陳湘生, 王 雷, 陽(yáng)文勝, 蘇 棟, 2, 3, *, 吳永照, 劉樹亞4,

(1. 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 廣東 深圳 518060; 2. 濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(深圳大學(xué)), 廣東 深圳 518060; 3. 深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 深圳 518060; 4. 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司, 廣東 深圳 518026; 5. 深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司, 廣東 深圳 518029)

0 引言

地鐵車站的建設(shè)常采用明挖法現(xiàn)澆施工,需大范圍降水、開挖基坑、遷改地下管線,不可避免地影響路面交通,對(duì)周邊建(構(gòu))筑物、居民出行及日常生活產(chǎn)生不利影響[1]。為了減少地鐵建設(shè)期對(duì)城市居民、環(huán)境產(chǎn)生的不利影響,解決目前建筑行業(yè)面臨的勞動(dòng)力短缺問題,迫切需要探索更加綠色、可持續(xù)的機(jī)械化暗挖、裝配式建造新工法[2]。

頂管法作為暗挖工法的一種,具有全機(jī)械化開挖、管節(jié)全預(yù)制裝配的特點(diǎn),近年來(lái)發(fā)展迅速[3-4]。該工法適用于短距離地下結(jié)構(gòu)的施工,具有非開挖施工、機(jī)械造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單、占用施工場(chǎng)地小等優(yōu)點(diǎn),在城市地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[5-8]。在地鐵車站的建設(shè)中,頂管法常用于車站出入口工程[9]。由于目前頂管機(jī)械尺寸不滿足車站主體結(jié)構(gòu)的建筑空間需求,在主體結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用較少。上海地鐵14號(hào)線靜安寺站首次嘗試采用頂管法施工車站主體結(jié)構(gòu)。該車站頂管段為分離式車站,由相互分離的3洞頂管隧道組成,其中,站臺(tái)層分別由左、右2洞頂管隧道組成,中間通過(guò)4條橫通道連接;站廳層由單洞頂管隧道建成[10-11]。然而,采用頂管法建造整體式地鐵車站尚無(wú)相關(guān)研究及工程實(shí)例。

鄭州某地下停車場(chǎng)采用小斷面的矩形頂管機(jī)密貼頂進(jìn)7洞停車場(chǎng)子結(jié)構(gòu)后,再將其相互連通形成整體停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)[12]。因此,采用雙洞密貼頂管法建造整體式地鐵車站的方案具有可行性,然而也遇到一系列技術(shù)難題。1)大斷面裝配式地下結(jié)構(gòu)接頭的受力及防水問題。由于城市區(qū)域場(chǎng)地緊張,通常無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制整環(huán)頂管管節(jié),而在工廠預(yù)制整環(huán)管節(jié)后運(yùn)輸較為困難。因此,需要對(duì)管節(jié)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì),再通過(guò)接頭將預(yù)制構(gòu)件拼裝成環(huán)。研究表明,接頭是預(yù)制地下結(jié)構(gòu)受力和防水的薄弱環(huán)節(jié),其結(jié)構(gòu)和防水設(shè)計(jì)至關(guān)重要[13-14]。2)大斷面單洞頂管空間向超大斷面整體車站空間轉(zhuǎn)換時(shí)的結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換問題,即在地層荷載作用下對(duì)車站的主要受力構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)轉(zhuǎn)換。盾構(gòu)法擴(kuò)挖施工地鐵車站的研究表明,施工工序和結(jié)構(gòu)力學(xué)轉(zhuǎn)換對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)施工期的力學(xué)性能有重要影響[15-16]。

本文以下穿大型箱涵的深圳市軌道交通12號(hào)線沙三站為工程背景,提出了雙洞密貼頂管法裝配式地鐵車站建造方案,結(jié)合車站結(jié)構(gòu)施工工序,建立基于荷載-結(jié)構(gòu)法的三維有限元模型,對(duì)裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 工程概況

深圳市軌道交通12號(hào)線2期工程沙三站位于深圳市寶安區(qū),為地下2層島式車站。車站中部下穿大型鋼筋混凝土雨水箱涵(尺寸為11.5 m×3.6 m),車站總長(zhǎng)212 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.6 m,最大覆土厚度為7.1 m。車站兩端采用明挖法施工,長(zhǎng)度分別為59.6、82.4 m,中間下穿雨水箱涵段采用頂管法施工,長(zhǎng)度為70 m,車站結(jié)構(gòu)與箱涵凈距約2.5 m。沙三站平面示意如圖1所示。

圖1 沙三站平面示意圖Fig. 1 Plane of Shasan station

沙三站建設(shè)場(chǎng)地范圍內(nèi)主要地層自上而下為素填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化混合花崗巖。頂管段車站洞身主要土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化混合花崗巖,車站底板基本位于全風(fēng)化混合花崗巖中。

2 頂管段地鐵車站總體方案設(shè)計(jì)

2.1 車站斷面劃分

頂管段地鐵車站寬度為22.6 m,高度為13.53 m。頂管段地鐵車站結(jié)構(gòu)橫斷面如圖2所示。采用“變大為小、化整為零”的建造理念,將車站斷面等分為左洞和右洞2個(gè)矩形斷面;再采用相應(yīng)大小的矩形頂管機(jī)依次施工左洞、右洞車站子結(jié)構(gòu),子結(jié)構(gòu)凈距約為5 cm;最后對(duì)左、右洞子結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換,拆除密貼部位的臨時(shí)側(cè)墻后,形成整體地鐵車站空間。

圖2 頂管段地鐵車站結(jié)構(gòu)橫斷面(單位: m)Fig. 2 Cross-section of station structure at pipe-jacking section(unit: m)

2.2 超大斷面組合式矩形頂管機(jī)

車站所用頂管機(jī)為超大斷面矩形頂管機(jī)(如圖3所示),其寬度和高度分別為11.295、13.55 m,均比左(右)洞子結(jié)構(gòu)尺寸大2 cm。超大斷面矩形頂管機(jī)的設(shè)計(jì)采用裝配式理念,由上部和下部子頂管機(jī)組合而成,其寬度均為11.295 m,高度均為6.775 m,如圖4所示。該頂管機(jī)可以較為方便地被拆卸為2臺(tái)較小斷面的矩形頂管機(jī),以便應(yīng)用于類似斷面的地下工程,這樣可以提高超大斷面矩形頂管機(jī)的使用率,降低工程中的機(jī)械攤銷費(fèi)用。

圖3 超大斷面矩形頂管機(jī)Fig. 3 Super-large cross-section rectangular pipe jacking machine

圖4 組合式頂管機(jī)斷面分割Fig. 4 Segmentation of composite pipe-jacking machine

2.3 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換及施工工序

雙洞密貼頂管法裝配式地鐵車站左、右洞子結(jié)構(gòu)向整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)轉(zhuǎn)換主要分為豎向力學(xué)轉(zhuǎn)換和橫向力學(xué)轉(zhuǎn)換2步。

1)豎向力學(xué)轉(zhuǎn)換。由于各環(huán)頂管管片在施工工況下是縱向離散的,頂板和底板在密貼部位均由臨時(shí)側(cè)墻支撐,而在車站使用時(shí)需要拆除臨時(shí)側(cè)墻以形成左、右洞連通的整體車站空間,因此,需要進(jìn)行合理的豎向力學(xué)轉(zhuǎn)換。其目的是將豎向的臨時(shí)側(cè)墻支撐轉(zhuǎn)換為縱梁和立柱支撐。首先,將臨時(shí)側(cè)墻分為立柱環(huán)和標(biāo)準(zhǔn)環(huán),立柱環(huán)在頂進(jìn)方向的中心距為8 m,拆除臨時(shí)側(cè)墻時(shí)保留立柱環(huán)的型鋼混凝土芯柱;然后,通過(guò)在頂板、底板設(shè)置鋼箱,在力學(xué)轉(zhuǎn)換工況插入工字鋼、澆筑混凝土形成連續(xù)的縱梁,該縱梁是以立柱為支點(diǎn)的多跨連續(xù)梁,可將縱向離散的頂管結(jié)構(gòu)連成整體,同時(shí)也作為拆除臨時(shí)側(cè)墻后頂板、底板的支點(diǎn),為地鐵車站重要的受力構(gòu)件。該設(shè)計(jì)避免了拆除臨時(shí)側(cè)墻時(shí)在洞內(nèi)設(shè)置臨時(shí)豎撐以支撐車站頂、底板,減少了力學(xué)轉(zhuǎn)換時(shí)引起的附加內(nèi)力和變形,有利于提高車站結(jié)構(gòu)的防水性能。

2)橫向力學(xué)轉(zhuǎn)換。由于在施工工況時(shí)左、右洞子結(jié)構(gòu)橫向均由鋼支撐傳力,而車站使用時(shí)需拆除臨時(shí)側(cè)墻,使鋼支撐失去了支點(diǎn),因此,需要進(jìn)行合理的橫向力學(xué)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。考慮到車站成型過(guò)程中需要施工中板,通過(guò)設(shè)置略低于中板的臨時(shí)支撐為中板施工留出空間,在拆除支撐上部的臨時(shí)側(cè)墻后可先施工中板,從而實(shí)現(xiàn)在臨時(shí)支撐拆除前完成車站結(jié)構(gòu)的橫向受力轉(zhuǎn)換。同時(shí),臨時(shí)支撐可作為中板澆筑的模板支撐,以減少洞內(nèi)腳手架的施工,有利于縮短施工工期和節(jié)約成本。

雙洞密貼頂管法裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)的施工工序如圖5所示。其施工主要分為5步:

(a) 第1步: 左洞子結(jié)構(gòu)施工

(b) 第2步: 右洞子結(jié)構(gòu)施工

(d) 第4步: 拆除臨時(shí)鋼支撐和側(cè)墻

(e) 第5步: 車站結(jié)構(gòu)成型圖5 雙洞密貼頂管法裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)的施工工序Fig. 5 Design of construction procedure

1)在頂管始發(fā)井內(nèi)拼裝左洞子結(jié)構(gòu)管節(jié)構(gòu)件,形成單環(huán)結(jié)構(gòu);利用始發(fā)井外未開挖的土體提供頂管頂推反力,頂進(jìn)施工車站左洞子結(jié)構(gòu),直至頂管機(jī)到達(dá)頂管接收井。

2)從接收井吊出矩形頂管機(jī)械,重復(fù)第1步,密貼頂進(jìn)施工右洞子結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)凈距為5 cm。

3)車站左、右洞子結(jié)構(gòu)頂進(jìn)完成后,在始發(fā)井將工字鋼插入頂、底板預(yù)留的鋼箱空腔內(nèi)并澆注混凝土,完成頂、底縱梁的施工;切割拆除支撐上部的臨時(shí)側(cè)墻,保留型鋼混凝土立柱,利用臨時(shí)鋼支撐作為中板混凝土模板的支撐,澆筑中板、中縱梁。

4)拆除臨時(shí)鋼支撐和其下部的臨時(shí)側(cè)墻。

5)現(xiàn)澆施作上、下U形梁;安裝預(yù)制軌頂風(fēng)道、預(yù)制站臺(tái)板,完成車站主體結(jié)構(gòu)的施工。

3 頂管段地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 管節(jié)分塊設(shè)計(jì)

由于地鐵車站結(jié)構(gòu)斷面較大,若采用常規(guī)的整環(huán)管節(jié)方案,則結(jié)構(gòu)質(zhì)量過(guò)大,不利于管節(jié)的吊裝施工和運(yùn)輸;同時(shí),地鐵建設(shè)一般在城市區(qū)域,周邊建設(shè)場(chǎng)地有限,無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管節(jié)預(yù)制。因此,需要對(duì)管節(jié)進(jìn)行分塊處理,在工廠預(yù)制后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng),并在頂管始發(fā)井內(nèi)裝配形成整環(huán)管節(jié)結(jié)構(gòu)。

管節(jié)環(huán)向分塊的主要原則是在受力合理、大小均勻的基礎(chǔ)上,盡量減少結(jié)構(gòu)接頭數(shù)量。接頭位置應(yīng)避開受力較大的位置,宜設(shè)置于結(jié)構(gòu)反彎點(diǎn)附近,以減小接頭的受力和變形,提高管節(jié)整體受力性能、抗變形性能和防水性能。另外,合適的管節(jié)分塊尺寸有利于管片生產(chǎn)、運(yùn)輸和吊裝施工。

根據(jù)上述原則,將車站子結(jié)構(gòu)的單環(huán)管片分為4塊,每環(huán)管片設(shè)4個(gè)接頭,車站子結(jié)構(gòu)構(gòu)件共包含5種類型,即構(gòu)件A—E,如圖6所示。A、C和E塊的三維設(shè)計(jì)圖如圖7所示。B塊與A塊設(shè)計(jì)基本一致,B塊側(cè)墻高出底板底2.9 m;D塊與C塊設(shè)計(jì)基本一致,D塊構(gòu)件長(zhǎng)度為9.53 m。各分塊參數(shù)見表1。子結(jié)構(gòu)單環(huán)管節(jié)分為2種: 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和立柱環(huán)。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由頂板、底板、側(cè)墻和臨時(shí)側(cè)墻組成,其中,臨時(shí)側(cè)墻后期需要拆除,以便將2個(gè)車站子結(jié)構(gòu)連通。立柱環(huán)的臨時(shí)側(cè)墻由型鋼混凝土芯柱和其兩側(cè)的外包混凝土組成,均在管片廠預(yù)制而成。在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時(shí)拆除立柱兩側(cè)的臨時(shí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),保留芯柱作為車站中柱,車站縱向相鄰立柱的間距為8 m。

圖6 管節(jié)分塊方案(單位: m)Fig. 6 Segmentation of pipe ring structure (unit: m)

(a) A塊

(b) C塊

(c) E塊圖7 管節(jié)分塊三維設(shè)計(jì)圖(單位: m)Fig. 7 3D design of pipe segments (unit: m)

表1 管節(jié)各分塊參數(shù)表Table 1 Parameters of pipe segments

接頭均設(shè)置于側(cè)墻和臨時(shí)側(cè)墻的上部和下部。側(cè)墻接頭距離頂板、底板外側(cè)2.4 m或2.9 m;臨時(shí)側(cè)墻接頭距離頂板、底板外側(cè)2 m,該位置考慮了拆除臨時(shí)側(cè)墻后車站內(nèi)部?jī)艨帐褂酶叨鹊囊蟆Ｍ瑫r(shí),左洞和右洞子結(jié)構(gòu)的管節(jié)接頭、左(右)洞子結(jié)構(gòu)縱向相鄰的管節(jié)接頭高度均不在一個(gè)平面上,即將不同高度的左、右洞子結(jié)構(gòu)側(cè)墻接頭交錯(cuò)布置(如圖6所示),這樣可以避免縱向和橫向在接頭部位貫通形成薄弱剪切面,從而提高結(jié)構(gòu)整體抗剪性能。

3.2 接頭設(shè)計(jì)

接頭作為裝配式結(jié)構(gòu)承載的薄弱環(huán)節(jié),其承載能力對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力性能至關(guān)重要。同時(shí),地鐵車站作為地下結(jié)構(gòu),在地下水的作用下接頭受力張開易引起地鐵車站發(fā)生滲漏水,因此其抗變形的能力也較為重要。

針對(duì)接頭承載能力、抗變形能力要求高,現(xiàn)場(chǎng)施工要求拼裝速度快的特點(diǎn),本文提出了新型地下裝配式結(jié)構(gòu)接頭。該接頭由C形槽鋼、高強(qiáng)螺栓和混凝土榫槽構(gòu)成,如圖8所示。接頭縱向長(zhǎng)度為2.0 m,厚度為0.9 m,內(nèi)外側(cè)均由2個(gè)C形槽鋼通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接,內(nèi)外側(cè)螺栓數(shù)量均為10個(gè),間距為200 mm,接頭中部設(shè)置鋼筋混凝土榫頭與榫槽。C形槽鋼和螺栓的設(shè)計(jì)充分利用了鋼材的強(qiáng)度和延性,提高了接頭抗彎能力?；炷灵静鄣脑O(shè)計(jì)一方面可提高接頭界面的抗剪能力,另一方面可起到結(jié)構(gòu)裝配的定位作用,有利于提高結(jié)構(gòu)拼裝精度。榫頭與榫槽之間設(shè)置約5 mm的縫隙,避免拼裝時(shí)兩者之間的硬接觸導(dǎo)致接頭損傷。

(b) 榫頭側(cè)接頭圖8 接頭設(shè)計(jì)Fig. 8 Design of joint

4 頂管段地鐵車站結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)

4.1 接頭防水

接頭榫槽兩側(cè)各設(shè)置1處彈性密封墊,密封墊在軸力作用下壓密后形成2道防水體系,如圖9所示。同時(shí),在接頭的背土側(cè)預(yù)埋注漿管,接頭安裝完成后注漿填充榫頭與榫槽之間的空隙,這作為接頭的第3道防水體系。

圖9 接頭防水體系設(shè)計(jì)圖Fig. 9 Design of joint waterproof system

4.2 環(huán)縫防水

環(huán)縫防水體系設(shè)計(jì)如圖10所示。在管節(jié)縱向頂板、底板或側(cè)墻的環(huán)與環(huán)之間設(shè)置承插接口,其中,承口管節(jié)沿著斷面外圍設(shè)置1圈鋼套環(huán),鋼套環(huán)內(nèi)側(cè)設(shè)置錨固鋼筋固定。由于單環(huán)管節(jié)由4塊管片拼裝而成,因此,每環(huán)管節(jié)的鋼套環(huán)在環(huán)向存在4處接縫。在始發(fā)井將管節(jié)拼裝成環(huán)后需要對(duì)鋼套環(huán)接縫進(jìn)行焊接施工,使其在環(huán)向連成整體。承口鋼套環(huán)內(nèi)設(shè)置2條遇水膨脹橡膠條,用于管節(jié)承插接口部位鋼套環(huán)內(nèi)側(cè)的防水。在管節(jié)縱向環(huán)與環(huán)之間的定位榫頭兩側(cè)設(shè)置2道彈性密封墊,在頂管頂推力的作用下使彈性密封墊壓密,從而起到防水作用。為了減少頂管施工后管節(jié)間接觸壓力的損失,每環(huán)管節(jié)頂進(jìn)后均采用精軋螺紋桿對(duì)相鄰管節(jié)進(jìn)行拉結(jié),以提高彈性密封墊的防水可靠性。最后,通過(guò)預(yù)埋注漿管對(duì)定位榫槽間的空隙進(jìn)行注漿填充,共形成5道環(huán)縫防水體系。

圖10 環(huán)縫防水體系設(shè)計(jì)圖Fig. 10 Design of ring seam waterproof system

4.3 中縫防水

中縫防水設(shè)計(jì)如圖11所示。在左、右洞管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后進(jìn)行二次注漿,即采用水泥漿替換頂進(jìn)施工時(shí)的減阻泥漿,則中縫空隙將被二次注入的水泥漿填充,水泥漿硬化后可作為第1道防水。在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況拆除臨時(shí)支撐和臨時(shí)側(cè)墻后,后澆施作頂部、底部U形梁將左、右洞連成整體,U形梁結(jié)構(gòu)可作為第2道防水。同時(shí),施工期若產(chǎn)生滲漏水,可在中縫頂部施作水平旋噴樁等進(jìn)行堵水。中縫防水整體上采用堵、排結(jié)合的方式,對(duì)少量滲漏水進(jìn)行封堵的同時(shí)在車站結(jié)構(gòu)中部設(shè)置排水措施。

圖11 中縫防水設(shè)計(jì)圖Fig. 11 Waterproof system design of slit between substructures

5 頂管段地鐵車站施工期結(jié)構(gòu)受力分析

5.1 數(shù)值模型

車站結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中所受荷載如圖12所示。左洞子結(jié)構(gòu)施工時(shí),其兩側(cè)受對(duì)稱的水土壓力荷載;而右洞子結(jié)構(gòu)施工時(shí),其臨時(shí)側(cè)墻受到左洞子結(jié)構(gòu)的接觸約束。

(a) 左洞子結(jié)構(gòu)施工時(shí)所受荷載

(b) 右洞子結(jié)構(gòu)施工時(shí)所受荷載圖12 車站結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中所受荷載 (單位: kPa)Fig. 12 Loads applied on station structure (unit: kPa)

基于荷載-結(jié)構(gòu)法建立裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)三維有限元模型,如圖13所示。其中,Z軸為車站縱向,X軸為車站橫向。建模范圍取相鄰立柱之間的中心距8 m,模型共包含5環(huán)管節(jié),其中,首尾2環(huán)為半環(huán)立柱環(huán)結(jié)構(gòu),中間3環(huán)為整環(huán)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)結(jié)構(gòu),在首尾環(huán)Z軸方向施加對(duì)稱邊界約束。

圖13 車站結(jié)構(gòu)三維有限元模型Fig. 13 3D finite element model of station structure

地層對(duì)結(jié)構(gòu)的約束采用土彈簧模擬,包括法向彈簧和切向彈簧,分別模擬土層對(duì)結(jié)構(gòu)法向和切向的約束。法向彈簧為僅受壓、不受拉的非線性彈簧,彈簧剛度值主要與其接觸的地層基床系數(shù)和網(wǎng)格大小有關(guān),最大值和最小值分別為3 000、1 000 kN/m;切向彈簧用于模擬地層對(duì)結(jié)構(gòu)的摩擦力,也采用非線性彈簧模擬,單根彈簧可提供的摩擦力最大值為0.94 kN,最小值為0.37 kN。

車站頂板、底板厚度均為0.95 m,側(cè)墻最大厚度為0.9 m,最小厚度為0.7 m,立柱環(huán)側(cè)墻厚度為0.5 m。

混凝土管節(jié)采用C50混凝土,管節(jié)間法向接觸采用硬接觸,接觸面切向摩擦因數(shù)取0.55。管節(jié)鋼箱內(nèi)為后澆的型鋼混凝土梁,鋼箱內(nèi)部設(shè)置了栓釘。因此,鋼箱與其內(nèi)部的混凝土梁界面設(shè)置綁定約束。

車站結(jié)構(gòu)模型考慮雙洞密貼頂管法裝配式車站的施工過(guò)程,共包含4個(gè)分析步,分別為左洞施工、右洞施工、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和永久結(jié)構(gòu)施工,其中,結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況如圖5(c)和5(d)所示。

模型中對(duì)接頭采用非線性彈簧進(jìn)行模擬。根據(jù)接頭的梁-彈簧單元模型原理[17],將接頭對(duì)截面的約束等效為6個(gè)方向的彈簧,其中主要受力彈簧為k1、k2、k6,如圖14所示。彈簧剛度參數(shù)k1、k6通過(guò)接頭足尺抗剪試驗(yàn)和抗彎試驗(yàn)測(cè)得[18-19];k2=EA,其中,E是混凝土彈性模量,A為接頭截面面積。彈簧剛度參數(shù)見表2。

圖14 接頭模型簡(jiǎn)化示意圖Fig. 14 Simplified schematic of joint model

表2 彈簧剛度參數(shù)表Table 2 Joint stiffness parameters

5.2 結(jié)構(gòu)受力分析

車站結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的彎矩變化是其力學(xué)性能的直觀表現(xiàn),截面彎矩也是結(jié)構(gòu)截面尺寸設(shè)計(jì)和配筋的重要依據(jù)。立柱環(huán)和后澆縱梁作為車站結(jié)構(gòu)施工和使用階段的重要承力結(jié)構(gòu),需對(duì)其施工期的彎矩變化進(jìn)行分析。立柱環(huán)彎矩取主要受彎方向的彎矩(MZ),以結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)受拉時(shí)彎矩為正;同理,后澆縱梁彎矩取MX。彎矩圖中,X坐標(biāo)起點(diǎn)為混凝土側(cè)墻內(nèi)側(cè),Y坐標(biāo)起點(diǎn)為底板內(nèi)側(cè)。

5.2.1 立柱環(huán)頂、底板彎矩

立柱環(huán)頂板彎矩如圖15所示。由圖15可知: 1)左洞子結(jié)構(gòu)頂進(jìn)時(shí),頂板最大正彎矩位于跨中;因永久側(cè)墻剛度較臨時(shí)側(cè)墻大,導(dǎo)致頂板左端的負(fù)彎矩大于右端。2)右洞子結(jié)構(gòu)頂進(jìn)時(shí),由于左、右洞子結(jié)構(gòu)的相互作用,導(dǎo)致左洞子結(jié)構(gòu)頂板右端負(fù)彎矩顯著增大,達(dá)到-685.3 kN·m,相應(yīng)地跨中正彎矩減小至918.4 kN·m。右洞子結(jié)構(gòu)頂板彎矩分布規(guī)律與左洞基本一致。由于右洞永久側(cè)墻上部接頭位置低于左洞0.5 m,側(cè)墻對(duì)頂板的約束剛度較大,并且相較于土層,左洞子結(jié)構(gòu)對(duì)右洞子結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的約束作用,因此,右洞頂板負(fù)彎矩明顯大于左洞。3)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況時(shí),頂板彎矩與左右洞子結(jié)構(gòu)施工工況下頂板彎矩變化規(guī)律一致,均呈現(xiàn)出最大正彎矩位于跨中、兩端負(fù)彎矩最大的現(xiàn)象,且最大正彎矩位置向車站中部移動(dòng),車站中部縱梁附近的頂板負(fù)彎矩均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。4)永久結(jié)構(gòu)施工工況下,結(jié)構(gòu)受力與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況基本一致,數(shù)值上的微小變化主要是由后澆U形梁結(jié)構(gòu)的自重引起的。

圖15 立柱環(huán)頂板彎矩Fig. 15 Bending moment of top plates of column ring structure

立柱環(huán)底板彎矩如圖16所示。左右洞施工期底板彎矩變化規(guī)律與頂板彎矩基本一致,值得注意的是底板縱梁附近負(fù)彎矩在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況出現(xiàn)較小的增幅,左、右洞底板縱梁附近的彎矩分別由-719.1、-683.8 kN·m增大至-809、-822.6 kN·m,而相同情況下左、右洞頂板在頂縱梁附近的彎矩出現(xiàn)明顯的減小。這是由于臨時(shí)側(cè)墻拆除后,立柱承擔(dān)了相鄰幾環(huán)管節(jié)的水土壓力,其軸力增大的同時(shí)對(duì)頂?shù)装宓募s束也增大了。

圖16 立柱環(huán)底板彎矩Fig. 16 Bending moment of bottom plates of column ring structure

5.2.2 側(cè)墻彎矩

立柱環(huán)側(cè)墻彎矩如圖17所示。由圖可知,左、右洞子結(jié)構(gòu)側(cè)墻在各工況下彎矩分布規(guī)律基本一致。因此,只分析左洞子結(jié)構(gòu)永久側(cè)墻和臨時(shí)側(cè)墻的彎矩變化規(guī)律。

(a) 左洞永久側(cè)墻

(b) 左洞臨時(shí)側(cè)墻

(c) 右洞永久側(cè)墻

(d) 右洞臨時(shí)側(cè)墻圖17 立柱環(huán)側(cè)墻彎矩Fig. 17 Bending moment of lateral walls of column ring structure

如圖17(a)所示,左洞施工工況下,側(cè)墻頂、底兩端負(fù)彎矩值分別為-492、-814.6 kN·m,隨后負(fù)彎矩向中間部位逐漸減小。上部接頭Y=10.1 m、下部接頭Y=1.9 m位置的負(fù)彎矩值較小,約為-100 kN·m。側(cè)墻正彎矩極值位于支撐上下兩側(cè),分別位于Y=3.8、7.7 m處,對(duì)應(yīng)的彎矩值分別為208、192 kN·m。由于鋼支撐的作用,側(cè)墻在支撐位置出現(xiàn)負(fù)彎矩(-75.1 kN·m)。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況下,由于中板位于鋼支撐上方約1 m處,側(cè)墻下部跨度增大,因此,其正彎矩增大至395.7 kN·m。左洞施工工況到右洞施工工況、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況到永久結(jié)構(gòu)施工工況,側(cè)墻彎矩變化較小。

如圖17(b)所示,頂進(jìn)工況下,左洞臨時(shí)側(cè)墻彎矩分布規(guī)律與永久側(cè)墻基本一致,然而其在接頭部位出現(xiàn)明顯的彎矩突變,這是由于接頭截面中心點(diǎn)位于臨時(shí)側(cè)墻外,接頭合力對(duì)側(cè)墻的偏心矩引起了接頭位置彎矩的突變。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況下,拆除臨時(shí)側(cè)墻后保留型鋼混凝土芯柱,因此,立柱環(huán)兩側(cè)共5環(huán)管片的水土壓力均由立柱承擔(dān),其頂、底部偏心軸力的增加引起兩端負(fù)彎矩均明顯增大,分別增至-493、-494.4 kN·m。由于后澆中板的約束作用,在中板附近臨時(shí)側(cè)墻彎矩出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

5.2.3 縱梁彎矩

永久結(jié)構(gòu)施工工況下后澆的工字鋼混凝土縱梁彎矩如圖18所示。由圖可以看出,4根縱梁的彎矩沿著縱向基本呈對(duì)稱分布,均呈兩端負(fù)彎矩大、向跨中逐漸減小、隨后變?yōu)檎龔澗氐内厔?shì);左洞與右洞縱梁彎矩相差不大。底縱梁的彎矩在數(shù)值上略大于頂縱梁,因此,本文主要對(duì)底縱梁彎矩進(jìn)行分析。

圖18 永久結(jié)構(gòu)施工工況下縱梁彎矩Fig. 18 Bending moment of longitudinal beams of permanent station structure

左洞底縱梁負(fù)彎矩和正彎矩峰值分別為-264.8、158.6 kN·m。同時(shí)可以看出,管節(jié)接縫對(duì)縱梁彎矩影響較大,G1和G5環(huán)縱梁負(fù)彎矩峰值均在管節(jié)接縫位置,明顯大于其他部位縱梁彎矩值;G3環(huán)兩端接縫處縱梁彎矩也大于該環(huán)中部彎矩。這是由于縱梁沿縱向?qū)Ω鳝h(huán)管節(jié)頂板的約束剛度不同,立柱附近約束剛度較大、而跨中附近約束剛度較小,約束條件的變化導(dǎo)致各環(huán)管節(jié)頂板右端的內(nèi)力分布出現(xiàn)差異,進(jìn)而引起縱梁在管節(jié)接縫處出現(xiàn)彎矩峰值。

5.2.4 鋼箱應(yīng)力

車站結(jié)構(gòu)施工完成后頂縱梁鋼箱應(yīng)力云圖如圖19所示。由圖可以看出,鋼箱最大應(yīng)力位于左洞子結(jié)構(gòu)鋼箱的角部,其值為28.82 MPa,小于屈服應(yīng)力345 MPa。由于縱梁兩端的鋼箱受到了頂板和縱梁負(fù)彎矩的疊加作用,使左洞子結(jié)構(gòu)鋼箱上部的角部出現(xiàn)了最大應(yīng)力。這與右洞子結(jié)構(gòu)鋼箱的應(yīng)力分布規(guī)律一致,但由于右洞子結(jié)構(gòu)該處的彎矩值均較小,相應(yīng)地其應(yīng)力值也較小。此外,下部鋼箱的應(yīng)力分布規(guī)律和大小與上部鋼箱類似。

圖19 頂縱梁鋼箱應(yīng)力云圖(單位: Pa)Fig. 19 Stress contour of upper steel box (unit: Pa)

5.2.5 總體分析

總體來(lái)看,立柱環(huán)左洞或右洞子結(jié)構(gòu)頂板、底板彎矩峰值在各施工工況下變化不大,然而右洞施工工況到永久結(jié)構(gòu)施工工況,右洞頂板右端負(fù)彎矩增幅為23.8%,左洞頂板跨中正彎矩增幅為8.4%。從左洞與右洞子結(jié)構(gòu)頂板、底板彎矩的對(duì)比可以看出,其彎矩分布規(guī)律基本一致,但是由于接頭位置和施工時(shí)外部邊界條件的不同,永久結(jié)構(gòu)施工工況下右洞頂板右端負(fù)彎矩比左洞頂板左端的負(fù)彎矩大66.1%。同理,左洞底板左端負(fù)彎矩比右洞底板右端負(fù)彎矩大35.3%。

左洞或右洞子結(jié)構(gòu)永久側(cè)墻彎矩分布規(guī)律和大小在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況均出現(xiàn)顯著變化,而在其他工況變化較小。這是由于車站中板位置高于臨時(shí)支撐,結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況拆除支撐、施工車站中板增大了側(cè)墻下部的跨度,引起了側(cè)墻下部正彎矩的增大。對(duì)比左洞與右洞永久側(cè)墻的彎矩可以看出,由于接頭位置和邊界條件的不同,右洞永久側(cè)墻頂端負(fù)彎矩比左洞大66.2%,而左洞永久側(cè)墻底端負(fù)彎矩比右洞大23.6%。側(cè)墻接頭位置處的彎矩較小,有利于減小接頭的變形,提高接頭的防水性能,同時(shí)也說(shuō)明了接頭位置設(shè)計(jì)是合理的。對(duì)于臨時(shí)側(cè)墻,結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況其彎矩大小和分布規(guī)律變化均較大,這是由臨時(shí)側(cè)墻型鋼混凝土立柱兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的拆除和支撐位置的改變共同引起的。

6 結(jié)論與展望

雙洞密貼頂管法裝配式地鐵車站建造方案的探索有利于提高車站的機(jī)械化暗挖與裝配式建造水平,顯著減少對(duì)周邊環(huán)境、居民正常生活的影響。本文以深圳市軌道交通12號(hào)線沙三站為工程背景,對(duì)該工法的建造方案、結(jié)構(gòu)體系和力學(xué)性能開展了研究,主要結(jié)論如下:

1)受頂管機(jī)尺寸和道路運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工條件限制,將車站結(jié)構(gòu)等分為左洞和右洞子結(jié)構(gòu),單環(huán)管片由4個(gè)構(gòu)件通過(guò)接頭拼裝而成,接頭均設(shè)置于側(cè)墻,在橫向和縱向均交錯(cuò)布置,有利于提高車站整體結(jié)構(gòu)的抗剪切變形能力。

2)雙洞密貼頂管法裝配式地鐵車站在接頭、子結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)3個(gè)層面均設(shè)置了多道防水體系,最大限度地改善了裝配式地下結(jié)構(gòu)的防水性能。

3)通過(guò)在子結(jié)構(gòu)頂板和底板構(gòu)件中預(yù)埋鋼箱,并在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換工況插入型鋼、澆筑混凝土,實(shí)現(xiàn)了從臨時(shí)側(cè)墻到立柱和縱梁支撐的豎向力學(xué)轉(zhuǎn)換;通過(guò)優(yōu)化支撐位置、分段拆除臨時(shí)側(cè)墻的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了從臨時(shí)鋼支撐到中板支撐的橫向力學(xué)轉(zhuǎn)換。

4)左洞和右洞子結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中彎矩分布規(guī)律和峰值變化不大,說(shuō)明了施工工序設(shè)計(jì)的合理性;同時(shí),左、右洞子結(jié)構(gòu)為反對(duì)稱結(jié)構(gòu),施工期兩者外部的邊界條件不同,引起了左、右洞子結(jié)構(gòu)在彎矩大小上具有較大的差異,設(shè)計(jì)時(shí)需注意對(duì)各控制截面的校核。

沙三站作為雙洞密貼頂管法裝配式地鐵車站的工程示范項(xiàng)目,現(xiàn)階段正在施工中,后續(xù)將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況,進(jìn)一步進(jìn)行施工環(huán)境影響控制和超大斷面矩形頂管密貼頂進(jìn)控制等相關(guān)研究。