斜撐拆除對地表沉降和管幕豎向變形的影響分析

張 峻 銘

(沈陽地鐵集團(tuán)，遼寧 沈陽 110011)

1 概述

隨著城市的快速發(fā)展，交通擁堵是急需解決的問題之一，而修建地鐵等地下設(shè)施是解決這個(gè)問題的有效途徑之一[1]。但隨著地鐵施工面臨風(fēng)險(xiǎn)源的逐漸增多，在一些復(fù)雜地段下，傳統(tǒng)改的暗挖工法已不能滿足施工的需要[2]。

沈陽地鐵某車站采用一種新型管幕工法結(jié)合洞樁法進(jìn)行修建超淺埋暗挖車站。此工法是將帶翼緣板的鋼管頂入土體，然后對相鄰鋼管進(jìn)行連接使其成為整體管幕結(jié)構(gòu)，最后管幕的支護(hù)下開挖土體，形成主體結(jié)構(gòu)[3,4]。在開挖管幕下方土體時(shí)，為了保持管幕的整體穩(wěn)定性，在管幕的兩側(cè)架設(shè)斜撐。

本文以沈陽地鐵某工程為工程背景，建立三維有限元模型，研究拆撐數(shù)對地表沉降和管幕豎向變形的影響規(guī)律，為后續(xù)施工提供工程經(jīng)驗(yàn)。

2 有限元數(shù)值模型

2.1 模型建立

本文應(yīng)用MIDAS軟件建立模型并計(jì)算，考慮到隧道開挖3倍～5倍跨度的影響范圍，本模型水平方向取80 m，豎向取40 m，開挖縱向取全部長度43 m，所以模型尺寸為80 m×43 m×40 m。模型中，水平向右為X軸正向，取車站開挖方向?yàn)閅軸正向，垂直地面向上為Z軸正向。本模型共有網(wǎng)格單元22 590個(gè)，節(jié)點(diǎn)24 800個(gè)。

計(jì)算模型外邊界x=0,x=80和y=40四個(gè)垂直面僅約束邊界面法向約束，平面內(nèi)無約束；模型底部z=0僅約束法向位移，平面內(nèi)無約束；模型上表面z=40為自由表面。力學(xué)計(jì)算模型、整體計(jì)算模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格，見圖1，圖2。

2.2 施工步序

結(jié)合Midas-GTS數(shù)值分析軟件，根據(jù)現(xiàn)場施工真實(shí)情況采取下列計(jì)算步驟：

1)根據(jù)實(shí)際施工情況和試驗(yàn)得到具體參數(shù)建立模型，為安全起見，材料二的橫向剛度按照0.5倍的折減；

2)激活所有單元，進(jìn)行地應(yīng)力平衡；

3)采取不拆撐情況下進(jìn)行計(jì)算，此結(jié)果用來與拆撐的結(jié)果進(jìn)行對比，得到拆撐對地面和結(jié)構(gòu)的影響；

4)拆撐運(yùn)算，得到具體結(jié)果。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 拆除中間3根斜撐

根據(jù)對比得到:拆除右跨中間3根撐(11,12,13)，地面沉降方面，管幕在拆除中間3根斜撐下沉0.6 mm，縱向影響范圍至臨近的10號和14號斜撐，橫向影響半個(gè)開挖面，但影響值微小可忽略不計(jì)，見圖3。管幕沉降方面，拆撐后下沉1.4 mm；管幕水平位移方面，拆撐后變化值1.0 mm，見圖4。

3.2 拆除中間6根斜撐

根據(jù)對比得到:拆除右跨中間6根撐，斜撐所在位置地表沉降下沉1.6 mm，縱向影響范圍至進(jìn)一步擴(kuò)大，但影響值微小可忽略不計(jì)，見圖5。管幕沉降方面，管幕在拆除中間6根斜撐沉降差值為2.4 mm；管幕水平位移方面，拆撐后變化值1.6 mm，見圖6。

3.3 拆除中間9根斜撐

根據(jù)對比得到:拆除右跨中間9根撐，斜撐所在位置地表沉降下沉2.1 mm，縱向影響范圍至進(jìn)一步擴(kuò)大，橫向影響整個(gè)開挖面，見圖7。管幕沉降方面，管幕在拆除中間9根斜撐沉降差值為3.0 mm，沉降范圍明顯增大；管幕水平位移變化值1.8 mm，見圖8。

4 結(jié)語

本文通過建立三維有限元模型，對同時(shí)拆撐數(shù)對地表沉降及管幕變形的影響進(jìn)行研究，得到隨著拆除斜撐的數(shù)量增加，地面沉降和管幕沉降都逐漸變大。地表沉降最大值為2.1 mm；其中管幕沉降在拆除9根斜撐時(shí)變化值最大，下沉3.0 mm；考慮到管幕現(xiàn)場施工過程中的不可預(yù)見因素，為安全施工考慮，建議同時(shí)拆除6根斜撐作為一個(gè)施工步驟。

[1] 許有俊,聶鑫路,魏云杰,等.新建地鐵車站上穿既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形控制[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2016,12(1):153-161.

[2] 杜 彬,譚忠盛,王夢恕.地鐵車站洞樁法施工對地層及鄰近樁基的影響規(guī)律[[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,3(32):30-36.

[3] 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.

[4] 趙 文,姜寶峰,賈鵬蛟,等.STS管幕結(jié)合洞樁法修建地鐵車站施工數(shù)值模擬研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2017,34(4):756-762.