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PBA工法扣拱施工順序的優(yōu)化分析研究

2016-05-25 11:32章良兵荀桂富
關(guān)鍵詞:工法土體車(chē)站

劉 軍, 章良兵, 荀桂富, 金 鑫

(北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044)

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PBA工法扣拱施工順序的優(yōu)化分析研究

劉軍,章良兵,荀桂富,金鑫

(北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 北京100044)

摘要:合理的扣拱施工順序是PBA工法施工地鐵車(chē)站的關(guān)鍵. 以北京地鐵6號(hào)線東大橋站為依托,采用三維有限差分方法FLAC3D研究了PBA工法中不同扣拱順序下地表沉降與結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響. 研究結(jié)果表明:先中后邊的扣拱施工順序下,產(chǎn)生的地表沉降與結(jié)構(gòu)受力均較大,但中柱柱頂?shù)膫?cè)移可以得到有效控制. 并進(jìn)一步提出扣拱施工順序選取的原則,研究結(jié)果對(duì)PBA工法扣拱順序的設(shè)計(jì)與施工具有一定指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞:PBA工法; 地鐵; 扣拱施工; FLAC3D

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展,PBA工法由于在施工中具有獨(dú)特的特點(diǎn),已經(jīng)在地鐵建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用. PBA工法是在淺埋暗挖法的基礎(chǔ)上結(jié)合了蓋挖法和地上框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)形成的,其核心思想就是在大部分土體還沒(méi)有開(kāi)挖之前,就已經(jīng)形成了由樁(pile)、梁(beam)、拱(arch)組成的橫向框架支撐體系,然后在該體系的保護(hù)下,完成車(chē)站土體的開(kāi)挖[1-4].

現(xiàn)階段,PBA工法施工地鐵車(chē)站多采用多層多跨的拱形結(jié)構(gòu)形式,在拱部土體開(kāi)挖過(guò)程中,結(jié)構(gòu)的受力轉(zhuǎn)換關(guān)系較為復(fù)雜,尤其是在扣拱時(shí),拱腳推力會(huì)對(duì)中柱產(chǎn)生不利影響,同時(shí)還會(huì)對(duì)周?chē)馏w造成一定的擾動(dòng),使得扣拱施工所造成的地表沉降比例相對(duì)較大[5-8]. 但針對(duì)PBA工法中的拱部施工順序還缺乏系統(tǒng)的、全面的理論研究,因此,拱部施工順序的優(yōu)化分析對(duì)以后PBA工法的應(yīng)用推廣具有重要意義. 筆者以北京地鐵6號(hào)線東大橋?yàn)槔?,采用FLAC3D數(shù)值分析的方法,通過(guò)分析不同扣拱施工順序下地表沉降與結(jié)構(gòu)受力的影響,確定最優(yōu)的PBA洞樁法扣拱施工順序. 以期該研究結(jié)果能夠指導(dǎo)PBA工法扣拱部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工.

1工程概況

東大橋站是北京地鐵6號(hào)線一期工程的中間站. 該站位于朝陽(yáng)北路與工人體育場(chǎng)東路、東大橋路交叉口東側(cè),東西走向. 站中里程為K16+057.915,車(chē)站呈東西設(shè)置,標(biāo)準(zhǔn)段總寬度為21.9 m,車(chē)站總長(zhǎng)255 m. 車(chē)站主體結(jié)構(gòu)軌面標(biāo)高約為16.90 m,底板標(biāo)高約為15.35 m,頂板覆土在里程K15+969.677~K16+157.377處約為7.5 m,里程K16+157.377~K16+224.677處約為12.5 m. 車(chē)站主體結(jié)構(gòu)采用PBA工法施工. 圖1為東大橋站橫斷面圖與地質(zhì)橫剖面圖,車(chē)站結(jié)構(gòu)上覆土以粉土填土為主;上導(dǎo)洞主要位于粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂層中層;下導(dǎo)洞主要位于粉質(zhì)黏土層中.

2仿真模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

為確保PBA扣拱順序數(shù)值計(jì)算的可靠性,按實(shí)際施工工序?qū)BA施工流程進(jìn)行仿真模擬,以對(duì)比兩者的地表沉降差異. 結(jié)果參見(jiàn)圖2. 仿真模擬表明PBA施工累計(jì)地表沉降均值為78.97 mm,其中導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)所引起的地表沉降約為67.17 mm,所占最終沉降的比例為85.06%;施作邊樁、中柱以及頂縱梁所引起的地表沉降約為2.66 mm,所占最終沉降的比例為3.37%;拱部土體開(kāi)挖,拱部結(jié)構(gòu)施工所引起的地表沉降約為9.02 mm,所占最終沉降的比例為11.42%;土方開(kāi)挖及主體施工引起的地表沉降約為0.10 mm,所占最終沉降的比例為0.13%.

實(shí)際施工地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置及沉降歷時(shí)曲線如圖3所示. 顯然各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)基本相同. 實(shí)測(cè)地表累計(jì)沉降均值約為79.08 mm,其中在2010年11月1日開(kāi)始至2011年4月20日左右為導(dǎo)洞開(kāi)挖階段,累計(jì)沉降值下降明顯,沉降量最大為67.08 mm,所占最終沉降的比例為84.82%;到8月1日左右的這段時(shí)間,由于是在小導(dǎo)洞內(nèi)施作樁柱,故而引起的累計(jì)沉降較小為4.89 mm,所占最終沉降的比例為6.18%;在8月1日到11月期間,這段時(shí)間施工順序?yàn)榭酃笆┕ぃ汕€可知,這期間引起的累計(jì)沉降值為5.54 mm,所占最終沉降的比例為7.00%;而在11年12月之后,地表累計(jì)沉降值趨于穩(wěn)定,由此可見(jiàn)在土方開(kāi)挖階段,對(duì)地表沉降影響很小.

東大橋站地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的仿真模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降歷時(shí)曲線如圖4所示,從圖中看以看出,地表沉降的計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值略有差異,但地表沉降走勢(shì)基本一致. 調(diào)整地層的彈性模量后,最終選取的地層參數(shù)見(jiàn)表1,以作為后續(xù)的研究基礎(chǔ).

3計(jì)算模型與施工方案的建立

3.1施工方案的確定

合理的開(kāi)挖和支護(hù)順序是扣拱施工的關(guān)鍵問(wèn)題,邊跨與中跨土體的開(kāi)挖順序不同導(dǎo)致扣拱的順序也不同,PBA工法扣拱的具體施工方法施工步驟一般為:邊導(dǎo)洞內(nèi)襯砌施工,回填混凝土→分部開(kāi)挖拱部土體、初支施工(初支扣拱)→分段拆除邊導(dǎo)洞側(cè)襯、澆筑混凝土完成二襯扣拱[9].

本文中選取以下兩種施工方案進(jìn)行對(duì)比分析:

方案1:先施工中部小弧拱,后施工邊拱,數(shù)值計(jì)算時(shí)邊跨落后于中跨6 m;

方案2:先施工邊拱,后施工中部小弧拱,數(shù)值計(jì)算時(shí)中跨落后于邊跨6 m.

在這兩種施工方案中,兩邊的邊跨應(yīng)同步進(jìn)行,以防出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象.

3.2數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬計(jì)算中筆者分別進(jìn)行了如下假定與簡(jiǎn)化:

1)假定地表和土層均勻,根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告對(duì)不同土層的厚度做了適當(dāng)簡(jiǎn)化.

2)模型單元類(lèi)型的選?。哼厴丁⒌卓v梁、初支、頂縱梁、冠梁、二襯均采用實(shí)體單元模擬,為更好地研究拱腳推力對(duì)中柱產(chǎn)生的不利影響,中柱采用beam單元模擬,襯砌和梁板柱采用彈性模型,僅考慮彈性變形,土體模型采用摩爾庫(kù)倫模型[10],并不考慮地下水的影響.

3)超前小導(dǎo)管注漿加固模擬:模擬計(jì)算中考慮其等效影響,即對(duì)洞室外圍經(jīng)過(guò)漿液加固的部分土體的材料性質(zhì)進(jìn)行修改,等效為加固層厚度為1m.

4)初期支護(hù)模擬:模擬計(jì)算中通常采取等效剛度的方法,即將鋼格柵和混凝土的總剛度等效為混凝土的強(qiáng)度,計(jì)算公式如下[11-12]:

(1)

式中:E為等效的混凝土彈性模量(MPa);E0為混凝土材料的彈性模量(MPa);Sg為鋼架截面面積(m2);Eg為鋼材的彈性模量(MPa);S0為混凝土截面上的面積(m2).

5)灌注樁模擬:灌注樁通常會(huì)受到主拱傳來(lái)的斜向壓力和樁側(cè)水平土壓力的作用. 通常在數(shù)值計(jì)算中按照等效剛度的原則簡(jiǎn)化為地下連續(xù)墻,公式如下[11-12]:

(2)

式中:E為等效的混凝土彈性模量(MPa);E0為混凝土材料的彈性模量(MPa);D為邊樁的直徑(m);t為樁間距(m).

6)模型邊界范圍與邊界條件:上表面取至地表,下表面取至結(jié)構(gòu)底板下50 m,總高為76.6 m;同時(shí)參考以往的模擬經(jīng)驗(yàn),考慮到施工時(shí)存在的空間效應(yīng),故長(zhǎng)度上取30 m;寬度上則取邊樁外側(cè)面之外60 m,大約長(zhǎng)為147.3 m左右;模型邊界條件取為:上表面自由,下表面完全約束,四周限制各邊界的水平位移.

7)荷載情況:模型中主要考慮地層壓力和地表上方活荷載. 其中地層壓力由自重產(chǎn)生;活荷載通過(guò)在模型的上表面施加20 kPa的豎直向下的壓力實(shí)現(xiàn);地鐵車(chē)站計(jì)算模型見(jiàn)圖5.

4計(jì)算結(jié)果與分析

本文將重點(diǎn)研究不同扣拱施工順序下對(duì)地層變形與結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響. 本次位移結(jié)果與受力分析均選用模型15 m斷面處研究.

4.1不同扣拱施工順序下的地層變形分析

從圖7中可知,先中后邊的施工順序下扣拱階段引起的地表累計(jì)沉降值為9.02 mm,先邊后中的施工順序下扣拱階段引起的地表累計(jì)沉降值為8.26 mm,從地表沉降槽寬度系數(shù)來(lái)看,通過(guò)Origin擬合扣拱階段引起的地表沉降數(shù)據(jù)的結(jié)果得出,先邊后中施工順序的反彎點(diǎn)距離值為9.86 m,先中后邊施工順序的反彎點(diǎn)距離值為9.51 m,由此可以看出,先邊后中的扣拱施工順序引起的地表沉降比先中后邊扣拱順序時(shí)引起的沉降稍?。欢戎泻筮吺┕ろ樞?qū)Φ乇淼挠绊懛秶^小,但都相差不大.

4.2不同扣拱施工順序下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

由圖8可知,在兩種扣拱施工順序下,當(dāng)初支扣拱完成之后,初支結(jié)構(gòu)上的mises有效應(yīng)力分布情況基本相同,數(shù)值大小略有不同,其中在先中后邊的施工順序下的初支所受到的大應(yīng)力出現(xiàn)在邊拱拱中,值為1.197 MPa,而在先邊后中的施工順序下初支所受到的最大應(yīng)力同樣也出現(xiàn)在此區(qū)域,值為0.913 MPa,相比較于先中后邊的施工順序,減小幅度約為23.7%,可見(jiàn)雖然卸荷量相同,但開(kāi)挖順序的不同也會(huì)使得內(nèi)力有所不同. 這是由于兩邊跨同時(shí)開(kāi)挖,初支對(duì)上層土體的壓力有分散作用. 故在先邊后中的扣拱施工順序下,可以有效地減少初支扣拱所承擔(dān)的內(nèi)力,結(jié)構(gòu)較為安全.

同樣,由圖9可知,無(wú)論在先中后邊的施工順序還是在先邊后中的施工順序下,導(dǎo)洞處邊拱初支所受到的有效應(yīng)力值都較小,這是因?yàn)樵诳酃爸?,?dǎo)洞內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了回填混凝土的工作,加強(qiáng)了拱腳處的剛度,這也說(shuō)明了回填混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)安全的重要性.

由圖9與表2可知,先中后邊與先邊后中兩種扣拱施工順序下,最大主應(yīng)力分布情況基本相同,在兩種情況下產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力位置也大體一致,均出現(xiàn)在中拱與頂縱梁的交接位置的一定范圍處,并表現(xiàn)為拉應(yīng)力. 同時(shí)先中后邊的扣拱施工順序下產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力值(1.342 MPa)要大于先邊后中情況下出現(xiàn)的最大主拉應(yīng)力值(1.220 MPa),故若考慮拱部二襯的受力狀態(tài),先邊后中的扣拱施工順序下結(jié)構(gòu)受力較為合理.

表2 不同扣拱順序下二襯扣拱最大主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

4.3不同扣拱施工順序下對(duì)中柱的影響分析

由圖10和表3可知,在兩種施工方案中,中柱柱頂側(cè)移的變化規(guī)律基本相同,先中后邊的施工順序下中柱柱頂位移的最大值(0.848 mm)與先邊后中的施工順序下的中柱柱頂位移的最大值(0.921 mm)均出現(xiàn)在邊拱二襯扣拱階段,先邊后中扣拱順序下的柱頂位移最大值要偏大;同時(shí)先中后邊扣拱施工下穩(wěn)定階段時(shí)的位移值(0.451 mm)小于先邊后中扣拱施工順序所對(duì)應(yīng)的值(0.524 mm);由此可見(jiàn),在先中后邊的扣拱施工順序下更能很好地控制拱腳推力對(duì)中柱的影響,同時(shí)若使用先邊后中的施工順序,應(yīng)提高中柱的配筋率、或截面面積以滿足承載力及裂縫驗(yàn)算等要求.

注:統(tǒng)計(jì)表中的中柱取為第三排,位移以接近結(jié)構(gòu)中線為正,遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)中線為負(fù);彎矩以接近結(jié)構(gòu)中線一側(cè)受拉為負(fù),遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)中線一側(cè)受拉為正.

5結(jié)論

以北京地鐵6號(hào)線東大橋站為例,分析研究了PBA工法扣拱順序?qū)Φ乇沓两导敖Y(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響,得出以下結(jié)論,以期對(duì)PBA工法的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ):

1) 在兩種施工方法中,先邊后中施工順序下引起的地表沉降累計(jì)值比先中后邊施工順序下引起的地表沉降值稍?。欢戎泻筮吺┕ろ樞蛳聦?duì)地表的影響范圍較小,但相差不大.

2) 在兩種施工方法中,由于在導(dǎo)洞內(nèi)進(jìn)行了回填工作,導(dǎo)洞內(nèi)的邊拱初支所受到的內(nèi)力相應(yīng)的均較小,從而論證了回填混凝土的重要性.

3) 先中后邊的扣拱施工順序更能有效地控制拱腳對(duì)中柱產(chǎn)生的推力,中柱柱頂?shù)膫?cè)移更小.

4) 先邊后中的扣拱施工順序下結(jié)構(gòu)初支與二

襯承受的內(nèi)力均小于先中后邊扣拱施工施工順序下所產(chǎn)生的內(nèi)力.

故綜合以上因素,在PBA工法中,建議扣拱的施工順序?yàn)橄戎泻筮? 因?yàn)殡m然先中后邊扣拱順序下中拱二襯拉應(yīng)力值較大但增加幅度并不大,同時(shí)先中后邊扣拱順序下柱頂位移更小,這對(duì)于洞樁法施工來(lái)說(shuō)更為關(guān)鍵,因此建議二襯扣拱施工應(yīng)優(yōu)先采用先中后邊的施工順序,同時(shí)由于先中后邊的施工順序下拱部初支與二襯受力較大,故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證中跨拱部二襯承載力及滿足裂縫驗(yàn)算等要求.

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[責(zé)任編輯:佟啟巾]

Optimization Analysis of Buckle-Arch Construction Sequence for PBA Method

Liu Jun, Zhang Liangbing,Xun Guifu,You Tian,Jin Xin

(School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044)

Abstract:The reasonable buckle-arch construction sequence is the key of PBA method in metro station construction . Taking Dongda bridge station of Beijing metro line 6 as a typical case, the three-dimension finite difference method FLAC3D is used to study the influence of ground settlement and construction mechanical behavior caused by different buckle-arch construction. The results of the study show that:the surface settlement and structural force are bigger under middle buckle-arch construction, but the column displacement can be effectively controlled. And further principle for buckle-arch construction is proposed in the paper to guide the optimization design and construction of buckle- arch construction in PBA method.

Key words:Pile-Beam-Arch (PBA) method; metro station; buckle-arch construction; FLAC3D

中圖分類(lèi)號(hào):TU94+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡(jiǎn)介:劉軍(1965—),男,博士,教授,研究方向:巖土與地下工程.

基金項(xiàng)目:北京市屬高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)與教師職業(yè)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IDHT20130512)

收稿日期:2015-11-11

文章編號(hào):1004-6011(2016)01-0036-06

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