鋼管頂進過程中反力結構變形及受力的模擬研究

夏云朋 劉 恒 張效銘 肖俊航 徐 行 張超哲

(1.中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000； 2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

鋼管頂進過程中反力結構變形及受力的模擬研究

夏云朋1劉 恒2張效銘1肖俊航2徐 行2張超哲2

(1.中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000； 2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

以沈陽地鐵某車站為工程背景，利用FLAC3D建立鋼管頂進過程的數值模型，對鋼管頂進過程中提供反力的結構進行分析。結果表明：鋼管頂進過程中，提供反力的結構最大水平方向位移0.42 mm，且位移影響范圍很小，混凝土受力均在允許范圍內，滿足頂管施工要求。

頂管，結構應力，地鐵車站，變形

隨著國家經濟的發展，大量人口涌入城市，導致城市交通擁擠。而修建地鐵是改善城市交通擁堵的有效途徑之一，當前修建方法一般為明挖法、蓋挖法及暗挖法[1,2]。但在一些地質復雜和風險源較多的地段，傳統的修建方法不能滿足施工需要。隨后，一種STS管幕支護體系用來修建地鐵暗挖車站被提出，此工法具有不中斷地面交通、有效控制地表沉降、縮短施工工期以及增加施工安全性等優點[3]。

STS管幕工法是在傳統管幕工法的基礎上，在相鄰兩管之間增加橫向連接的一種新型暗挖工法[4,5]，該工法的基礎是鋼管施工，頂進過程中頂力的反力則需作用在傳力結構上。沈陽市地鐵十號線某車站采用此工法修建暗挖段，在明挖結構搭建平臺并設置提供反力的背梁，將反力作用到圍護樁和其他主體結構上。當鋼管頂進過程中，所需定推力較大，其反力是否對明挖結構的主體造成影響尚不確定。本文結合此地鐵車站，運用FLAC3D建立有限元模型，鋼管頂進過程中對明挖主體結構的影響進行分析，得到鋼管頂進過程中傳力設備的受力特點、變形和應力大小，進而指導施工。

1 工程背景

該車站主體結構總長225.95 m，結構頂板覆土厚度約為3.7 m～4.0 m，底板埋深約17.4 m。車站采用北端蓋挖、南端明挖、中間暗挖法施工，其中暗挖段長42.90 m、蓋挖段長68.65、明挖段長114.40 m，蓋挖支護結構采用鉆孔灌注樁+內支撐+軍用梁鋪蓋體系，暗挖段采用新型管幕初期支護體系(STS管幕工法)。

2 有限元模型的建立

同一層土體為均質、各向同性體，并將土體簡化為理想彈塑性體，計算中采用M-C破壞準則，采用實體單元模擬；圍護結構按彈性材料考慮，頂管機后座附近采用實體單元模擬，其余根據剛度等效的原則采用地下連墻模擬，具體參數見表1。

表1 材料參數

該模型側面和底面采用位移邊界條件，模型四周采用法向約束，模型底面采用豎向約束。模型X方向長度80 m，Y方向長度120 m，模型豎向取60 m。有限元模型見圖1。

3 結果分析

3.1 管頂進位移分析

由圖2,圖3可知，鋼管頂進過程中，由于支座受到千斤頂的反力的作用會發生移動，二襯結構、后背梁及上部圍護混凝土墻受到擠壓變形，中跨和邊跨在X方向最大位移均為0.42 mm左右，說明頂管施工對結構位移影響很小。

3.2 鋼管頂進應力分析

內襯結構材料是C40混凝土，后背梁是C30混凝土。在第一主應力條件下，管頂進施工后內襯結構最大拉應力為1.67 MPa，見圖4，應力集中區域主要分布在中跨頂縱梁底部，主要由重力荷載引起。中跨頂管施工減小了頂縱梁底部拉應力。C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MPa>1.67 MPa，所以二襯結構不會拉破壞。后背梁，圍護墻采用C30混凝土，抗拉強度設計值1.43 MPa。后背梁、墻最大拉應力小于1.0 MPa，滿足要求，不會發生拉破壞，見圖4。在第三主應力條件下，結構最大受壓應力為5.20 MPa，遠小于混凝土的抗壓強度，所以結構不會受壓破壞，見圖5。

4 結語

本文運用FLAC3D建立有限元模型，對鋼管頂進過程中對明挖主體結構的影響進行分析，得出以下結論：

1)鋼管頂進過程中，承受反力的結構在X方向上最大位移是0.42 mm左右，且最大區域均為位于頂管機后座小范圍內，所以鋼管頂進對結構、樁體位移影響很小。

2)鋼管頂進過程中，明挖段的二襯結構、后背梁及圍護墻整體承擔頂管機的后座反力，二襯最大拉應力主要是由于豎向荷載引起，小于混凝土的抗拉強度設計值，甚至減小了頂縱梁底部的拉應力。并且后背梁和維護墻體最大拉應力和壓應力均小于C30混凝土的抗拉/壓強度設計值，滿足頂管施工要求，安全系數較高。

[1] 梁寧慧,劉新榮,曹學山,等.中國城市地鐵建設的現狀和發展戰略[J].重慶建筑大學學報，2008，30(6)：81-85.

[2] 洪開榮.我國隧道及地下工程近兩年的發展與展望[J].隧道建設，2017，37(2)：123-134.

[3] 趙 文,賈鵬蛟,李慎剛,等.砂土層帶翼緣板鋼管頂進現場試驗研究[J].現代隧道技術，2016，53(6)：219-226.

[4] 趙 文,賈鵬蛟,王連廣,等.地鐵車站STS新管幕構件抗彎承載力試驗研究[J].工程力學，2016，33(8):167-176.

[5] 關永平.地鐵暗挖車站STS管幕支護結構的力學性能研究[D].沈陽：東北大學，2015.

Numericalsimulationstudyondeformationandforceofreactionstructureinpipejackingprocess

XiaYunpeng1LiuHeng2ZhangXiaoming1XiaoJunhang2XuHang2ZhangChaozhe2

(1.TheFiveEngineeringCo.,Ltd.ofCTCEGroup,Jiujiang332000,China;2.CollegeofResourceandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)

The model of pipe jacking based on subway station is established using FLAC3Dto analysis the deformation and force of reaction structure. The results indicate that the maximum horizontal displacement of structure provided counterforce is 0.42 mm, and the range of displacement is very small, force is within the allowable range on concrete, it meets construction requirements.

pipe jacking, structural stress, subway station, deformation

1009-6825(2017)23-0048-02

2017-06-04

夏云朋(1986- )，男，工程師

TU761.4

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