楊德寶，賈幫輝

(1.沈陽(yáng)地鐵集團(tuán)有限公司 沈陽(yáng)市 110168； 2.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽(yáng)市 110168)

0 引言

在沈陽(yáng)地鐵施工中大規(guī)模地使用了PBA工法，PBA工法由頂縱梁、底縱梁、中柱、圍護(hù)樁以及頂拱作為整個(gè)受力體系共同承受初期的受力[1]。在這種結(jié)構(gòu)保護(hù)下，對(duì)下方土體進(jìn)行開(kāi)挖。目前有很多學(xué)者對(duì)PBA工法進(jìn)行研究，王金明[2]等以北京地鐵某車(chē)站PBA法施工為案例，系統(tǒng)分析了車(chē)站樁柱結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布特點(diǎn)；王亮[3]等以沈陽(yáng)某地鐵作為研究對(duì)象，研究了PBA工法下地表沉降的規(guī)律，為工程實(shí)際提供理論支持；瞿萬(wàn)波[4]等以北京地鐵十號(hào)線作為研究背景，研究邊樁的受力特性和力學(xué)特征，并討論在PBA工法下邊樁的穩(wěn)定性；HU、LIU[5-6]等均采用數(shù)值模擬方法，對(duì)導(dǎo)洞開(kāi)挖或頂部扣拱等關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)進(jìn)行研究與優(yōu)化。雖然目前對(duì)PBA工法的研究較多，但是對(duì)于扣拱順序和力學(xué)研究比較少，也缺乏理論和系統(tǒng)的研究。

PBA工法施工多跨結(jié)構(gòu)車(chē)站過(guò)程中面臨著扣拱施工順序的選擇，扣拱過(guò)程中受力轉(zhuǎn)換復(fù)雜，因此需要選擇合理的施工順序來(lái)平衡受力[7]，使在整個(gè)地鐵車(chē)站施工過(guò)程中車(chē)站受到的擾動(dòng)最小，PBA工法在多數(shù)情況下都是采取逆作法施工，上部的二襯結(jié)構(gòu)要承擔(dān)土體開(kāi)挖后所釋放的應(yīng)力，因此需要對(duì)二襯進(jìn)行應(yīng)力分析。施工過(guò)程中保證邊跨同步施工，以減小開(kāi)挖施工過(guò)程中產(chǎn)生的不平衡推力，這樣就對(duì)施工協(xié)調(diào)是有難度的，因此研究施工過(guò)程中錯(cuò)步開(kāi)挖對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也是具有意義的。

1 工程概況

該車(chē)站位于沈陽(yáng)市沈河區(qū)青年大街，整體呈東西走向布置，全長(zhǎng)為211m，車(chē)站采用暗挖法作為主要施工方法，主體采用PBA工法施工，車(chē)站的結(jié)構(gòu)為兩層三跨三聯(lián)拱結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

該車(chē)站段的地層由雜填土、中粗砂、礫砂、圓礫、礫砂、圓礫由上至下分布。車(chē)站埋在地表以下6.3m到6.6m處，地勢(shì)較平緩，最大高差為1.98m，地面的標(biāo)高處于43.70m到45.68m之間，渾河高漫灘及古河道為該地段的地貌類(lèi)型。賦存在圓礫和礫砂的地下水存在于場(chǎng)區(qū)之內(nèi)，為第四系的孔隙潛水。某些區(qū)域因?yàn)楣I(yè)用水、生活用水以及地下管道的水滲透而產(chǎn)生上層滯水。整個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地下水分布是比較穩(wěn)定的，且含水層的厚度自東向西是逐步增大的，地下水位常年保持穩(wěn)定大約為2m。

2 模型的建立和方案選取

2.1 模型的建立

(1)小導(dǎo)洞開(kāi)挖一般為臺(tái)階法開(kāi)挖，而本模擬均采用全斷面法開(kāi)挖，因此循環(huán)進(jìn)尺選擇1m，開(kāi)挖與支護(hù)的時(shí)空效應(yīng)考慮為及時(shí)支護(hù)[9]。

(2)在實(shí)際施工中注漿的工作要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)做，而且在施工前會(huì)對(duì)地下水進(jìn)行處理，因此在施工時(shí)地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)比較小，本次模擬并未對(duì)注漿進(jìn)行模擬

(3)采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型模擬土體單元，為了簡(jiǎn)化模型土體為等厚同標(biāo)高，地下水的影響不做考慮。

(4)初期支護(hù)在模擬過(guò)程中采用等效剛度，利用公式將鋼格柵與混凝土的剛度等效為混凝土的剛度[10]，公式為：

式中:Sg—鋼架橫截面積(m2)；

Eg—鋼材的彈性模量(MPa)；

Sc—混凝土橫截面積(m2)；

E—等效的混凝土彈性模量(MPa)；

E0—混凝土材料的彈性模量(MPa) 。

(5)模型中的荷載只考慮土體的自重和車(chē)站上方的荷載，車(chē)站上方的荷載為方向向下20kPa的均載。

(6)數(shù)值計(jì)算模型初支采用板單元，鋼管柱為梁?jiǎn)卧?，其他結(jié)構(gòu)均為實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

(7)避免模型的邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，需要選取開(kāi)挖洞徑3～4倍左右的范圍作為模型的尺寸[11]，因此本文的模型尺寸大小為寬度是120m，高度為72m，車(chē)站的縱向?qū)挾热?0m。模型模擬參數(shù)如表1所示，模型邊界條件為上表面為自由約束，其余面都為法向約束。

2.2 方案的選取

施工方案的選取，采用以下四種方案進(jìn)行對(duì)比研究。

表1 模型參數(shù)

工況1：先邊后中同步開(kāi)挖；工況2：先中后邊同步開(kāi)挖；工況3：先邊后中錯(cuò)步開(kāi)挖；工況4：先中后邊錯(cuò)步開(kāi)挖。工況1為中跨落后邊跨8m開(kāi)挖，工況2為中跨提前邊跨8m開(kāi)挖，錯(cuò)步開(kāi)挖為邊跨落后另一個(gè)邊跨4m開(kāi)挖。導(dǎo)洞初支的拆除同樣也是相同的距離。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

主要研究的內(nèi)容為不同扣拱順序下地面的變形分析、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析以及對(duì)中柱的影響這三方面，車(chē)站的模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 不同扣拱順序下地面的變形分析

由表2可以清楚看到先邊后中的開(kāi)挖順序在初支扣拱階段對(duì)地面的擾動(dòng)較小，先中后邊最大的地表沉降量為6.83mm，先邊后中的最大沉降量為6.52mm。先中后邊的開(kāi)挖順序在二襯扣拱完成階段對(duì)地面的擾動(dòng)較小，先中后邊最大的地表沉降量為11.61mm，先邊后中的最大沉降量為12.39mm。總體上來(lái)講先中后邊的開(kāi)挖方式對(duì)地表的影響范圍要小，其中累計(jì)沉降值先中后邊最大值為18.44mm，先邊后中最大值為18.90mm，這種差別并不是很大。無(wú)論是先邊后中還是先中后邊的開(kāi)挖順序，以及對(duì)應(yīng)方式的同步開(kāi)挖與錯(cuò)步開(kāi)挖對(duì)地表的影響差別不大[12]。

表2 不同扣拱順序下地表沉降量

3.2 不同扣拱順序下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析

由圖3至圖6可知這四種施工順序下，二襯的受力特點(diǎn)都有著相似之處，首先無(wú)論是邊襯還是中襯最大的主應(yīng)力均發(fā)生在中拱和頂縱梁交接處，并且表現(xiàn)為拉應(yīng)力。其次對(duì)于二襯拱底的應(yīng)力要高于拱頂，而且由表3可以看出同步開(kāi)挖的應(yīng)力值都小于相應(yīng)的錯(cuò)步開(kāi)挖。但不同處是對(duì)于先邊后中的開(kāi)挖順序無(wú)論是同步開(kāi)挖還是錯(cuò)步開(kāi)挖最大的應(yīng)力都發(fā)生在邊襯上，而先中后邊的最大應(yīng)力值發(fā)生在中襯上。在整個(gè)施工階段中工況1中襯最大的主應(yīng)力(1.07MPa)小于其他施工順序，邊襯的最大應(yīng)力(1.16 MPa)同樣也是小于其余施工順序，對(duì)于同步開(kāi)挖先中后邊的開(kāi)挖方式比先邊后中的開(kāi)挖方式中襯產(chǎn)生的內(nèi)力值多26.0%，邊襯產(chǎn)生的內(nèi)力值多2.5%，對(duì)于錯(cuò)步開(kāi)挖先中后邊的開(kāi)挖方式比先邊后中的開(kāi)挖方式中襯產(chǎn)生的內(nèi)力值多30%，邊襯產(chǎn)生的內(nèi)力值多7.5%。同樣是先中后邊開(kāi)挖方式錯(cuò)步開(kāi)挖的中襯產(chǎn)生的應(yīng)力值比同步開(kāi)挖的應(yīng)力值高8.1%，邊襯產(chǎn)生的內(nèi)力值多2.5%，先邊后中的開(kāi)挖方式錯(cuò)步開(kāi)挖中襯產(chǎn)生的應(yīng)力值比同步開(kāi)挖中襯產(chǎn)生的應(yīng)力值高4.6%，邊襯產(chǎn)生的內(nèi)力值多7.5%，因此可知先邊后中的開(kāi)挖方式產(chǎn)生的內(nèi)力更小，所以從結(jié)構(gòu)內(nèi)力考慮工況1是最好的選擇[13-14]。

表3 不同扣拱順序下二襯扣拱最大主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

3.3 不同扣拱順序下對(duì)中柱的影響分析

由圖7、圖8可以看出扣拱二襯完成時(shí)中柱的水平位移，是屬于一個(gè)對(duì)稱的形狀，即均同時(shí)指向或背離車(chē)站長(zhǎng)軸，未出現(xiàn)向同一側(cè)傾斜的現(xiàn)象，這樣車(chē)站結(jié)構(gòu)不易失穩(wěn)。取第二排中柱為研究對(duì)象，各個(gè)階段下中柱的水平位移如圖所示，明顯可以看出四種施工順序均會(huì)隨著施工的進(jìn)行，中柱不斷向一側(cè)偏移，但在邊襯施工時(shí)會(huì)明顯變小。這因?yàn)樵谶呉r施工時(shí)，洞內(nèi)的二襯結(jié)構(gòu)隨著邊襯一起施工，這樣與中柱共同承擔(dān)受力，使中柱的變形量減小，在實(shí)際工程中也可以施加剛拉桿以控制中柱變形。從表4的水平位移數(shù)值來(lái)看，先中后邊中柱的水平位移在穩(wěn)定階段的最大位移為1.61mm是高于先邊后中水平位移0.89mm。先中后邊的開(kāi)挖方式錯(cuò)步開(kāi)挖的最大水平位移也要大于同步開(kāi)挖，這就需要施工的時(shí)候保持兩側(cè)同步跟進(jìn)。因此對(duì)于此工程，在考慮中柱水平位移時(shí)，先邊后中的開(kāi)挖方式更合理。實(shí)際工作中為了施工安全，還可采取扣拱結(jié)構(gòu)間增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力拉桿或橫向拉壓構(gòu)件的方式施工，這樣可以大大降低施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)[15]。

表4 不同扣拱順序下柱頂位移值統(tǒng)計(jì)表

施工順序位置初支扣拱完成時(shí)位移(mm)二襯扣拱完成時(shí)位移(mm)工況1左側(cè)中柱0.600.89 右側(cè)中柱-0.61 -0.97 工況2左側(cè)中柱0.64 1.61 右側(cè)中柱-0.79 -1.62 工況3左側(cè)中柱0.62 0.90 右側(cè)中柱-0.63 -0.92 工況4左側(cè)中柱0.67 1.92 右側(cè)中柱-0.79 -1.96

4 結(jié)論

以沈陽(yáng)某淺埋暗挖施工的地鐵車(chē)站為例，從地表沉降，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與中柱的水平位移三個(gè)方面進(jìn)行考慮，可以得到以下的結(jié)論，為PBA工法的扣拱施工提供理論上的參考。

(1)對(duì)地表沉降的影響，先中后邊的開(kāi)挖方式，地表的沉降值更小，而先邊后中的開(kāi)挖方式在初支階段對(duì)地表的擾動(dòng)小，且錯(cuò)步開(kāi)挖與同步開(kāi)挖并沒(méi)有明顯的區(qū)別。

(2)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析，無(wú)論哪一種開(kāi)挖方式，最大的主應(yīng)力均發(fā)生在中拱和頂縱梁交接處，并且表現(xiàn)為拉應(yīng)力，但先邊后中的開(kāi)挖方式產(chǎn)生的內(nèi)力值更小。

(3)對(duì)中柱的水平位移進(jìn)行分析，先邊后中的開(kāi)挖順序比先中后邊的開(kāi)挖順序能夠更好控制拱腳對(duì)中柱的推力，進(jìn)而使柱頂?shù)奈灰聘　?/p>

(4)先邊后中的開(kāi)挖方式無(wú)需考慮兩側(cè)同步跟進(jìn)，但先中后邊的開(kāi)挖方式需要兩側(cè)跟進(jìn)，以防止邊拱拱腳對(duì)中柱產(chǎn)生不對(duì)稱推力而導(dǎo)致其發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

故綜上所述，雖然使用先邊后中的施工順序?qū)Φ乇淼某两盗看?，但是差距不明顯，而且先邊后中的施工順序柱頂位移更小，產(chǎn)生的應(yīng)力值更小，柱頂位移的變化對(duì)于PBA工法的施工更為關(guān)鍵。先邊后中的開(kāi)挖順序錯(cuò)步開(kāi)挖與同步開(kāi)挖的差別不大，這樣就無(wú)需嚴(yán)格保證兩側(cè)邊拱的跟進(jìn)，也可以大大降低施工協(xié)調(diào)的難度，提高工作效率。