鋼管頂進(jìn)順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懛治?/h1>
2017-11-15 00:35:17張效銘夏云朋盧彥軍匡代恩
山西建筑 2017年28期 關(guān)鍵詞：施工
張效銘 夏云朋 盧彥軍 匡代恩
(中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000)
鋼管頂進(jìn)順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懛治?/p>
張效銘 夏云朋 盧彥軍 匡代恩
(中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000)
新管幕結(jié)合洞樁法在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用修建地鐵暗挖車(chē)站，缺少理論支撐和工程經(jīng)驗(yàn)。以沈陽(yáng)地鐵某工程為工程背景，建立有限元模型，研究頂管順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懀瑸楹罄m(xù)施工提供工程經(jīng)驗(yàn)。
鋼管頂進(jìn)順序，地表沉降，數(shù)值模擬，F(xiàn)LAC3D
0 引言
隨著城市擁堵現(xiàn)象的加劇，修建地鐵是疏通城市交通的主要方法。但城市建筑物密集，地下管道、管線(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜。然而開(kāi)挖地下空間不可避免會(huì)引起土體位移，嚴(yán)重的甚至?xí)鸬乇硭荩斐晒こ淌鹿省Ｋ栽谝恍┑刭|(zhì)復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)源較多的地段，需要采用更加安全的施工方法。
STS工法(Steel Tube Slab)是一種用于修建地鐵暗挖車(chē)站的新型支護(hù)體系。該工法采用頂管施工方法，將單管頂入土體后連接形成管幕，管幕形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，在管幕的支護(hù)下開(kāi)挖土體，形成主體結(jié)構(gòu)[1]。
本文以沈陽(yáng)地鐵某工程為工程背景，并且在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用新管幕結(jié)合洞樁法施工，缺少理論支撐和工程經(jīng)驗(yàn)，加之頂管施工是此工法的關(guān)鍵一步。本文建立有限元模型，研究頂管順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懀瑸楹罄m(xù)施工提供工程經(jīng)驗(yàn)。
1 有限元數(shù)值模型
本節(jié)建立的模型中，結(jié)合奧體中心站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，初步將頂管的覆土厚度設(shè)為2.5 m。頂管設(shè)為殼體單元，管徑設(shè)定為900 mm，長(zhǎng)度為12 m，厚度為22 mm。模型土體選取摩爾庫(kù)侖本構(gòu)模型，土體和鋼管計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，表2。
表1 土體計(jì)算參數(shù)
表2 管體計(jì)算參數(shù)
2 鋼管頂進(jìn)順序分析
管幕的施工中，頂管的頂進(jìn)可以有不同的順序，可以從一側(cè)頂進(jìn)，也可以從中間向兩側(cè)頂進(jìn)，同時(shí)也可以跳頂。本節(jié)頂管的頂進(jìn)順序模擬，結(jié)合實(shí)際情況，選擇了兩種不同的方式，一是從左往右頂，另一種是從中間往兩側(cè)頂。工況一為頂管從一側(cè)頂，工況二為頂管從中間往兩側(cè)頂進(jìn)。鋼管頂進(jìn)順序土體尺寸采用10 m×8 m×12 m，鋼管間凈距10 cm，其余土體參數(shù)和鋼管參數(shù)均和核心土模型保持一致。
2.1工況一：從一側(cè)頂
由圖1可知，六根頂管已經(jīng)全部頂入土體之中，此時(shí)在第二根到第五根頂管上方沉降較為明顯。頂管下部有隆起現(xiàn)象，說(shuō)明頂管下部土體在頂管的頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了土體卸載回彈，導(dǎo)致了土體在一定程度上的隆起，但是從總體上來(lái)看，地表發(fā)生了沉降，見(jiàn)圖1。
頂管從一側(cè)結(jié)束后，頂管下部土體在頂管頂進(jìn)的作用下卸載，土體回彈，發(fā)生隆起，隆起值在0.5 mm～1 mm之間。且距離頂管頂進(jìn)位置越遠(yuǎn)，土體回彈值越小，這同時(shí)也說(shuō)明了頂管的頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)土體的擾動(dòng)有一定的范圍。對(duì)于地表變形而言，從圖2可以看出，地表最大隆起值在2.2 mm左右，不同斷面隨著頂距的不斷增大，最終都趨于統(tǒng)一的沉降值，見(jiàn)圖2。
由圖3可知，在距始發(fā)位置2d斷面的整體沉降中，隨著頂進(jìn)根數(shù)的增大，擾動(dòng)區(qū)范圍不斷沿著頂進(jìn)的方向向前有序緩慢推進(jìn)。頂進(jìn)第一根頂管時(shí)，沉降槽的最低端位置在X軸原點(diǎn)位置，沉降最大值約為0.4 mm；頂進(jìn)第二根時(shí)沉降槽向頂進(jìn)方向偏移，最低端在X=-1 m～0 m之間，最大沉降值約為0.7 mm；頂進(jìn)第三根頂管時(shí)，最大沉降為1.3 mm，沉降槽最低端出現(xiàn)在X=-1 m左右，此時(shí)沉降的差值比第二根頂管頂進(jìn)時(shí)差別要大50%；當(dāng)?shù)谒母敼茼斶M(jìn)時(shí)，沉降槽的最低端出現(xiàn)在X=-2 m～-1 m處，此時(shí)沉降值在1.5 mm，沉降差值較小；當(dāng)?shù)谖甯敼茼斶M(jìn)結(jié)束后，沉降值達(dá)到1.8 mm；當(dāng)頂管全部頂進(jìn)結(jié)束后，沉降槽位置出現(xiàn)在X=-2.25 m處，此時(shí)最大沉降為2.2 mm。從以上分析中可以看出，在頂進(jìn)第四根頂管之后，每頂進(jìn)一次的沉降差值較為穩(wěn)定，均在0.3 mm左右，說(shuō)明在頂管頂進(jìn)到第三根之后，一側(cè)的土體已經(jīng)被擾動(dòng)，再頂進(jìn)后續(xù)管節(jié)后，因土體擾動(dòng)引起的地表沉降已經(jīng)較為穩(wěn)定。沉降槽位置的變化見(jiàn)表3。
2.2工況二：從中間往兩側(cè)頂
表3 沉降槽位置變化表
頂進(jìn)管節(jié)地表沉降值/mm沉降槽位置/m10．4X=020．7X=-0．831．3X=-141．5X=-1．851．8X=-2．162．2X=-2．45
從中間往兩側(cè)頂入頂管可以減少工期，該工況有利于導(dǎo)向管精度的控制，也有利于鎖扣之間的連接。從工況二整體頂進(jìn)結(jié)束后的位移云圖來(lái)看，地表沉降同樣是在第二根和第五根之間出現(xiàn)最大值，頂管下部土體出現(xiàn)了一定程度上的回彈。單從整體的沉降來(lái)看，并不能夠區(qū)分出工況一和工況二之間哪種工況更適合頂管的頂進(jìn)，見(jiàn)圖4。
工況二情況下，頂管從一側(cè)頂進(jìn)，土體整體Z軸唯一云圖與工況一相比，明顯不同，從一側(cè)頂進(jìn)對(duì)于土體的擾動(dòng)范圍更大，Z軸產(chǎn)生的沉降值亦相對(duì)較大。但是從管幕施工結(jié)束后，2d,6d,10d斷面的沉降圖基本和工況一類(lèi)似，最大沉降在2.2 mm左右，見(jiàn)圖5。
工況二情況下，頂管的頂進(jìn)從中間頂管分別往兩側(cè)頂管進(jìn)行頂進(jìn)。2d斷面和6d斷面均能夠反映出沉降槽的變化特點(diǎn)，對(duì)比2d斷面和6d斷面的沉降槽曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)6d斷面的沉降槽曲線(xiàn)變化更為明顯，因此在接下來(lái)的分析中以6d斷面為例。第一根頂進(jìn)后，地面出現(xiàn)了微小的沉降，大約在0.3 mm，沉降槽位于X=-2 m；第二根頂管頂進(jìn)時(shí)，沉降槽往第二根頂進(jìn)的方向移動(dòng)，但是沉降槽的最低端并沒(méi)有在第二根頂管的正下方，而是在第一根頂管和第二根頂管軸線(xiàn)的中間位置；同樣，后續(xù)頂管頂進(jìn)都出現(xiàn)了這種趨勢(shì)，見(jiàn)圖6。
在6根頂管頂進(jìn)后，兩種施工工況所產(chǎn)生的地表最終沉降均為2 mm～3 mm。從圖6來(lái)看，沉降槽形狀類(lèi)似，沉降最大的位置位于管幕的中心地帶。單純對(duì)地表產(chǎn)生的影響來(lái)看，兩種工況差別不大。沉降值基本維持在2 mm～2.2 mm，從沉降槽曲線(xiàn)來(lái)看，從一側(cè)頂進(jìn)和從兩側(cè)往中間頂進(jìn)來(lái)看各種工況相類(lèi)似，未出現(xiàn)明顯異同。但是，地鐵建設(shè)是一個(gè)耗時(shí)長(zhǎng)、投資大的過(guò)程，管幕施工所耗的時(shí)間越少越好。因此，在考慮到工期和成本的情況下，優(yōu)先選用從中間往兩側(cè)頂進(jìn)的施工方法。
3 結(jié)語(yǔ)
本文依托沈陽(yáng)地鐵某工程，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)頂管順序進(jìn)行模擬分析，得到以下結(jié)論：
1)通過(guò)對(duì)兩種工況的模擬對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，工況一和工況二頂進(jìn)后的地表總體沉降基本一致，在2.3 mm左右，且從工期、成本等角度考慮，工況二方案較優(yōu)。
2)從工況一和工況二沉降曲線(xiàn)看出，不同頂進(jìn)順序的最大沉降基本在管幕結(jié)構(gòu)的中心處，頂進(jìn)順序?qū)Τ两底畲笾涤绊懖淮螅梢院雎圆挥?jì)。
[1] 趙 文.地鐵車(chē)站STS新管幕構(gòu)件抗彎承載力試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2016，33(8):167.
[2] 關(guān)永平.地鐵暗挖車(chē)站STS管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2015.
[3] 劉春玲,祁生文.FLAC3D分析某邊坡地震穩(wěn)定性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(16)：123-124.
[4] 皇甫明,孔 恒.核心土留設(shè)對(duì)隧道工作面穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(3)：81-83.
[5] 喬世范,孫 曉,劉寶琛.圓拱形斷面隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷰r土環(huán)境安全評(píng)價(jià)[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009,31(5)：12-14.
[6] 方從啟，孫 鈞.淺層頂管施工引起的土體移動(dòng)[J].巖土力學(xué),2000,21(3)：130-131.
Analysisofeffectjackingsequenceofsteelpipeongroundsettlement
ZhangXiaomingXiaYunpengLuYanjunKuangDaien
(TheFiveEngineeringCo.,Ltd.ofCTCEGroup,Jiujiang332000,China)
Combining steel tube slab with pile beam arch is applied to construct the buried excavation subway station, and lack of theoretical support and engineering experience. Based on the subway station in Shenyang, the model is established to study the effect jacking sequence of steel pipe on ground settlement, which provides the engineering experience for subsequent engineering projects.
jacking sequence of steel pipe, ground settlement, numerical simulation, FLAC3D
1009-6825(2017)28-0191-02
2017-07-23
張效銘(1989- )，男，助理工程師
TU921
A
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張效銘 夏云朋 盧彥軍 匡代恩
(中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000)
鋼管頂進(jìn)順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懛治?/p>
張效銘 夏云朋 盧彥軍 匡代恩
(中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000)
新管幕結(jié)合洞樁法在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用修建地鐵暗挖車(chē)站，缺少理論支撐和工程經(jīng)驗(yàn)。以沈陽(yáng)地鐵某工程為工程背景，建立有限元模型，研究頂管順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懀瑸楹罄m(xù)施工提供工程經(jīng)驗(yàn)。
鋼管頂進(jìn)順序，地表沉降，數(shù)值模擬，F(xiàn)LAC3D
0 引言
隨著城市擁堵現(xiàn)象的加劇，修建地鐵是疏通城市交通的主要方法。但城市建筑物密集，地下管道、管線(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜。然而開(kāi)挖地下空間不可避免會(huì)引起土體位移，嚴(yán)重的甚至?xí)鸬乇硭荩斐晒こ淌鹿省Ｋ栽谝恍┑刭|(zhì)復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)源較多的地段，需要采用更加安全的施工方法。
STS工法(Steel Tube Slab)是一種用于修建地鐵暗挖車(chē)站的新型支護(hù)體系。該工法采用頂管施工方法，將單管頂入土體后連接形成管幕，管幕形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，在管幕的支護(hù)下開(kāi)挖土體，形成主體結(jié)構(gòu)[1]。
本文以沈陽(yáng)地鐵某工程為工程背景，并且在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用新管幕結(jié)合洞樁法施工，缺少理論支撐和工程經(jīng)驗(yàn)，加之頂管施工是此工法的關(guān)鍵一步。本文建立有限元模型，研究頂管順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懀瑸楹罄m(xù)施工提供工程經(jīng)驗(yàn)。
1 有限元數(shù)值模型
本節(jié)建立的模型中，結(jié)合奧體中心站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，初步將頂管的覆土厚度設(shè)為2.5 m。頂管設(shè)為殼體單元，管徑設(shè)定為900 mm，長(zhǎng)度為12 m，厚度為22 mm。模型土體選取摩爾庫(kù)侖本構(gòu)模型，土體和鋼管計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，表2。
表1 土體計(jì)算參數(shù)
表2 管體計(jì)算參數(shù)
2 鋼管頂進(jìn)順序分析
管幕的施工中，頂管的頂進(jìn)可以有不同的順序，可以從一側(cè)頂進(jìn)，也可以從中間向兩側(cè)頂進(jìn)，同時(shí)也可以跳頂。本節(jié)頂管的頂進(jìn)順序模擬，結(jié)合實(shí)際情況，選擇了兩種不同的方式，一是從左往右頂，另一種是從中間往兩側(cè)頂。工況一為頂管從一側(cè)頂，工況二為頂管從中間往兩側(cè)頂進(jìn)。鋼管頂進(jìn)順序土體尺寸采用10 m×8 m×12 m，鋼管間凈距10 cm，其余土體參數(shù)和鋼管參數(shù)均和核心土模型保持一致。
2.1工況一：從一側(cè)頂
由圖1可知，六根頂管已經(jīng)全部頂入土體之中，此時(shí)在第二根到第五根頂管上方沉降較為明顯。頂管下部有隆起現(xiàn)象，說(shuō)明頂管下部土體在頂管的頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了土體卸載回彈，導(dǎo)致了土體在一定程度上的隆起，但是從總體上來(lái)看，地表發(fā)生了沉降，見(jiàn)圖1。
頂管從一側(cè)結(jié)束后，頂管下部土體在頂管頂進(jìn)的作用下卸載，土體回彈，發(fā)生隆起，隆起值在0.5 mm～1 mm之間。且距離頂管頂進(jìn)位置越遠(yuǎn)，土體回彈值越小，這同時(shí)也說(shuō)明了頂管的頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)土體的擾動(dòng)有一定的范圍。對(duì)于地表變形而言，從圖2可以看出，地表最大隆起值在2.2 mm左右，不同斷面隨著頂距的不斷增大，最終都趨于統(tǒng)一的沉降值，見(jiàn)圖2。
由圖3可知，在距始發(fā)位置2d斷面的整體沉降中，隨著頂進(jìn)根數(shù)的增大，擾動(dòng)區(qū)范圍不斷沿著頂進(jìn)的方向向前有序緩慢推進(jìn)。頂進(jìn)第一根頂管時(shí)，沉降槽的最低端位置在X軸原點(diǎn)位置，沉降最大值約為0.4 mm；頂進(jìn)第二根時(shí)沉降槽向頂進(jìn)方向偏移，最低端在X=-1 m～0 m之間，最大沉降值約為0.7 mm；頂進(jìn)第三根頂管時(shí)，最大沉降為1.3 mm，沉降槽最低端出現(xiàn)在X=-1 m左右，此時(shí)沉降的差值比第二根頂管頂進(jìn)時(shí)差別要大50%；當(dāng)?shù)谒母敼茼斶M(jìn)時(shí)，沉降槽的最低端出現(xiàn)在X=-2 m～-1 m處，此時(shí)沉降值在1.5 mm，沉降差值較小；當(dāng)?shù)谖甯敼茼斶M(jìn)結(jié)束后，沉降值達(dá)到1.8 mm；當(dāng)頂管全部頂進(jìn)結(jié)束后，沉降槽位置出現(xiàn)在X=-2.25 m處，此時(shí)最大沉降為2.2 mm。從以上分析中可以看出，在頂進(jìn)第四根頂管之后，每頂進(jìn)一次的沉降差值較為穩(wěn)定，均在0.3 mm左右，說(shuō)明在頂管頂進(jìn)到第三根之后，一側(cè)的土體已經(jīng)被擾動(dòng)，再頂進(jìn)后續(xù)管節(jié)后，因土體擾動(dòng)引起的地表沉降已經(jīng)較為穩(wěn)定。沉降槽位置的變化見(jiàn)表3。
2.2工況二：從中間往兩側(cè)頂
表3 沉降槽位置變化表
頂進(jìn)管節(jié)地表沉降值/mm沉降槽位置/m10．4X=020．7X=-0．831．3X=-141．5X=-1．851．8X=-2．162．2X=-2．45
從中間往兩側(cè)頂入頂管可以減少工期，該工況有利于導(dǎo)向管精度的控制，也有利于鎖扣之間的連接。從工況二整體頂進(jìn)結(jié)束后的位移云圖來(lái)看，地表沉降同樣是在第二根和第五根之間出現(xiàn)最大值，頂管下部土體出現(xiàn)了一定程度上的回彈。單從整體的沉降來(lái)看，并不能夠區(qū)分出工況一和工況二之間哪種工況更適合頂管的頂進(jìn)，見(jiàn)圖4。
工況二情況下，頂管從一側(cè)頂進(jìn)，土體整體Z軸唯一云圖與工況一相比，明顯不同，從一側(cè)頂進(jìn)對(duì)于土體的擾動(dòng)范圍更大，Z軸產(chǎn)生的沉降值亦相對(duì)較大。但是從管幕施工結(jié)束后，2d,6d,10d斷面的沉降圖基本和工況一類(lèi)似，最大沉降在2.2 mm左右，見(jiàn)圖5。
工況二情況下，頂管的頂進(jìn)從中間頂管分別往兩側(cè)頂管進(jìn)行頂進(jìn)。2d斷面和6d斷面均能夠反映出沉降槽的變化特點(diǎn)，對(duì)比2d斷面和6d斷面的沉降槽曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)6d斷面的沉降槽曲線(xiàn)變化更為明顯，因此在接下來(lái)的分析中以6d斷面為例。第一根頂進(jìn)后，地面出現(xiàn)了微小的沉降，大約在0.3 mm，沉降槽位于X=-2 m；第二根頂管頂進(jìn)時(shí)，沉降槽往第二根頂進(jìn)的方向移動(dòng)，但是沉降槽的最低端并沒(méi)有在第二根頂管的正下方，而是在第一根頂管和第二根頂管軸線(xiàn)的中間位置；同樣，后續(xù)頂管頂進(jìn)都出現(xiàn)了這種趨勢(shì)，見(jiàn)圖6。
在6根頂管頂進(jìn)后，兩種施工工況所產(chǎn)生的地表最終沉降均為2 mm～3 mm。從圖6來(lái)看，沉降槽形狀類(lèi)似，沉降最大的位置位于管幕的中心地帶。單純對(duì)地表產(chǎn)生的影響來(lái)看，兩種工況差別不大。沉降值基本維持在2 mm～2.2 mm，從沉降槽曲線(xiàn)來(lái)看，從一側(cè)頂進(jìn)和從兩側(cè)往中間頂進(jìn)來(lái)看各種工況相類(lèi)似，未出現(xiàn)明顯異同。但是，地鐵建設(shè)是一個(gè)耗時(shí)長(zhǎng)、投資大的過(guò)程，管幕施工所耗的時(shí)間越少越好。因此，在考慮到工期和成本的情況下，優(yōu)先選用從中間往兩側(cè)頂進(jìn)的施工方法。
3 結(jié)語(yǔ)
本文依托沈陽(yáng)地鐵某工程，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)頂管順序進(jìn)行模擬分析，得到以下結(jié)論：
1)通過(guò)對(duì)兩種工況的模擬對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，工況一和工況二頂進(jìn)后的地表總體沉降基本一致，在2.3 mm左右，且從工期、成本等角度考慮，工況二方案較優(yōu)。
2)從工況一和工況二沉降曲線(xiàn)看出，不同頂進(jìn)順序的最大沉降基本在管幕結(jié)構(gòu)的中心處，頂進(jìn)順序?qū)Τ两底畲笾涤绊懖淮螅梢院雎圆挥?jì)。
[1] 趙 文.地鐵車(chē)站STS新管幕構(gòu)件抗彎承載力試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2016，33(8):167.
[2] 關(guān)永平.地鐵暗挖車(chē)站STS管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2015.
[3] 劉春玲,祁生文.FLAC3D分析某邊坡地震穩(wěn)定性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(16)：123-124.
[4] 皇甫明,孔 恒.核心土留設(shè)對(duì)隧道工作面穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(3)：81-83.
[5] 喬世范,孫 曉,劉寶琛.圓拱形斷面隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷰r土環(huán)境安全評(píng)價(jià)[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009,31(5)：12-14.
[6] 方從啟，孫 鈞.淺層頂管施工引起的土體移動(dòng)[J].巖土力學(xué),2000,21(3)：130-131.
Analysisofeffectjackingsequenceofsteelpipeongroundsettlement
ZhangXiaomingXiaYunpengLuYanjunKuangDaien
(TheFiveEngineeringCo.,Ltd.ofCTCEGroup,Jiujiang332000,China)
Combining steel tube slab with pile beam arch is applied to construct the buried excavation subway station, and lack of theoretical support and engineering experience. Based on the subway station in Shenyang, the model is established to study the effect jacking sequence of steel pipe on ground settlement, which provides the engineering experience for subsequent engineering projects.
jacking sequence of steel pipe, ground settlement, numerical simulation, FLAC3D
1009-6825(2017)28-0191-02
2017-07-23
張效銘(1989- )，男，助理工程師
TU921
A
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