地鐵工程附屬結構暗挖施工地表鋪設鋼板的選型研究

徐 凌,張 瑜,侯 偉

地鐵工程附屬結構暗挖施工地表鋪設鋼板的選型研究

徐 凌1,張 瑜1,侯 偉2

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100037;2.北京市勘察設計研究院有限公司,北京 100038)

針對地鐵工程附屬結構淺埋暗挖施工地表鋪設鋼板具體參數缺少量化研究的現狀,通過現狀資料的分析,并以解析計算與數值模擬計算為手段,系統分析鋼板厚度、鋼板鋪設位置、鋼板超出開挖輪廓線外寬度、覆土厚度等不同條件下路面車輛靜荷載對暗挖附屬結構的影響,研究結論:鋼板厚度的變化對地層豎向位移場和應力場的分布影響較大,結構拱頂上方地面沉降與鋼板厚度基本成反比關系,鋼板厚度一般可取為2 cm;隨著附屬結構覆土厚度的增加,鋪設鋼板效果逐漸降低,一般在覆土厚度達到6 m時,路面鋪設鋼板已無必要。

地鐵工程;附屬結構;淺埋暗挖法;鋼板選型

1 概述

當前,隨著城市化進程的不斷加快,我國地鐵已處于大規模的建設高潮中,地鐵工程往往修建在城市核心區或繁華地帶,周邊環境復雜、地下管線密布,地面車流量大,為最大限度地不影響周邊環境,淺埋暗挖施工成為城市中心區地鐵附屬結構修建的主要方式[1,2]。在地鐵附屬結構暗挖施工過程中,為減小地表車輛靜荷載的影響,防止道路發生較大沉降而引發地面坍陷或管線破裂,施工單位常常在道路地面一定范圍內鋪設鋼板,但目前針對鋼板選用的具體參數缺少量化的研究,通常是各施工單位依據各自經驗實施。在設計中,對道路下方的淺埋暗挖隧道,地面車輛荷載也是可按10 kPa的均布荷載取值,并不計沖擊力的影響[3,4],在大規模地鐵建設背景下,地面鋪設鋼板的情況將長期存在。為避免鋪設鋼板范圍過大造成不必要的浪費或由于鋼板鋪設不到位而引起工程事故,有必要以現狀資料的深入分析為基礎,以理論計算與數值模擬計算為手段,系統研究鋼板厚度、鋼板鋪設位置、鋼板超出開挖輪廓線外寬度、覆土厚度等不同條件下路面車輛靜荷載對暗挖附屬結構的影響,對鋼板的選型和鋪設提出具體的建議。

2 地鐵工程地面鋼板鋪設現狀

表1為北京地鐵6號線一期在建設過程中車站出入口鋪設鋼板情況的統計資料(所選用的鋼板均為2 cm厚),由表1可知,除了鋼板厚度,其他參數指標,如覆土厚度、鋼板鋪設沿開挖面橫縱向的范圍等各不相同,覆土厚度為2.5～7 m,鋼板橫向超出開挖輪廓線寬度為0～5 m。

表1 北京地鐵6號線一期部分覆土較淺出入口鋼板鋪設情況統計

3 數值計算模型與參數

3.1 計算模型

以北京地鐵某個暗挖附屬工程為例分析鋼板鋪設的效果,選取包括鋼板厚度、鋼板鋪設位置以及鋼板超出開挖輪廓線外寬度不同的方案,以FLAC3D作為數值計算軟件。計算模型大小為60 m×50 m×25 m,共計84 600個單元,90 168個節點。在模型的底面(z=-25 m)處施加豎向約束,在模型的側面(x=-30 m,x=30 m;y= 0 m,y=50 m)處施加水平約束,在掌子面(y=35 m)處施加y方向約束,計算模型見圖1。暗挖段拱頂埋深4 m,暗挖段連拱曲墻結構高2.2 m,連拱直墻結構高2.8 m,暗挖段寬度為6 m,C30初襯厚度為300 mm。

圖1 計算模型

選用不同的車輛布置方案以確定最不利荷載位置,如圖2所示。(1)沿著Ⅰ-Ⅰ剖面方向,車輛沿長度方向的中心和開挖斷面中心點A重合,車輪均位于未開挖斷面部分;(2)沿著Ⅰ-Ⅰ剖面方向,前輪中心位于開挖斷面中心,后輪位于未開挖斷面部分;(3)沿著Ⅱ-Ⅱ剖面方向,車輛沿長度方向的中心和點A重合,前輪位于未開挖斷面部分;(4)沿著Ⅱ-Ⅱ剖面方向,前輪中心位于點A位置。相對于第(1)和(2)種方案,經計算分析,發現由于暗挖段初襯剛度較大,致使第(1)和(3)種方案中車輛荷載引起的拱頂及上方地面沉降較小。對比第(2)和(4)種方案的計算結果,前者引起的沉降較大,因此,確定圖2中所示車輛位置為最不利荷載位置。

圖2 車輛荷載不利位置(單位:m)

3.2 模型參數

土的本構模型采用莫爾-庫倫模型[5-8],模型參數見表2。

表2 地層條件情況和參數

初襯的材料參數見表3[9,10]。

表3 襯砌的材料參數

車輛長度方向輪距10 m,寬度方向輪距2 m,車輛靜荷載取為550 kN,計算時按在車輛4個角部的車輪位置處施加集中荷載(各1/4的車輛靜荷載)。鋼板的密度為7 860 kg/m3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.25,計算中考慮鋼板的自重。此外,出于簡化計算、充分考察鋼板鋪設的影響以及偏安全的考慮,計算中未考慮混凝土路面的影響。

4 不同鋼板參數的計算分析結果

在對鋼板不同參數的數值分析中,采用圖2中所示的車輛布置形式,經各剖面計算結果的比較,對應力場分析選取Ⅰ-Ⅰ剖面對應的云圖,對位移場分析選?、?Ⅲ剖面對應的云圖。

4.1 鋼板厚度

為分析地面上鋪設不同厚度鋼板的影響,假設鋼板位于掌子面前方3 m、后方9 m,兩邊超出開挖輪廓線均為3 m,對鋼板厚度為0(即沒有鋼板)、1、2、3、4、5 cm六種方案分別進行計算。圖3、圖4分別為鋼板厚度為0、 5 cm時的地層豎向應力場和位移場云圖;表4為不同鋼板厚度對應的拱頂豎向附加應力、拱頂豎向位移和拱頂上方地面豎向位移的計算結果對比,可知:

(1)鋼板厚度的變化對位移場和應力場的分布影響較大。鋼板厚度較小時,鋼板剛度較小,鋼板對集中力的擴散作用不大,致使附加應力引起的位移場范圍也較小,較大的變形主要位于集中力作用點附近。隨著鋼板厚度和剛度的增大,應力場和位移場作用范圍增大,變形影響區域增大,地面集中力作用點附近的變形減小;

(2)暗挖段初襯結構的存在使拱頂豎向位移普遍較小;

(3)鋼板厚度的變化對拱頂附加應力無明顯影響。只是由于鋼板厚度增大使鋼板的自重增加,導致拱頂附加應力也有略微增加;

(4)鋼板厚度的變化對拱頂上方的地面豎向位移影響較大,圖5為拱頂上方地面豎向位移與鋼板厚度的關系曲線,可知兩者基本成式(1)表示的反比關系,鋼板厚度為2 cm比1 cm時拱頂上方的地面豎向位移減小較多,隨著厚度的繼續增加,雖然拱頂上方的地面豎向位移仍然繼續減小,但變化的幅度也逐漸減小。

式中 y——拱頂上方地面沉降;

x——鋼板厚度;

a——常數。

圖3 地層豎向應力場和位移場云圖(鋼板厚度為0 cm)

圖4 地層豎向應力場和位移場云圖(鋼板厚度為5 cm)

表4 不同鋼板厚度計算結果對比

圖5 拱頂上方地面豎向位移隨鋼板厚度的變化曲線

4.2 鋼板位于掌子面前后的位置

為分析鋼板不同鋪設位置的影響,假設鋼板的厚度2 cm,鋼板超出開挖輪廓線外的寬度均為3 m,對鋼板位于掌子面前方4 m、后方8 m(簡寫為4+8)、掌子面前方3 m、后方9 m(簡寫為3+9);掌子面前方2 m、后方10 m(簡寫為2+10)、掌子面前方0 m、后方12 m (簡寫為0+12)四種方案分別進行計算。圖6、圖7分別為2+10與4+8方案的地層豎向應力場和位移場云圖;表5為鋼板位于掌子面前后不同位置時對應的拱頂豎向附加應力、拱頂豎向位移和拱頂上方地面豎向位移的計算結果對比,可知:

(1)鋼板位于不同位置對拱頂及上方地面的豎向位移、對拱頂豎向附加應力的影響較小;

(2)隨著掌子面后面鋼板寬度的增加使位移場和應力場范圍略有增大,變形更加均勻,同時由于掌子面后面鋼板寬度的增加使鋼板自重引起的附加應力增加,故拱頂豎向附加應力、拱頂上方及地面豎向位移略微增加。

圖6 地層豎向應力場和位移場云圖(掌子面前方2 m、后方10 m)

圖7 地層豎向應力場和位移場云圖(掌子面前方4 m、后方8 m)

表5 鋼板位于不同位置的計算結果對比

4.3 鋼板超出開挖輪廓線外的寬度

為分析鋼板超出開挖輪廓線外的不同寬度的影響,假設鋼板的厚度為2 cm,鋼板位于掌子面前方3 m、后方9 m,對鋼板超出開挖輪廓線外的寬度為0、1、2、3 m四種方案分別進行計算。圖8、圖9分別為鋼板超出開挖輪廓線外的寬度為0、3 m時的地層豎向應力場和位移場云圖;表6為鋼板超出開挖輪廓線外的寬度不同時對應的拱頂豎向附加應力、拱頂豎向位移和拱頂上方地面豎向位移的計算結果對比可知:

(1)鋼板超出開挖輪廓線外的寬度的變化,對拱頂上方的地面豎向位移、拱頂位移及其附加應力影響較小;

(2)隨著鋼板超出開挖輪廓線外寬度的增加,應力集中現象略有減弱,應力場范圍有所增大;位移場范圍逐漸增大,變形更加均勻。

圖8 地層豎向應力場和位移場云圖(超出開挖輪廓線外的寬度為0 m)

圖9 地層豎向應力場和位移場云圖(超出開挖輪廓線外的寬度為3 m)

表6 鋼板超出開挖輪廓線外的寬度不同的計算結果對比

4.4 地鐵附屬結構覆土厚度

鋼板的存在主要是減弱集中荷載作用下的應力集中現象,使位移場和應力場的分布更加均勻,因此鋼板的作用有最有利與最不利情況,最不利情況是車輛荷載仍然以集中荷載的形式向地層擴散,最有利情況是車輛荷載通過鋼板以近似均布荷載的形式向地層擴散,而實際鋼板的作用介于這兩者之間。

為簡化計算,將地層假定為彈性半無限空間,由于車輛位置為不利荷載位置時其一半的荷載作用在地鐵附屬結構拱頂地面(圖2),因此,為簡便分析地鐵附屬結構覆土厚度不同對鋪設鋼板效果的影響,將550 kN車輛靜荷載的一半按以下2種方式考慮其荷載效應。

(1)無鋼板情況下,由于車輛寬度方向輪距較短(2 m),因此為簡化計算,將車輛的一半荷載P考慮為作用在鋼板A點處的一個集中荷載,則該地表豎向集中力P作用下,作用點豎直下方任意埋深z處土體的附加豎向應力σz1可按布西奈斯克解[11,12]由式(2)得到

(2)有鋼板的情況下,將車輛的一半荷載P按鋼板面積(長寬均為12 m)考慮為均布荷載p,則鋼板A點處下任意埋深z處土體處的附加豎向應力σz2可應用矩形面積均布荷載作用時,土中任意點的附加豎向應力計算公式即角點法得到[12]。

圖10為按以上2種方式計算得到的土體附加豎向應力與地鐵附屬結構覆土厚度的關系曲線,由圖可知:

(1)覆土厚度較小時,集中荷載與均布荷載作用下的土體附加豎向應力差異較大,說明此時鋪設鋼板效果較明顯;

(2)隨著覆土厚度的增加,集中荷載與均布荷載作用下的土體附加豎向應力趨于一致,在覆土厚度達到6 m左右時,兩者數值均較小且相當接近,說明此時鋪設鋼板對減弱集中荷載作用、減小土體附加豎向應力已基本無意義。同時,圖10反映的是鋼板效果的最有利與最不利情況,而實際上鋼板的效果畢竟是有限的,進一步說明實際工程應用中,一般在覆土厚度達到6 m時,鋪設鋼板已無必要。

圖10 地鐵附屬結構拱頂處的土體附加豎向應力與覆土厚度的關系曲線

5 結論與建議

在分析北京地鐵附屬結構施工地表鋪設鋼板現狀的基礎上,以數值計算與解析計算為手段,分別對鋼板厚度、鋼板鋪設位置、鋼板超出開挖輪廓線外寬度、覆土厚度等不同條件下車輛靜荷載對暗挖附屬結構的影響進行了研究,得出以下結論與建議。

(1)鋼板厚度的變化對地層豎向位移場和應力場的分布影響較大。鋼板厚度的變化對拱頂上方的地面豎向位移即地面沉降影響較大,拱頂上方地面沉降與鋼板厚度基本成反比關系,鋼板厚度為2 cm比厚度1 cm時拱頂上方地面沉降減小較多,隨著厚度的繼續增加,雖然地面沉降繼續減小,但變化的幅度逐漸減小。

(2)鋼板位于掌子面前后不同位置、鋼板超出開挖輪廓線外的寬度對拱頂豎向附加應力、拱頂及上方的地面豎向位移影響較小。掌子面后鋼板寬度的增加或鋼板超出開挖輪廓線外寬度的增加,均使地層豎向變形更加均勻。

(3)覆土厚度較小時,鋪設鋼板效果較明顯;隨著覆土厚度的增加,鋪設鋼板效果逐漸降低,一般在覆土厚度達到6 m左右時,路面鋪設鋼板已無必要。

(4)以上述計算結論為基礎,同時為進一步保證安全,實際工程中鋼板鋪設的建議參數為:一般在覆土厚度小于6 m時考慮鋪設鋼板,鋼板厚度一般取為2 cm,鋼板鋪設范圍為掌子面前3 m、后9 m,兩側超出開挖輪廓線2 m。

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Study on Type Selection of Steel Plate Laid on Ground Surface during Mining-method Construction of Accessory Structures of Metro Project

XU Ling1,ZHANG Yu1,HOU Wei2
(1.Beijing MTR Construction Administration Corp.,Beijing 100037,China; 2.BGI Engineering Consultants ltd.,Beijing 100038,China)

There was little quantitative research on specific parameters of steel plate laid on ground surface during shallowly-buried mining-method construction of accessory structures of metro project.To solve this problem,based on the analysis on the existing construction data,and by means of analytic solution and numerical simulation,the influence of vehicle static load on the mining-method accessory structure was systematically analyzed in this study under different conditions,including the different steel plate thicknesses,different positions of steel plate,different steel plate widths beyond the excavation contour line,different thicknesses of overburden layer and so on.Then this study come to the conclusion as follows:(a)The thickness of steel plate can greatly change the distributions of vertical displacement field and stress field of stratum;the ground settlement above the arch crown of the structure is inversely proportional to the thickness of steel plate;and it is advisable to use the steel plate thickness of 2cm in ______general.(b)With the increasing of the thickness of overburden layer above the accessory structure,theeffect of steel plate gradually decreases and its effect can be ignored when the thickness of overburden layer is deeper than 6m.

metro project;accessory structure;shallowly-buried mining method;type selection of steel plate

U231+.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.016

1004-2954(2014)04-0069-05

2013-11-20;

2013-12-17

北京市科技新星計劃資助項目(Z121106002512086)

徐 凌(1977—),男,高級工程師,工學博士,E-mail: xuling2007@126.com。