摘要：采用Midas-GTSNX有限元模擬軟件，建立三維模型模擬洞樁法施工，針對洞樁法地鐵車站施工過程中的支護結(jié)構(gòu)受力特性進行深入分析。研究涵蓋了從邊樁條基施工到鋼管柱施工，再到扣拱施工和車站主體結(jié)構(gòu)施工的整個過程。通過對拱部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、邊樁應(yīng)力與沉降分析，以及鋼管柱的軸力和沉降分析，揭示了施工過程中的應(yīng)力轉(zhuǎn)化、應(yīng)力集中、應(yīng)力突變和結(jié)構(gòu)沉降差異性變化規(guī)律，為采用洞樁法進行地鐵站施工提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：洞樁法施工地鐵車站拱部結(jié)構(gòu)邊樁鋼管柱

AnalysisontheStressCharacteristicsandSettlementoftheSupportingStructuresinPBAConstruction

LIUXinhu

NO.2EngineeringCo.，Ltd.ofChinaRailwaySeventhGroupCo.，Ltd.，ShenyangCity，LiaoningProvince，110000China

Abstract：ThispaperutilizestheMidas-GTSNXfiniteelementsimulationsoftwaretoestablishathree-dimensionalmodeltosimulatePile-Beam-ArchApproach（PBA）construction.Itconductsanin-depthanalysisofthestresscharacteristicsofthesupportstructuresduringthePBA?N0m0acCwKeL85hU8Z5xRENqcSFiR+TWwcsYkGXObrEQ=;constructionprocessofsubwaystations.Theresearchencompassestheentireconstructionprocess，fromedgepilefoundationconstructiontosteelpipecolumnconstruction，toarchconstructionandstationmainstructureconstruction.Throughtheanalysisofthestressonthearchstructure，thestressandsettlementofthesidepiles，aswellastheaxialforceandsettlementofthesteelpipecolumns，itrevealsthepatternsofstresstransformation，stressconcentration，suddenstresschanges，andthevariabilityinstructuralsettlementduringconstruction，providingtechnicalguidancefortheuseofPBAinsubwaystationconstruction.

KeyWords：PBAconstruction;Subwaystations;Archstructure;Sidepiles;Steelpipecolumns

隨著地下空間資源的開發(fā)利用，在眾多地下建設(shè)方法中，洞樁法因施工影響小、適應(yīng)性強等優(yōu)點，成為地鐵車站建設(shè)的常用方法之一。因此，深入分析洞樁法施工支撐結(jié)構(gòu)的受力特性，對確保地鐵車站施工的安全性具有重要意義。馮愛軍[1]等基于北京地鐵16號線蘇州街站，研究了單層四導(dǎo)洞車站洞樁法施工土體變形規(guī)律。王德榮[2]對上下兩層六導(dǎo)洞地鐵車站洞樁法施工進行了研究。鄧根等人[3]研究了車站施工引起的地表沉降及地層應(yīng)力。邵珠山等人[4]運用Flac3D模擬軟件建立車站模擬，通過模擬各種開挖方案的比較，得到了“先上后下、交叉開挖”的最佳施工方案。付春青等人[5]以北京地鐵5號線暗挖車站監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對樁法地鐵車站施工地層變形展開了研究。

本文通過采用Midas-GTSNX有限元模擬軟件，模擬洞樁法施工，分析邊樁、鋼管柱、拱部結(jié)構(gòu)等主要承力和傳力結(jié)構(gòu)在不同施工階段的應(yīng)力轉(zhuǎn)化和沉降差異性，探討施工過程中可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險。特別是在扣拱施工和車站主體結(jié)構(gòu)施工階段，結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜轉(zhuǎn)換和頻繁的加卸載過程，對支撐體系的穩(wěn)定性提出了更高的要求。本研究旨在為地鐵車站的設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)，以優(yōu)化施工方案，提高工程質(zhì)量和安全性。

1拱部結(jié)構(gòu)施工分析

1.1拱部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

由表1可知，二襯扣拱施工階段，拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在頂縱梁、左右拱部位置及其交接處，最大拉應(yīng)力為2610kPa，且在交接面上出現(xiàn)應(yīng)力集中。右側(cè)頂縱梁與鋼管柱交接位置拉應(yīng)力較左側(cè)大，原因是右側(cè)建筑物荷載大于左側(cè)。邊拱拉應(yīng)力大于中拱，因其不僅承受上部荷載，還受到樁頂冠梁與導(dǎo)洞回填混凝土的荷載。在中柱與頂縱梁連接處，最大壓應(yīng)力達7960kPa。主體結(jié)構(gòu)施工完成后，上部結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及頂縱梁與鋼管柱連接處應(yīng)力值均有所減小，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別降至1640kPa和6560kPa。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于此時車站受力體系已形成，上部荷載可通過承載結(jié)構(gòu)傳遞至邊樁和鋼管柱。

1.2拱部結(jié)構(gòu)沉降差異分析

結(jié)構(gòu)沉降是評估工程穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。通過表2的沉降數(shù)據(jù)可知，扣拱階段，中拱沉降值比左右拱大，且沉降值由中拱向兩邊遞減，左、中、右拱沉降值分別為17.53mm、18.62mm、17.56mm，中拱與左右拱沉降差在1.1mm左右。左右縱梁沉降差為0.8mm。主體結(jié)構(gòu)施工時，左、中、右拱沉降值分別降至14.89mm、16mm、15.1mm，中拱與左右拱沉降差略有減小。左右縱梁沉降差縮小至0.72mm。此階段車站整體受力體系已形成，站臺層、站廳層施工卸載導(dǎo)致車站整體“上浮”，拱部沉降普遍減小，降幅在14%～20%之間。

2邊樁施工分析

2.1邊樁應(yīng)力分析

圖1顯示，邊樁條基、鋼管柱冠梁施工階段，邊樁應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，最大值353kPa?？酃笆┕ず椭黧w結(jié)構(gòu)施工階段，邊樁開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大為53.7kPa，出現(xiàn)在扣拱施工階段。而最大壓應(yīng)力達2140kPa，出現(xiàn)在主體結(jié)構(gòu)施工右側(cè)邊樁下部。邊樁頂部應(yīng)力隨施工階段的推進，由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，再恢復(fù)為壓應(yīng)力，其中扣拱階段拉應(yīng)力最大。而邊樁底部始終處于壓應(yīng)力狀態(tài)，且隨施工進展逐步增大。這主要是由于邊樁先后經(jīng)歷了受樁頂荷載、受拱部荷載傳遞、與中柱共同分擔(dān)上部荷載等階段，同時在主體結(jié)構(gòu)施工時，車站臨空使得邊樁受到更大的側(cè)向土壓力。

2.2邊樁沉降分析

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，邊樁施工完成后，右側(cè)邊樁底部沉降最大，為6.30mm，左右邊樁沉降差為1.08mm。冠梁、鋼管柱施工時，邊樁沉降增至6.55mm，左右沉降差基本不變?？酃笆┕r，邊樁沉降進一步增大，最大值達7.93mm，左右沉降差擴大至1.38mm。主體結(jié)構(gòu)施工完成后，邊樁沉降出現(xiàn)回彈，最大值回落至6.01mm，但左右沉降差進一步擴大至1.82mm。分析認(rèn)為，邊樁沉降變化主要受施工荷載卸載影響，而左右沉降差異則源于兩側(cè)建筑物對邊樁的不均衡影響。

3鋼管柱施工分析

3.1鋼管柱軸力分析

圖2展示了鋼管柱施工后的軸力變化。鋼管柱施工初期，由于頂縱梁尚未施工，柱頂無荷載，僅柱底受自重影響，軸力為151kN?？酃笆┕r，頂縱梁、拱部二襯先后完成，上部荷載開始傳至鋼管柱，使其軸力迅速增大，柱頂達2229kN，大于柱底的1411kN。主體結(jié)構(gòu)施工時，由于站臺層、站廳層開挖，車站土體損失，底部隆起，原本由土層分擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)移到鋼管柱，導(dǎo)致軸力進一步增加，柱頂和柱底分別達到8571kN和9402kN?？梢?，鋼管柱軸力隨著施工進展和車站結(jié)構(gòu)體系的逐步形成而不斷增大，并在扣拱施工后出現(xiàn)柱頂大于柱底的受力特點。

3.2鋼管柱沉降分析

鋼管柱沉降呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，冠梁、鋼管柱施工時，左右柱沉降差為0.7mm，樁頂沉降為4.16mm。扣拱施工時，拱部土體開挖，荷載向鋼管柱轉(zhuǎn)移，使其沉降增至最大值6.07mm，左右沉降差也擴大至0.83mm。主體結(jié)構(gòu)施工完成后，車站整體受力體系形成，土體開挖卸載引起底部隆起，鋼管柱沉降出現(xiàn)回彈，降至2.9mm。

4結(jié)論

洞樁法地鐵車站施工是一個涉及多個施工階段、多種結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜過程。本文研究表明，洞樁法地鐵車站施工過程中，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)隨著施工階段的推進而不斷變化，呈現(xiàn)出復(fù)雜的力學(xué)特性?？酃笆┕るA段是應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的時期，如果處理不當(dāng)，確實可能會埋下結(jié)構(gòu)破壞的隱患。而沉降變形則集中體現(xiàn)了土體與結(jié)構(gòu)間的相互影響，反映了施工擾動對地基、基礎(chǔ)以及主體結(jié)構(gòu)的綜合作用效應(yīng)。本文通過分析洞樁法施工支護結(jié)構(gòu)的受力特性與沉降數(shù)據(jù)為地鐵車站的設(shè)計和施工提供了科學(xué)依據(jù)，有助于提高工程施工的質(zhì)量和安全性。

參考文獻

[1] 馮愛軍.國內(nèi)城市軌道交通技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].江蘇建筑，2020（3）：1-3.

[2] 王德榮.淺埋暗挖法在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用分析[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2019（2）：114-115.

[3] 鄧根，朱洪威，周杰，等.基于廣州地鐵隧道施工的Peck公式修正[J].江西理工大學(xué)學(xué)報，2019，40（3）：9-13.

[4] 邵珠山，趙鑫.基于隧道施工誘發(fā)地表沉降隨機介質(zhì)理論預(yù)測模型的拓展[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，41（6）：73-81.

[5] 付春青，劉波.PBA法非對稱不均勻變形引起地表沉降規(guī)律研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2021，17（3）：927-942.