地鐵車站pba洞樁法施工數(shù)值模擬探究

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1、地鐵車站PBA洞樁法施工數(shù)值模擬探究　　摘要：基于北京一地鐵車站PBA洞樁法施工的工程實(shí)例，運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS-GTS進(jìn)行PBA洞樁法三維模型數(shù)值分析，研究PBA工法施工過程中土體擾動(dòng)、主要構(gòu)件內(nèi)力變化、地面沉降變化的規(guī)律和特點(diǎn)，提出洞樁法的施工建議，為后續(xù)車站設(shè)計(jì)施工提供參考。關(guān)鍵詞：地鐵車站；暗挖車站；PBA工法；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：U231+.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A洞樁法是利用小導(dǎo)洞和樁在對(duì)地層不產(chǎn)生大的擾動(dòng)的情況下,在地下形成梁、柱縱向支撐體系,一旦扣拱完成,即全面形成縱橫向框架空間支撐體系,在此支撐體系保護(hù)下可安全地開挖站廳層和

2、站臺(tái)層。洞樁法不僅具有施工安全，用材節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，而且圬工廢棄量小，斷面利用率高，不受跨度、層數(shù)的限制，對(duì)地面周邊環(huán)境及交通要求較小，因此在現(xiàn)代地鐵建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。采用數(shù)值方法計(jì)算模型進(jìn)行地鐵施工引起周圍土體和地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化規(guī)律研究，可以考慮多步開挖過程中的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)及土體的非線性性質(zhì),簡便易行,在參數(shù)選擇合理時(shí),可以達(dá)到相當(dāng)?shù)木?。結(jié)合北京地區(qū)某地鐵車站具體工程利用MIDAS-GTS進(jìn)行PBA工法的分析研究。81概述1.1工程概況北京某地鐵暗挖車站垂直于雙向8車道的道路布置。該道路規(guī)劃后屬于交通要道，車流量很大，大街周邊有銀行，商場

3、等重要高層建筑物，場地地下燃?xì)?、給水、污水等市政管線密集，為了不影響地面交通及地下管線，采用PBA法(洞樁法)工藝。車站為14m島式站臺(tái)車站，全長205.35m，采用路外明挖+路下暗挖的施工方案，車站暗挖斷長度117.05m，寬度23.1m，暗挖段地下2層。場地地基土主要由表面素填土、砂石土、碎石類土及卵石組成。車站橫斷面如圖1所示。圖1車站橫斷面示意圖2有限元模型及參數(shù)2.1車站模型為分析開挖車站結(jié)構(gòu)對(duì)周圍土體的影響以及車站結(jié)構(gòu)各部位的受力、變形特性，建立三維模型如圖2、3。模型中，分別自車站外緣向外拓展1.5D（D為車站跨度）取得左右邊界

4、，自車站下緣向外拓展2D取得下邊界，上邊界取至地表。該模型共有單元135526個(gè)。8圖2整體模型網(wǎng)格圖圖3車站結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格圖2.2模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，車站所處地層簡化為兩層考慮，并假定符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，注漿加固圈和初襯支護(hù)結(jié)構(gòu)則按彈性材料考慮。表1和表2分別給出了計(jì)算中所采用的土層參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)。表1土層計(jì)算參數(shù)表2結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)2.3材料的力學(xué)模擬(1)管棚與小導(dǎo)管超前注漿力學(xué)模擬為了防止軟弱地層中隧道施工時(shí)極易出現(xiàn)的不均勻沉降和失穩(wěn)坍塌問題，施工中常采用管棚超前支護(hù)和小導(dǎo)管超前注漿等預(yù)支護(hù)技術(shù)。預(yù)支護(hù)能

5、顯著改善開挖輪廓1m左右范圍內(nèi)圍巖的力學(xué)參數(shù)，增強(qiáng)其穩(wěn)定性，因此在計(jì)算分析中，超前預(yù)支護(hù)效果可以簡化考慮為在動(dòng)周圍巖中形成了一道加固圈，采用提高該部分的圍巖參數(shù)來模擬。(2)格柵鋼架與網(wǎng)噴混凝土的模擬8格柵鋼架與網(wǎng)噴混凝土是不可分割的統(tǒng)一整體，共同承受來自圍巖的壓力，對(duì)圍巖穩(wěn)定起著非常重要的作用，計(jì)算分析中可將格柵鋼架與網(wǎng)噴混凝土按作用等效的原則，簡化為混凝土，而提高混凝土的彈性模量，折算后混凝土的彈性模量可用如下公式計(jì)算：式中：為折算后混凝土的彈性模量；為混凝土的彈性模量；為鋼筋的彈性模量；為一榀格柵鋼架范圍內(nèi)的混凝土截面積；為一榀格柵鋼架

6、鋼筋的截面積。(3)邊樁的簡化導(dǎo)洞內(nèi)施工的灌注樁由于間距不大，其實(shí)際受力情況近似于地下連續(xù)墻。下一步序的施工中，邊樁屬于壓彎構(gòu)件，因此可以按抗彎剛度等效的原則，把鉆孔灌注樁模擬為地下連續(xù)墻。由：可得：式中：D為鉆孔樁直徑；d為樁間距；t為地下連續(xù)墻的折算厚度。2.4施工過程的模擬為模擬地鐵車站開挖過程，計(jì)算過程主要分為以下步驟：（1）形成初始應(yīng)力場；（2）開挖導(dǎo)洞；（3）施作圍護(hù)樁、中柱及初支扣拱。并開挖土體至中板標(biāo)高，施作中板；8（4）開挖土體，施作底板。3計(jì)算結(jié)果及分析通過模型計(jì)算，分析車站主要結(jié)構(gòu)內(nèi)力及地表位移變化情況。車站埋深、跨度、

7、地質(zhì)條件及開挖與支護(hù)的步序數(shù)是影響著車站周圍土體和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定的主要因素，初期支護(hù)扣拱階段，受力、變形更為復(fù)雜。3.1地表沉降為清楚顯示車站開挖引起的周圍土體變形，選擇距離破挖面10m處的開挖面作為監(jiān)測斷面，選取該斷面上位于車站結(jié)構(gòu)中軸線正上方的地表點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)。以下是對(duì)監(jiān)測斷面和監(jiān)測點(diǎn)的沉降分析。圖4測點(diǎn)變形曲線圖圖5表沉降槽曲線圖由圖4可看出，采用洞樁法施工時(shí)，地表監(jiān)測點(diǎn)隨掌子面向前開挖的沉降曲線沉降明顯分為3個(gè)區(qū)：前期沉降區(qū)、急劇沉降區(qū)、沉降收斂區(qū)。1)前期沉降區(qū)（1-5步）。開挖尚未到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，開挖已經(jīng)使地面產(chǎn)生一定范圍的沉降。該沉

8、降量大約占總沉降量的10％左右。這種沉降主要是由于開挖引起的地層應(yīng)力場變化引起的；82)急劇沉降區(qū)。當(dāng)開挖面越過監(jiān)測點(diǎn)后，地層受到開挖的直接影響，發(fā)生急劇變形沉降，