基于盾構平移吊出的地鐵車站端頭井計算分析

班自愿

(北京城建設計發展集團股份有限公司,北京 100037)

基于盾構平移吊出的地鐵車站端頭井計算分析

班自愿

(北京城建設計發展集團股份有限公司,北京 100037)

地鐵車站端頭井是整個車站結構受力最復雜的地方,為確保其在施工階段和使用階段的安全,必須對端頭井結構進行準確分析。今以無錫地鐵3號線某地下兩層島式車站為例,采用有限元分析軟件建立基于盾構平移的端頭井結構空間計算模型,然后對結構在施工期和使用期的不同工況進行有限元計算,最后對結構內力計算結果和位移撓度分別進行比較分析。結果表明端頭井空間效應顯著,端墻和側墻應按雙向板配筋,縱梁的變形撓度值在施工中逐步累計。所得計算結果對類似工程設計具有一定的參考價值。

盾構平移；地鐵車站；端頭井；計算分析

在城市軌道交通地下結構中,端頭井是車站兩端地鐵區間隧道施工時供盾構拼裝、拆卸、掉頭和管片吊裝的工作井,在使用階段是車站設備用房的組成部分。車站兩端的端頭井,縱橫向尺寸及梁柱布置除滿足建筑布置要求外,還應符合盾構施工要求[1],車站結構設計時應滿足盾構始發或到達的受力要求,因此端頭盾構井是整個車站施工最困難、結構受力最復雜的地方[2]。城市軌道交通地下車站一般設置在客流比較大、周邊建筑物比較高、市政地下管線比較多、交通比較擁擠等復雜的場地,當周邊施工場地有限,為了滿足周邊道路交通疏解，需要在端頭井上部設置臨時路面蓋板時,盾構始發或到達需在端頭井內進行平移。本文以無錫地鐵3號線某地下車站為工程背景,采用空間計算模型,對端頭盾構井主體結構在施工過程及使用期間的受力工況進行計算分析,探討端頭井在不同工況下的內力及位移差異,為結構設計提供數值基礎及計算依據。

1 工程概況

本工程為某地下兩層島式車站,車站位于道路路口,沿東西向道路布置,車站東北象限為4層居民樓,東南象限為7層居民樓,西南象限為綠化帶,綠化帶內有一高壓電塔,西北象限為一中學操場及待拆的1層醫院建筑和2層銀行建筑,車站總平面見圖1。

結構形式為兩層單柱雙跨矩形框架結構,車站外包總長148.2 m,標準段外包寬度為19.7 m,車站基坑深度約16.00 m,覆土厚約3.2 m,采用明挖法施工。車站兩端區間采用盾構法施工,左端頭左、右線均為盾構接收,右端頭左、右線為盾構始發。施工車站主體時,交通向車站兩側導改,為了滿足施工期間道路交通的需求,兩個端頭井上方均需設置臨時路面蓋板,所以盾構需在左端頭井平移吊出,在右端頭井平移吊入,兩個端頭井內的框架柱必須在盾構平移結束后方可澆筑。本文以左端頭井為例,分析其在盾構平移時和正常使用時的受力工況。

圖2 盾構平移時端頭井頂板平面圖

圖3 盾構平移時端頭井縱剖面圖

盾構平移時,端頭井頂板、中板右線處留置11.5 m×7.5 m的吊裝孔,頂板上無覆土,端頭井內無框架柱,端頭井的頂、中、底縱梁為單跨梁受力體系,盾構機從左線到達端頭井后,平移至右線吊出,平面圖見圖2,縱剖面圖見圖3。

正常使用時,端頭井的框架柱澆注完成,吊裝孔封閉,頂部上覆土,端頭井的頂、中、底縱梁為兩跨梁受力體系,平面圖見圖4,縱剖面圖見圖5。

圖4 正常使用時端頭井頂板平面圖

圖5 正常使用時端頭井縱剖面圖

2 工程地質條件

根據勘察地質報告[3],本站擬建場地土層的物理力學參數見表1。

表1 巖土層物理力學參數

盾構平移時的框架彎矩圖見圖10,正常使用時的框架彎矩圖見圖11。

二是建立健全信用評價和懲戒機制。建立信用評價和懲戒機制，對企業和個人進行評分評級，實行差別化管理，鼓勵良好行為，懲罰不良行為，并在社會上公布，倒逼企業和從業人員自覺履行職責。

站址地下水類型為潛水、微承壓水。潛水主要賦存于①1雜填土中,穩定水位埋深在1.20 m。微承壓水主要賦存于④2層砂質粉土層中,富水性較好。穩定水位埋深在1.25～1.41 m之間。

中國人的消費水平有豪華型、富裕型、一般型、困難型、貧困型五個層次，其中后三種為平民消費，因此,在設計夜游項目時,要考慮到消費層次的多樣化，既要有高端夜游產品,如音樂會、講座、沙龍等，也要有適合平民消費的旅游產品,如廣場休閑、商業街購物等。如今,夜游活動趨向大眾化，不同年齡階段的人群均參與夜間旅游，考慮到不同年齡消費群體的不同特征，夜間旅游活動既要有適宜年輕人群消費的KTV、酒吧、健身所等時尚場所，又要有適合中老年人群的公園、河湖等較為寧靜的場所。總之，在夜游產品的設計上應有動有靜、有高端有低端，以滿足消費群體的多樣化需求。

4.2 建議 1）充分利用標準舞和拉丁舞對大學生鍛煉效果的差異性，應均等分配課時和鍛煉要求，利于學生的綜合全面發展。

3 基于盾構平移吊出的端頭井計算分析

3.1 計算模型

根據工程所處的地質條件,同時借鑒同類工程經驗,本站基坑圍護采用地下連續墻,墻體的結合方式為復合式構造。結構使用階段計算模型采用目前我國廣泛采用的荷載-結構模型[4-5]。

本文采用有限元分析軟件“Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2009”對端頭井進行空間三維計算。

本站端頭井內部結構構件較多,除一側外接附屬結構外,中板設置較多設備孔洞,而且端頭井內框架柱在施工過程中需要后澆,受力體系轉換較為復雜,精確地建立模型進行計算分析是不容易實現的,因此計算模型應對實際結構作出適當的簡化。

考慮到車站標準段結構與端頭盾構井結構之間的影響,計算模型為端頭井結構和一跨標準段結構。計算模型根據框架結構尺寸按中心線確定,底板支撐在彈性地基上。空間模型以車站縱向為X軸,車站橫向為Y軸,車站豎向為Z軸,坐標軸方向滿足右手準則。有限元模型中板、墻結構采用殼單元進行模擬,梁、柱結構采用梁單元進行模擬。位置相同的板、墻、梁、柱節點視為同一節點來反映結構的共同作用變形。計算模型主要采取四邊形單元和三角形單元,共劃分為2 717個有限單元和2 718個節點。

有限元邊界條件簡化如下:1)X方向,標準段結構邊界處施加水平向位移約束,端墻上施加水平向土彈簧。2)Y方向,施工期兩邊側墻上施加水平向土彈簧,使用期車站主體與附屬相接處施加水平向位移約束。3)Z方向,結構底板支撐在彈性地基上,施加僅能承受壓力地基土彈簧。

第一，施工主要設備及人員配置。超前探水1#鉆孔屬于取芯鉆孔，采用GX-1T回轉鉆機全孔取芯鉆進；2#、3#、4#鉆孔屬于一般探水鉆孔，采用MGJ30型潛孔沖擊鉆機沖擊鉆進。實行兩班制24小時作業。其施工主要設備及人員配備見表1、2。

3.2 計算荷載

width—An example of Lijin hydrologic station of the Yellow River

在結構的施工期和使用期,主要荷載如下：

1)結構自重SG1K：混凝土重度均取25kN/m3；

2)覆土壓力SG2K：頂板以上全部土柱重量作為垂直荷載；

盾構平移時,盡管頂板、中板吊裝孔周邊設置水平向框架梁,但是框架梁對端墻的支撐作用遠小于板對端墻的支撐作用,端墻水平向彎矩在留有吊裝孔一側頂板、中板處計算結果為正彎矩,因此端墻水平向配筋時須考慮端墻在頂板、中板附近的正彎矩。

7)施工荷載SQ2K：頂板、中板施工荷載均按10kPa計算。

5)設備區荷載SG5K：按8kPa設計；

歡呼聲中，剛剛還在欣賞黃花的一名小戰士，把連長栽在鋼盔里的黃花拿出來，在陣地前挖了一個小坑，把這朵小黃花重新栽了進去。

Sd2=SS1K+SS2K+SS3K+SS4K+SS5K+SQ1K

4)水土側壓力SG4K：黏性土地層的側向水、土壓力,在施工階段采用水土合算,使用階段采用水土分算。砂性土地層的側向水、土壓力無論施工階段還是使用階段均采用水土分算；

3.3 計算工況

在車站端頭井段施工全過程中,對設計、施工來說,最為關心的是拆除全部支撐后,車站圍護結構、內襯及樓板位置的上、下水平框架梁在施工過程中的受力、變形情況[6],所以本文端頭井計算施工期主要考慮盾構平移吊出時工況。車站端頭井從盾構平移吊出到盾構施工完畢吊裝孔封堵、頂部覆土,整個施工過程,結構剛度和外部荷載均有變化,根據文獻[7],該受力過程的某些階段為非線性問題,解決非線性受力繼承性問題的有力手段是采用增量法進行計算。考慮到采用增量法計算時三維空間計算結果疊加不太方便,本文對端頭井結構在施工期兩種工況下的荷載進行計算時,除框架縱梁位移撓度采用增量法之外,其余內力計算仍采用總量法。

正常使用期,側土壓力經過長時間調整后達到最大值(通常取靜止土壓力),水壓力亦按全水頭考慮,底板計入水反力。

盾構平移時的荷載組合為：

Sd2=SS1K+SS4K+SQ1K+SQ2K

從圖8、圖9可以看出,正常使用時,端墻豎向彎矩極值位置和盾構平移時相同,豎向最大負彎矩My為1 333.52 kN·m,豎向最大正彎矩My為749.50 kN·m；端墻水平向最大負彎矩Mz為702.96 kN·m,位于端墻與側墻板交接處；端墻豎向最大正彎矩Mz為206.33 kN·m,位于兩個開孔的中間位置。

近年來，隨著我國社會經濟的迅速發展，我國建筑工程項目數量日益增加，而工程測量是保證建筑工程項目正常進行的前提。傳統的工程測量必須要花費很多時間、人力和物力，并且不能確保測量精準度。地面三維激光掃描技術具有高效率、高精準度等優點，將其在工程測量中應用，能夠明顯提升工程測量精準度。

正常使用時的荷載組合為：

6)地面超載SQ1K：施工階段端頭井區域地面超載按30kPa計算,其余情況下地面超載均按20kPa計算；

3.4 計算結果及分析

限于篇幅,本文僅對端頭井結構重要構件在荷載標準組合下的計算結果進行分析。

3.4.1 端墻內力計算結果及分析

傳統的線性編輯方法無法滿足現代影視創作的基本需求，非線性編輯制作技術能夠通過計算機軟件編輯整理素材，具有更高的準確性，同時通過實時的回放畫面，極大降低了失誤率。該技術能夠在短時間內完成剪切工作，相對于手工剪輯，節省了排序時間，更加節約人力和物力，提高了后期制作效率。

盾構平移時的端墻彎矩圖見圖6、圖7,正常使用時的端墻彎矩圖見圖8、圖9。

圖6 盾構平移時的端墻My彎矩圖(kN·m)

圖7 盾構平移時的端墻Mz彎矩圖(kN·m)

圖8 正常使用時的端墻My彎矩圖(kN·m)

圖9 正常使用的端墻Mz彎矩圖(kN·m)

從圖6、圖7可以看出,盾構平移時,由于施工階段頂、中板盾構吊裝孔的留設,減弱了板對端墻的支撐作用,端墻產生的彎矩較大。端墻豎向最大負彎矩My為1 269.11 kN·m,位于端墻開孔下方,端墻與底板交接處；端墻豎向最大正彎矩My為907.66 kN·m,位于兩個開孔的中間位置；端墻水平向最大負彎矩Mz為1 070.40 kN·m,位于盾構吊裝孔的下方,端墻與側墻板交接處；端墻豎向最大正彎矩Mz為691.15 kN·m,位于盾構吊裝孔的下方,端墻開孔的上方。

數據采集設備為數據采集卡和電阻應變儀。通過在電腦上安裝以太網數據采集程序，同步存儲試驗中獲得的力和位移的電壓值。由于數據采集卡和電阻應變儀采集的均為電壓值，所以在進行彎曲試驗前，先要對負載傳感器和微型激光傳感器進行標定。測得力的電壓值與力的線性關系，以及位移電壓值與位移的線性關系。在計算彎曲應力時，需要將力和位移的電壓值按試驗前標定的公式進行轉換，轉換成三點彎曲強度的力值和位移值。數據采集設備如圖6所示。

由于在低效率地使用農機、化肥、農藥、農膜等農用生產資料的過程中，會產生大量的二氧化碳、甲烷和氧化亞氮等溫室氣體，從而使農業碳源量得以增加，違背低碳農業發展的原則。所以，提高上述農用生產資料的使用效率，就成為后期黑龍江墾區低碳農業發展的關鍵。就表2分析，可以看出從2002-2010年末，4種碳源農用資料投入量總體都呈現出逐步增長的態勢。

對比施工期和使用期工況,端墻豎向的內力彎矩值大小基本一樣。正常使用時,端墻水平向的負彎矩比施工時減少了34%,水平向正彎矩比施工時減少了70%,所以端墻的配筋計算主要是由施工期的工況控制的。

施工期端墻承受雙向彎矩,并且雙向的正負彎矩相差不大,因此端墻應按雙向板進行配筋。

3)水浮力SG3K：抗浮設防水位取地表；

3.4.2 縱梁框架內力計算結果及分析

(7)畸形攀比。寄宿生盲目攀比，特別是部分孩子家境條件較差，愛與同學比較，又總覺得自己底氣不足，于是怨天尤人，不思進取。

車站底板所在的土層主要為⑥1層黏土。

圖10 盾構平移時的框架彎矩圖(kN·m)

圖11 正常使用時的框架彎矩圖(kN·m)

由圖10、圖11可以看出,盾構平移吊出時,中縱梁跨中彎矩最大為1 081.83 kN·m。正常使用時,中縱梁跨中彎矩最大為449.99 kN·m。兩種工況下的端頭井縱梁彎矩值見表2。

由表2可以看出,由于頂板覆土及地面超載的作用,正常使用時的頂縱梁和底縱梁彎矩值均比施工期偏大。由于施做了端頭井內的框架柱,使用期中縱梁的彎矩值比施工期偏小, 中縱梁支座彎矩和跨中彎矩分別減小了64%和52%。綜上所述,中縱梁的配筋由盾構平移吊出時的施工過程控制。

萬姐突然拉住我的手說：“傻瓜，不是你心里想要這個孩子，誰能逼你把他生下來。工作沒了可以再找，孩子不要了，就是條命呢。”

表2 端頭井縱梁彎矩標準值

3.4.3 縱梁框架撓度計算結果及分析

結構采用總量法計算的縱梁撓度值見圖12和圖13,結構在盾構吊出后采用增量法計算的縱梁撓度值見圖14。

圖12 盾構平移時的縱梁撓度圖/mm

圖13 正常使用時的縱梁撓度圖/mm

圖14 盾構吊出后的縱梁增量撓度圖/mm

由圖12、圖13可知,盾構平移時,不考慮頂板覆土,縱向框架梁的最大位移變形發生在中縱梁處,最大位移為10.0 mm；正常使用時,考慮頂板覆土及地面超載作用,縱向框架梁的最大位移變形發生在頂縱梁處,最大位移為15.0 mm。兩種工況下的最大位移均滿足受彎構件的撓度限值(l0/400)[8]。

由圖14可知,盾構吊出后,端頭井頂縱梁在中立柱的位置撓度增量為7.4 mm,中縱梁的撓度增量為5.7 mm, 底縱梁的撓度增量最大為3.6 mm。由此說明,頂板覆土和地面超載作用對頂縱梁位移變化影響相對較大,而對中縱梁和底縱梁位移的影響相對較小。中縱梁的位移主要發生在盾構平移吊出施工過程中。縱梁在端頭井中立柱處的撓度增量和上一階段撓度疊加后的結果見表3。

公民意識覺醒后，公眾的表達欲望亦被喚醒，作為非虛構寫作的個人史因其門檻低，成為行使表達權的首選。可以預見，隨著公民意識的普遍覺醒，還會孵化出更多的非虛構作品，個人史寫作僅僅發軔。

表3 縱梁在端頭井中立柱處的撓度值

由表2可以看出,盾構吊出后,底縱梁的撓度值采用增量法和總量法的計算結果幾乎一致,但是頂縱梁和中縱梁的撓度值均是采用增量法比采用總量法計算結果偏大,頂縱梁撓度結果增量法比總量法增加了8%,中縱梁撓度結果增量法比總量法增加了24%。由此可以得出,對于非線性問題,采用增量法更能反映施工過程中受力及位移的繼承,對計算結果也有一定的準確性。

4 結 語

1)端頭井空間效應比較明顯,端頭井內的端墻和側墻均承受雙向彎矩,并且雙向的正負彎矩相差不大,因此端墻和側墻均應按雙向板進行配筋。

2)施工過程中,結構側向的水土壓力通過端墻傳遞到框架縱梁上,由于中縱梁承受的荷載范圍較大,加上盾構平移吊出時端頭井內的框架柱未澆筑,所以中縱梁在盾構平移吊出時產生的內力和位移均達到最大值。

3)在施工過程中,基于盾構平移的車站端頭井內框架柱后澆,縱梁跨度較大,整個過程中產生的變形撓度是逐步累積的。

4)盾構平移吊出后,施做后澆柱,后澆柱采用微膨脹混凝土,只能對框架梁已經產生的撓度變形進行有限的制約,并不能消除或減小撓度。

5)為了避免中縱梁撓度過大而影響盾構平移和結構正常使用,應在設計過程和施工過程中采取相應的控制措施。例如設計時考慮增大中縱梁的剛度,施工時限制頂板和中板的施工機具超載等。

6)基于盾構平移的端頭井端墻、側墻和中縱梁內力彎矩值主要是由施工期工況控制的,其余結構內力采用值應取施工期和使用期的包絡,因此，端頭井計算是一個相對比較復雜的過程,計算時要綜合考慮。

[1] 上海市建設管理委員會.DGJ 08—109—2004城市軌道交通設計規范[S].上海：上海市建筑建材業市場管理總站,2003．

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[3] 江蘇中設工程咨詢集團有限公司.無錫地鐵3號線一期工程(01標)巖土工程勘察報告(初步勘察階段)[R].無錫：江蘇中設工程咨詢集團有限公司，,2013.

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Calculation Analysis on the End Well of Subway Station Based on Shield Translation Lifting

BANZiyuan

2016-09-28

班自愿(1982—),男，河南扶溝人，工程師，從事地下結構設計與研究工作。

U231+.4

B

1008-3707(2017)01-0015-06