地鐵車站端頭井盾構平移的結構處理措施及有限元計算

王 月 輝

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

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地鐵車站端頭井盾構平移的結構處理措施及有限元計算

王 月 輝

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

以上海某車站一個端頭井為例，結合其工程概況，選取了一個經濟合理的方案，建立了有限元三維模型，并進行了計算分析，結果表明：計算結果從理論上較符合實際情況，并能滿足工程要求，可以作為設計計算依據。

端頭井，盾構井，有限元模型，混凝土強度

目前國內在地鐵車站設計及建設中，涉及專業廣，周邊控制因素多，經常由于交通導改、管線改遷及工程籌劃等原因，導致盾構需要在端頭井內平移以滿足現場施工需要。針對此情況，不同結構形式、不同地質條件、不同施工方案處理方式不盡相同，并無統一固定模式。較為常見的做法是中柱后澆、底板梁后澆或下翻，以便于盾構平移，盾構平移操作完畢后，施工剩余結構。另有設置臨時構件，保證盾構平移施工，盾構平移操作完成后施工永久結構，拆除臨時結構等其他做法。

1 工程概況

本文以上海某地下2層單柱雙跨地下車站一個端頭井為例進行分析。本站位于交叉路口，沿東西向位于道路下方，設計之初，盾構井上下行線均為接收井吊出盾構，故端頭井頂板及中板均預留兩個盾構孔，中間設置縱梁，跨中設柱，為常規端頭井設置。端頭井地面覆土厚度約2.5 m。結構布置見圖1，圖2。

車站主體主要部分所處地層為軟土，地下水位位于地面下0.5 m。土層詳細參數見表1。

表1 土層參數表

后期由于外部交通及管線改遷工期原因限制，需要將東端頭井其中一個盾構孔提前封閉并恢復交通及管線，用于緩解現狀交通。并且要求封閉的端頭井側面等邊界邊要設置擋土墻，并回填土。鑒于此條件，需要提出更為經濟合理、安全可靠、切實可行的辦法來解決問題。

2 結構方案

鑒于以上既有工程條件，確定基本前提為：底板梁后澆；盾構施工期間單側盾構孔封閉；確保盾構平移時操作空間，封閉盾構孔頂板上覆土恢復交通。在此前提下，初步選擇了兩套有實施可能的方案進行比較。

方案一：在保證盾構操作空間的前提下，加設臨時鋼柱，待盾構平移完成后拆除。

方案二：立柱及底板梁后澆，結構柱后澆，通過增大頂板及中板梁尺寸增大梁承載力，盾構施工完成后澆筑剩余結構。

考慮盾構施工空間要求、中柱施工期間暫緩澆筑帶來的大跨問題、臨時結構的可靠性問題等因素，綜合比較后按照方案二進行設計。

按照方案二的前提條件，確定采用的基本結構措施為：

施工階段：底板梁后澆；盾構施工期間單側盾構孔封閉；端頭井頂板梁、中板梁在施工階段中柱未澆筑時按照單跨梁計算；底板保留泄水孔，避免出現底板浮力，底板作為一塊大板考慮。按照實際工況計算求得內力包絡圖，確定配筋等設計參數。

使用階段：按照完成后的結構體系及構件尺寸重新計算各工況內力，按照使用階段組合確定內力包絡圖。確定配筋等設計參數。

綜合考慮兩種狀態下的設計結果，采用包絡設計原則，保證設計滿足所有條件。并預留后期施工所需預埋、連接等措施。

3 有限元模型及計算

3.1 力學模型

本工程采用結構荷載模型計算。建立結構模型，將水土作用按照荷載考慮。計算模型見圖3。

本工程混凝土強度為C35，彈性模量3E10 N/m2，泊松比0.17，重度25 kN/m3；覆土厚度為2.5 m，土重度取20 kN/m3；地面超載取20 kN/m3。

1)結構。建立三層梁板體系三維模型、建立端頭井與標準段連接處結構柱、不再建立端墻、側墻等構件，但建立結構柱，中板及頂板開孔，開孔尺寸為11.4 m×7.2 m。各層板均采用Shell單元，梁、柱均采用梁單元(Beam188)。與標準段連接處，梁板模型建至1/3跨處。

原結構尺寸如下：頂板梁1 000 mm×2 000 mm、中板梁700 mm×1 100 mm、底板梁暫不考慮、框柱600 mm×1 200 mm；頂板h=900 mm、中板h=400 mm、底板h=1 000 mm。頂板覆土2.5 m、底板埋深17.3 m。

根據初步估算，擬定施工階段結構尺寸如下：頂板梁1 000×2 600、中板梁700×900、底板梁1 000×1 000、框柱600×1 200；頂板h=900、中板h=400、底板h=1 000。

2)荷載。頂板荷載按照實際覆土、自重、超載施加；中板考慮自重及施工荷載，暫不施加設備荷載；底板考慮重力工況下的底板土反力，因設置泄水孔，結構尚未完成前不封堵泄水孔且保證水頭位于底板下，故不考慮浮力作用。

3)約束。按照保守設計原則，為保證各層板及梁跨中彎矩計算不致出現風險，三層板在側墻及端墻支座處均采用固定鉸支座，約束X，Y，Z三個方向位移，但釋放轉動約束。與標準段連接處，板邊緣X，Y，Z三個方向位移釋放。梁端均釋放轉動約束。

3.2 有限元建模

本案例主要通過命令流方式進行操作：

1)定義混凝土材料屬性及梁、柱、板單元屬性。2)按照實際尺寸及空間位置建立梁、板、柱空間模型。3)按照計算的實際荷載，在面上施加荷載，自重荷載通過重力加速度施加。4)按照前述原則施加約束及邊界條件。5)劃分單元，梁、板、柱單元均采用尺寸均為0.5 m。6)求解并提取各單元內力數據，并設置輸出形式，生成圖形等結果文件。

4 結果分析

4.1 梁板內力

計算完成后提取各構件各項內力數據，本文僅列出起控制作用的重要彎矩數據。

從彎矩云圖能夠較直觀的看出彎矩分布(見圖4)，基本符合理論規律，為方便更直觀分析數據，故將關鍵彎矩數值進行列表對比如表2所示。

表2 關鍵構件內力表 kN·m，kN

4.2 結果分析

在有限元數據處理過程中，由于應力集中效應，局部角部會出現較大內力，在選取板彎矩時根據實際情況，并不能按照最大值選取，而是排除局部應力集中效應的影響，選取較為合理的數值，切合工程實際應用。

從有限元析結果分析，各構件內力值范圍合理，根據此內力通過配筋計算，能夠滿足工程設計要求，說明本方案體系合理，構件尺寸估算準確。

相較于選取橫剖面進行的單向板計算，本模型計算的雙向板效應明顯，較為合理。

頂板及中板受力情況類似，底板受力不同。由于梁后澆原因，底板彎矩較大，雖然通過增大配筋能夠滿足要求，但配筋率較高。

本計算實際考慮了頂板及中板縱梁在施工階段的抗扭，并施加了覆土不均勻產生的扭矩，經計算梁能夠滿足抗扭要求。

5 結語

1)本計算通過理論分析及后期工程實際應用，證明此方案完全可行且安全可靠，可以作為一種解決此類情況的方法。

2)此方法計算了板和梁跨中最大彎矩，而邊支座處設為鉸，故跨中計算結果相較實際情況更為保守，并有足夠安全余量。

3)本算法具有一定通用性，故編制了用于計算的命令流，通過參數的變化可以迅速實現不同尺寸及荷載形式的其他類似工程計算。

[1] 劉健航，候學淵.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1993.

[2] 李廣信，張丙印,于玉貞,等.土力學[M].北京：清華大學出版社，2013.

[3] 常士驃.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2007.

On treatment for shield translation of end wells at subway stations and its finite element calculation

Wang Yuehui

(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignandResearchCorporation(Group)Co.,Ltd,Shanghai200092,China)

Taking some end well of some station in Shanghai as the example, the paper selects the economic and reasonable scheme by combining with its engineering survey, establishes the finite element three-dimension model, undertakes the calculation and analysis, and proves by the result that the calculation result is consistent with the fact, so it meets the engineering demands and can be treated and the reference for design and calculation.

end well, shield well, finite element model, concrete strength

1009-6825(2017)15-0159-02

2017-03-01

王月輝(1982- )，男，碩士，工程師

U455.43

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