暗挖拱蓋法地鐵車站拱部結(jié)構(gòu)矢跨比影響分析*

華福才 雷 剛** 劉明明 楊 林 羅立娜

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，100037，北京； 2.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，650051，昆明；3.青島地鐵集團(tuán)有限公司，266101，青島； 4.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院，510430，廣州∥第一作者，正高級(jí)工程師)

在地鐵車站施工過程中，存在大量既有市政管線和地鐵車站本身所需的各種電路、通風(fēng)設(shè)施等，需要對(duì)其進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)。利用拱蓋法施工時(shí)，車站拱部有較大的可利用空間，若給拱部設(shè)計(jì)一個(gè)合理曲線，在保證車站結(jié)構(gòu)受力安全的情況下，能夠節(jié)省一定的工程成本，有較好的經(jīng)濟(jì)性。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)矢跨比已有一定的研究。文獻(xiàn)[1]研究了不同矢跨比對(duì)拱部結(jié)構(gòu)內(nèi)力、層間位移角的影響。文獻(xiàn)[2-3]以實(shí)際工程設(shè)計(jì)為例，利用有限元軟件提出不同矢跨比時(shí)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。文獻(xiàn)[4]通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果得出矢跨比與結(jié)構(gòu)滑裂角之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[5]研究了不同地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)大跨度洞室最小矢跨比的影響。文獻(xiàn)[6]對(duì)拱頂直墻結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得出合理的矢跨比范圍。

目前，已有研究主要為在矩形隧道基礎(chǔ)上增加矢跨比，或在地鐵車站使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD(中隔墻)法等常規(guī)工法施工的矢跨比，對(duì)于使用暗挖拱蓋法施工的矢跨比研究較少。本文以青島某地鐵車站工程為例，采用有限元軟件MIDAS GTS 進(jìn)行數(shù)值模擬，研究車站結(jié)構(gòu)矢跨比對(duì)結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力的敏感性影響。研究成果可為后續(xù)其他類似地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供工程參考。

1 工程概況

1.1 車站結(jié)構(gòu)

以青島某地鐵車站工程為例，分別分析站臺(tái)寬度為11 m和13 m兩種車站結(jié)構(gòu)下，不同矢跨比對(duì)其結(jié)構(gòu)受力與變形的影響。車站主體為雙層圓拱復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，全包防水型斷面。統(tǒng)一各構(gòu)件尺寸，頂板與側(cè)墻厚為800 mm，中板厚為400 mm，柱子尺寸為800 mm(長)×600 mm(寬)。結(jié)構(gòu)跨度為19.3 m與21.3 m，拱頂埋深為20 m。車站斷面與地層分布示意圖如圖1所示。

圖1 車站斷面與地層分布示意圖Fig.1 Diagram of station section and stratigraphic distribution

1.2 地層條件

車站分布的地層主要有人工填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖，車站整體位于微風(fēng)化巖中。襯砌與柱子用C45混凝土模擬，中板用C35混凝土模擬。各地層與結(jié)構(gòu)物理學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各地層與結(jié)構(gòu)物理學(xué)參數(shù)Tab.1 Stratigraphic and structural physical parameters

2 計(jì)算方案

2.1 荷載方案

采用有限元分析軟件MIDAS GTS創(chuàng)建二維平面結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算方式采用荷載結(jié)構(gòu)法。施加荷載分為永久荷載和可變荷載。其中，永久荷載有結(jié)構(gòu)自重、地層壓力、水壓力和浮力，可變荷載有地面超載、中板活載等。荷載組合為準(zhǔn)永久組合，荷載計(jì)算與荷載組合系數(shù)參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》。單拱結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示，整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3所示。

圖2 單拱結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of single arch structure

圖3 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.3 Overall structure calculation model

2.2 計(jì)算工況

對(duì)于站臺(tái)寬度為11 m和13 m兩種車站結(jié)構(gòu)的模擬，均分為拱蓋施工階段和整體施工階段。在結(jié)構(gòu)實(shí)際跨度應(yīng)用范圍內(nèi)，設(shè)5組矢跨比方案，固定仰拱矢跨比，分別研究拱部矢跨比對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響。計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況Tab.2 Calculation working condition

2.3 變形分析點(diǎn)設(shè)置

結(jié)構(gòu)變形分析點(diǎn)主要設(shè)置在車站拱部位置，分別為拱頂(A點(diǎn))、左拱肩(B點(diǎn))、右拱肩(C點(diǎn))、左拱腳(D點(diǎn))和右拱腳(E點(diǎn))，如圖4所示。

圖4 分析點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Layout diagram of analysis points

3 矢跨比影響分析

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

通過模擬計(jì)算獲得工況1—工況5的拱蓋內(nèi)力，并對(duì)5種工況的彎矩與軸力進(jìn)行影響分析。

3.1.1 彎矩分析

對(duì)于站臺(tái)寬度為11 m和13 m的兩種車站結(jié)構(gòu)，在拱蓋施工階段與整體施工階段，計(jì)算獲得相應(yīng)工況下的拱部彎矩，拱部彎矩分析圖如圖5所示。不同工況下，拱部最大彎矩值對(duì)比如表3所示。

圖5 拱部彎矩分析圖Fig.5 Diagram of arch bending moment analysis

表3 不同工況下的拱部最大彎矩值對(duì)比Tab.3 Comparison of the maximum arch bending moments under different working conditions

由圖5和表3可知，在拱部施工階段，隨著矢跨比的增大(矢跨比從0.16增大至0.24)，拱部彎矩先減小后增加，拱部最大彎矩出現(xiàn)在拱頂處。站臺(tái)寬度為11 m的車站拱頂彎矩從1 554 kNm先減至1 393 kNm，減少了10.4%，再增至1 420 kNm。站臺(tái)寬度為13 m的車站拱頂彎矩變幅較小，矢跨比達(dá)到0.22時(shí)，彎矩開始增大。在整體施工階段，拱部彎矩與矢跨比成負(fù)相關(guān)，最大彎矩出現(xiàn)在拱部與直墻交界點(diǎn)。站臺(tái)寬度為11 m和13 m車站的最大彎矩分別減少了42.1%和44.6%。

3.1.2 軸力分析

對(duì)于站臺(tái)寬度為11 m和13 m的兩種車站結(jié)構(gòu)，在拱蓋施工階段與整體施工階段，計(jì)算獲得相應(yīng)工況下的拱部軸力，拱部軸力分析圖如圖6所示。不同工況下，拱頂軸力對(duì)比如表4所示。

由圖6和表4可知，在拱部施工階段，軸力圖呈“拱形”，兩種車站的拱部軸力與矢跨比成負(fù)相關(guān)，矢跨比從0.16增加至0.24，最大軸力與最小軸力分別出現(xiàn)在拱腳與拱頂。站臺(tái)寬度為11 m的車站拱部最大軸力由12 690 kN減至10 664 kN，最小軸力由10 342 kN減至7 681 kN，分別減少了16.0%和25.7%。站臺(tái)寬度為13 m的車站拱部最大軸力與最小軸力分別減少了15.6%和24.9%。矢跨比對(duì)拱頂軸力的影響更大。在整體施工階段，軸力圖呈“W形”，由于直墻受力，拱腳部分的軸力較小、相對(duì)變化較小，中間部位軸力與矢跨比成負(fù)相關(guān)，最大軸力與最小軸力出現(xiàn)在交界點(diǎn)與拱頂處。站臺(tái)寬度為11 m車站的最大軸力和最小軸力分別減少了10.0%和17.7%。站臺(tái)寬度為13 m車站的最大軸力和最小軸力分別減少了10.8%和18.7%，矢跨比對(duì)拱頂?shù)挠绊懜蟆?/p>

圖6 拱部軸力分析圖Fig.6 Diagram of arch axial force analysis

表4 不同工況下的拱頂軸力對(duì)比Tab.4 Comparison of vault axial forces under different working conditions

3.2 結(jié)構(gòu)變形分析

圖7為站臺(tái)寬度為11 m和13 m的兩種車站拱蓋施工階段與整體施工階段相應(yīng)測點(diǎn)的沉降值與凈空收斂值。

由圖7可知，拱頂沉降、拱肩沉降與拱腳凈空收斂都隨著矢跨比的增大而減小，結(jié)構(gòu)變形均明顯減少。拱部施工階段：① 站臺(tái)寬度為11 m的車站拱頂沉降從66.95 mm減至46.97 mm，減少了29.8%；拱肩沉降從47.83 mm減至30.11 mm，減少了37.0%；拱腳凈空收斂從36.18 mm減至24.56 mm，減少了32.1%。② 站臺(tái)寬度為13 m的車站拱頂沉降、拱肩沉降與拱腳凈空收斂分別減少了27.2%、37.4%和32.2%。整體施工階段：① 站臺(tái)寬度為11 m的車站拱頂沉降從38.81 mm減至21.12 mm，減少了30.7%；拱肩沉降從16.71 mm減至10.67 mm，減少了36.1%；拱腳凈空收斂從11.00 mm減至6.80 mm，減少了38.2%。② 站臺(tái)寬度為13 m的車站拱頂沉降、拱肩沉降與拱腳凈空收斂分別減少26.3%、32.6%和34.7%。矢跨比對(duì)三者的影響都比較明顯。

圖7 拱部結(jié)構(gòu)分析點(diǎn)沉降值Fig.7 Subsidence value of arch structure analysis points

4 結(jié)語

1) 隨著矢跨比的增大，在拱部施工階段，拱部彎矩先減小后增大，車站跨度越大越先出現(xiàn)拐點(diǎn)；在整體施工階段，彎矩一直減小，且對(duì)拱部與直墻交界處影響較大，平均每個(gè)工況達(dá)到了10.5%和11.2%。

2) 從結(jié)構(gòu)軸力分析可知，在兩個(gè)施工階段的拱部軸力均隨著矢跨比的增大而減小，但矢跨比對(duì)拱部施工階段的影響更為明顯，約為整體施工階段的1.5倍。

3) 矢跨比增大對(duì)拱部沉降、拱肩沉降及拱腳凈空收斂的影響都非常明顯，站臺(tái)寬度為11 m和13 m車站在兩個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)變形都減少了1/3左右。

4) 考慮車站工程的整體施工，在結(jié)構(gòu)合理跨高范圍內(nèi)，矢跨比越大，拱部曲線越合理。

下一步可以針對(duì)拱部矢跨比與仰拱矢跨比進(jìn)行組合研究，并對(duì)不同組合的配筋等進(jìn)行驗(yàn)算，分析相應(yīng)組合的材料成本，綜合受力和成本等各因素，比選出地鐵車站結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)矢跨比的最優(yōu)組合。