軍事博物館站PBA法施工中數(shù)值計算分析

甘 曉 麗

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250002)

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軍事博物館站PBA法施工中數(shù)值計算分析

甘 曉 麗

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250002)

結合北京地鐵9號線軍事博物館站的實際情況，采用PBA逆作法施工雙層三跨式車站結構，并通過ansys模型分析了施工中不同的控制工況下，車站結構受力變化情況，從而明確車站結構施工受力特點，減少施工風險。

地鐵車站，PBA法，ansys，數(shù)值計算

PBA法是北京城建設計研究總院崔志杰等提出的，由于該工法是在國內提出，思路較新，監(jiān)控數(shù)據(jù)較少，PBA工法雖在北京、沈陽等地已經(jīng)進行了數(shù)十個車站、區(qū)間的應用，但PBA工法的理論和實踐體系目前均不完善，有待進一步的研究探討。目前深入系統(tǒng)研究的不多，特別在國外幾乎沒有相關方面的研究。

但PBA工法作為地鐵施工中控制沉降量較小，適用大跨、多跨結構暗挖的工法，在傳統(tǒng)淺埋暗挖分部法的基礎上吸收了蓋挖法的特點，靈活多變，適應性強，必然具有廣闊的應用前景[1]。

1 工程概況

軍事博物館車站主體位于中華世紀壇東南側，斜跨復興路與羊坊店路路口布置。路口東北角為中國人民革命軍事博物館，西北角為中央電視臺，西南角為京西賓館及新華社宿舍區(qū)，東南角為中國鋁業(yè)大廈、恩菲科技大廈及有色冶金屬設計院。路口東約120 m為既有地鐵1號線軍事博物館站，車站主體下穿既有1號線軍博站西端區(qū)間結構。

車站總長度為200.8 m，標準段寬度23.0 m，高度17.445 m，為雙層三跨結構，PBA導洞邊柱法施工，車站主體結構底板平均埋深32.1 m。下穿既有地鐵1號線區(qū)間采用兩個分離的單層單跨結構，CRD法施工，見圖1。

2 工程地質

根據(jù)《北京地鐵九號線軍事博物館站巖土工程勘察報告》選取地層參數(shù)并結合實際開挖過程中地質條件進行計算，車站結構

底板覆土厚度取32.1 m。地層巖性及巖土的物理力學性質參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學性質參數(shù)

地下水類型主要為潛水，含水層主要為卵石、圓礫⑤層。

計算車站的標準結構橫斷面如圖2所示。

3 計算基本原則

本文采用ansys11.0有限元軟件，車站結構模擬彈性平面梁單元，彈性抗力以及車站地基模擬彈簧單元，取每延米單位寬度對軍事博物館車站標準斷面進行二維建模。將結構模型分成足夠多個離散等厚度直梁單元，在不同施工工況下，車站所受的組合荷載根據(jù)作用方向分別轉換成等效節(jié)點力施加在相應的單元節(jié)點上，進而計算出結構受力結果。

本文選取“PBA”法暗挖地鐵車站施工中三個控制工況進行驗算：

1)第一階段是扣拱施作完成后土體開挖至中板標高處，但未施作中板及中板以上側墻；2)第二階段是中板及中板以上側墻澆筑完成后，向下開挖土體至底板標高處；3)第三階段是車站底板澆筑完成，但未施作底板與中板之間側墻。

4 結構計算模型

結構模型大小，以拱頂二襯外輪廓線為主，中柱、邊樁取于二襯外輪廓線相作用點為其模型端點，其余構件取各自的外輪廓線。本站結構含水層主要為卵石、圓礫⑤層，采用水土分算的原則確定水位以下水土壓力。由于主體結構在施工時需要采取降水措施，因此結構受到的水土壓力都是按照無水工況考慮的。土層重度及靜止側壓力系數(shù)均按加權平均值計算。

采用“荷載—結構”計算模式，即將支護結構和圍巖分開考慮，支護結構是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結構彈性支承。支護結構與圍巖的相互作用是通過彈性支承對支護結構施加約束來實現(xiàn)，彈性支承不承受拉力。

5 結構計算結果分析

5.1 扣拱完成階段計算結果分析

由圖3可知，由于扣拱覆土和地面超載主要通過兩側圍護樁及中柱傳至下部土體，此時圍護樁及中柱表現(xiàn)為承受較大的軸力，軸力值基本在2 200 kN左右。

由圖4可知，扣拱完成后，兩側邊拱拱腳(即冠梁附近)承受最大2 600 kN·m的彎矩，中拱拱腳878 kN·m的彎矩。樁體承受的彎矩最大值出現(xiàn)樁身中間附近(距底條基7 m位置)達1 069 kN·m。因此在設計中，兩側邊拱拱腳處二襯鋼筋主筋增加、箍筋加密，以增加此處的抗彎矩能力。

5.2 中板完成階段計算結果分析

由圖5可知，圍護樁各個節(jié)點承受的軸力基本在2 100 kN左右，中柱上各個節(jié)點承受軸力基本在2 500 kN左右，中板承受軸力為1 599.2 kN。

由圖6可知，中板和圍護樁的交界附近彎矩最大，905 kN·m；較大彎矩出現(xiàn)在側墻上部與冠梁交界附近，518 kN·m；圍護樁距底條基4 m處，866 kN·m。

5.3 底板完成情況

由圖7可知，此時中板以下的側墻并未施作，受力情況與工況二基本相同。圍護樁各個節(jié)點承受的軸力基本在2 100 kN左右，中柱上各個節(jié)點承受軸力基本在2 500 kN左右，中板承受軸力為1 501.6 kN。由圖8可知，車站主體結構承受彎矩情況與工況二基本相同。

6 結語

1)扣拱承受了覆土重量及地面超載，無論在哪個施工階段，扣拱特別是冠梁附近所承受的剪力、軸力、彎矩都比較大。扣拱作為重要承載結構，并且該處施工工序轉換多，因此施工結構拱部是難點也是重點，在設計中采取合理拱軸線對受力結果也是非常關鍵。

2)冠梁背后回填混凝土增大拱腳剛度，增強結構的受力承載能力，因此保證扣拱初期支護背后回填質量，從而提高結構的安全性。

3)中柱主要承受扣拱傳遞的軸力，所受軸力較大，在施工中應嚴格控制鋼管柱安裝質量。

4)圍護樁不僅是初支結構，同時圍護樁與側墻共同作為永久結構不僅承受扣拱傳遞的軸力，同時還受土體的側向壓力，圍護樁承受較大的剪力及彎矩。有必要在扣拱完成后在向下土體開挖對圍護樁進行監(jiān)控量測。

[1] 陳 俊,吳順川.洞樁法施工在北京地鐵中的應用[J].山西建筑,2007,33(3):272-273.

[2] 潘昌實,張 彌,吳鴻慶.隧道力學數(shù)值方法[M].北京：中國鐵道出版社，1995:63-124.

[3] 劉志義.地鐵設計實踐與探索[M].北京:中國鐵道出版社,2009:159-165.

[4] DRJ·歐文,E·希頓.塑性力學有限元理論與應用[M].曾國平,劉 忠,徐家禮,譯.北京:兵器工業(yè)出版社,1989:112-379.

[5] 管 誠.地鐵PBA工法地層位移及土與結構相互作用分析[D].北京:北京工業(yè)大學碩士學位論文,2009:53-67.

On numeric calculation analysis of PBA method construction of Military Museums

Gan Xiaoli

(TunnelEngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway14thBureauGroup,Jinan250002,China)

Combining with the fact in the Military Museum along No.9 Beijing Subway, the paper adopts PBA reverse building method, analyzes the stress changes on the station structure under various controlling construction circumstances with ansys model, so as to identify the stressed features of the station structure and lower the construction risks.

subway station, PBA method, ansys, numeric calculation

1009-6825(2017)13-0176-02

2017-02-21

甘曉麗(1982- )，女，工程師

U231.4

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