鋼管頂進(jìn)過程中反力結(jié)構(gòu)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(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000； 2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

鋼管頂進(jìn)過程中反力結(jié)構(gòu)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(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000； 2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)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(jìn)過程的數(shù)值模型，對(duì)鋼管頂進(jìn)過程中提供反力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：鋼管頂進(jìn)過程中，提供反力的結(jié)構(gòu)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(nèi)，滿足頂管施工要求。

頂管，結(jié)構(gòu)應(yīng)力，地鐵車站，變形

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量人口涌入城市，導(dǎo)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(dāng)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(zhì)復(fù)雜和風(fēng)險(xiǎn)源較多的地段，傳統(tǒng)的修建方法不能滿足施工需要。隨后，一種STS管幕支護(hù)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(yōu)點(diǎn)[3]。

STS管幕工法是在傳統(tǒng)管幕工法的基礎(chǔ)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(chǔ)是鋼管施工，頂進(jìn)過程中頂力的反力則需作用在傳力結(jié)構(gòu)上。沈陽市地鐵十號(hào)線某車站采用此工法修建暗挖段，在明挖結(jié)構(gòu)搭建平臺(tái)并設(shè)置提供反力的背梁，將反力作用到圍護(hù)樁和其他主體結(jié)構(gòu)上。當(dāng)鋼管頂進(jìn)過程中，所需定推力較大，其反力是否對(duì)明挖結(jié)構(gòu)的主體造成影響尚不確定。本文結(jié)合此地鐵車站，運(yùn)用FLAC3D建立有限元模型，鋼管頂進(jìn)過程中對(duì)明挖主體結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析，得到鋼管頂進(jìn)過程中傳力設(shè)備的受力特點(diǎn)、變形和應(yīng)力大小，進(jìn)而指導(dǎo)施工。

1 工程背景

該車站主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)225.95 m，結(jié)構(gòu)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(zhǎng)42.90 m、蓋挖段長(zhǎng)68.65、明挖段長(zhǎng)114.40 m，蓋挖支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+軍用梁鋪蓋體系，暗挖段采用新型管幕初期支護(hù)體系(STS管幕工法)。

2 有限元模型的建立

同一層土體為均質(zhì)、各向同性體，并將土體簡(jiǎn)化為理想彈塑性體，計(jì)算中采用M-C破壞準(zhǔn)則，采用實(shí)體單元模擬；圍護(hù)結(jié)構(gòu)按彈性材料考慮，頂管機(jī)后座附近采用實(shí)體單元模擬，其余根據(jù)剛度等效的原則采用地下連墻模擬，具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

該模型側(cè)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(zhǎng)度80 m，Y方向長(zhǎng)度120 m，模型豎向取60 m。有限元模型見圖1。

3 結(jié)果分析

3.1 管頂進(jìn)位移分析

由圖2,圖3可知，鋼管頂進(jìn)過程中，由于支座受到千斤頂?shù)姆戳Φ淖饔脮?huì)發(fā)生移動(dòng)，二襯結(jié)構(gòu)、后背梁及上部圍護(hù)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(duì)結(jié)構(gòu)位移影響很小。

3.2 鋼管頂進(jìn)應(yīng)力分析

內(nèi)襯結(jié)構(gòu)材料是C40混凝土，后背梁是C30混凝土。在第一主應(yīng)力條件下，管頂進(jìn)施工后內(nèi)襯結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.67 MPa，見圖4，應(yīng)力集中區(qū)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(yīng)力。C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa>1.67 MPa，所以二襯結(jié)構(gòu)不會(huì)拉破壞。后背梁，圍護(hù)墻采用C30混凝土，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa。后背梁、墻最大拉應(yīng)力小于1.0 MPa，滿足要求，不會(huì)發(fā)生拉破壞，見圖4。在第三主應(yīng)力條件下，結(jié)構(gòu)最大受壓應(yīng)力為5.20 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強(qiáng)度，所以結(jié)構(gòu)不會(huì)受壓破壞，見圖5。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用FLAC3D建立有限元模型，對(duì)鋼管頂進(jìn)過程中對(duì)明挖主體結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)鋼管頂進(jìn)過程中，承受反力的結(jié)構(gòu)在X方向上最大位移是0.42 mm左右，且最大區(qū)域均為位于頂管機(jī)后座小范圍內(nèi)，所以鋼管頂進(jìn)對(duì)結(jié)構(gòu)、樁體位移影響很小。

2)鋼管頂進(jìn)過程中，明挖段的二襯結(jié)構(gòu)、后背梁及圍護(hù)墻整體承擔(dān)頂管機(jī)的后座反力，二襯最大拉應(yīng)力主要是由于豎向荷載引起，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，甚至減小了頂縱梁底部的拉應(yīng)力。并且后背梁和維護(hù)墻體最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均小于C30混凝土的抗拉/壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足頂管施工要求，安全系數(shù)較高。

[1] 梁寧慧,劉新榮,曹學(xué)山,等.中國(guó)城市地鐵建設(shè)的現(xiàn)狀和發(fā)展戰(zhàn)略[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(6)：81-85.

[2] 洪開榮.我國(guó)隧道及地下工程近兩年的發(fā)展與展望[J].隧道建設(shè)，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(jìn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016，53(6)：219-226.

[4] 趙 文,賈鵬蛟,王連廣,等.地鐵車站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):167-176.

[5] 關(guān)永平.地鐵暗挖車站STS管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究[D].沈陽：東北大學(xué)，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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