柱600×1 200；頂板h=900、中板h=400、底板h=1 000。

2)荷載。頂板荷載按照實際覆土、自重、超載施加；中板考慮自重及施工荷載，暫不施加設(shè)備荷載；底板考慮重力工況下的底板土反力，因設(shè)置泄水孔，結(jié)構(gòu)尚未完成前不封堵泄水孔且保證水頭位于底板下，故不考慮浮力作用。

3)約束。按照保守設(shè)計原則，為保證各層板及梁跨中彎矩計算不致出現(xiàn)風(fēng)險，三層板在側(cè)墻及端墻支座處均采用固定鉸支座，約束X，Y，Z三個方向位移，但釋放轉(zhuǎn)動約束。與標(biāo)準(zhǔn)段連接處，板邊緣X，Y，Z三個方向位移釋放。梁端均釋放轉(zhuǎn)動約束。

3.2 有限元建模

本案例主要通過命令流方式進(jìn)行操作：

1)定義混凝土材料屬性及梁、柱、板單元屬性。2)按照實際尺寸及空間位置建立梁、板、柱空間模型。3)按照計算的實際荷載，在面上施加荷載，自重荷載通過重力加速度施加。4)按照前述原則施加約束及邊界條件。5)劃分單元，梁、板、柱單元均采用尺寸均為0.5 m。6)求解并提取各單元內(nèi)力數(shù)據(jù)，并設(shè)置輸出形式，生成圖形等結(jié)果文件。

4 結(jié)果分析

4.1 梁板內(nèi)力

計算完成后提取各構(gòu)件各項內(nèi)力數(shù)據(jù)，本文僅列出起控制作用的重要彎矩數(shù)據(jù)。

從彎矩云圖能夠較直觀的看出彎矩分布(見圖4)，基本符合理論規(guī)律，為方便更直觀分析數(shù)據(jù)，故將關(guān)鍵彎矩數(shù)值進(jìn)行列表對比如表2所示。

表2 關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力表 kN·m，kN

4.2 結(jié)果分析

在有限元數(shù)據(jù)處理過程中，由于應(yīng)力集中效應(yīng)，局部角部會出現(xiàn)較大內(nèi)力，在選取板彎矩時根據(jù)實際情況，并不能按照最大值選取，而是排除局部應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，選取較為合理的數(shù)值，切合工程實際應(yīng)用。

從有限元析結(jié)果分析，各構(gòu)件內(nèi)力值范圍合理，根據(jù)此內(nèi)力通過配筋計算，能夠滿足工程設(shè)計要求，說明本方案體系合理，構(gòu)件尺寸估算準(zhǔn)確。

相較于選取橫剖面進(jìn)行的單向板計算，本模型計算的雙向板效應(yīng)明顯，較為合理。

頂板及中板受力情況類似，底板受力不同。由于梁后澆原因，底板彎矩較大，雖然通過增大配筋能夠滿足要求，但配筋率較高。

本計算實際考慮了頂板及中板縱梁在施工階段的抗扭，并施加了覆土不均勻產(chǎn)生的扭矩，經(jīng)計算梁能夠滿足抗扭要求。

5 結(jié)語

1)本計算通過理論分析及后期工程實際應(yīng)用，證明此方案完全可行且安全可靠，可以作為一種解決此類情況的方法。

2)此方法計算了板和梁跨中最大彎矩，而邊支座處設(shè)為鉸，故跨中計算結(jié)果相較實際情況更為保守，并有足夠安全余量。

3)本算法具有一定通用性，故編制了用于計算的命令流，通過參數(shù)的變化可以迅速實現(xiàn)不同尺寸及荷載形式的其他類似工程計算。

[1] 劉健航，候?qū)W淵.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[2] 李廣信，張丙印,于玉貞,等.土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[3] 常士驃.工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

On treatment for shield translation of end wells at subway stations and its finite element calculation

Wang Yuehui

(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignandResearchCorporation(Group)Co.,Ltd,Shanghai200092,China)

Taking some end well of some station in Shanghai as the example, the paper selects the economic and reasonable scheme by combining with its engineering survey, establishes the finite element three-dimension model, undertakes the calculation and analysis, and proves by the result that the calculation result is consistent with the fact, so it meets the engineering demands and can be treated and the reference for design and calculation.

end well, shield well, finite element model, concrete strength

1009-6825(2017)15-0159-02

2017-03-01

王月輝(1982- )，男，碩士，工程師

U455.43

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