基于盾构平移吊出的地铁车站端头井计算分析

班自愿

(北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100037)

基于盾构平移吊出的地铁车站端头井计算分析

班自愿

(北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100037)

地铁车站端头井是整个车站结构受力最复杂的地方,为确保其在施工阶段和使用阶段的安全,必须对端头井结构进行准确分析。今以无锡地铁3号线某地下两层岛式车站为例,采用有限元分析软件建立基于盾构平移的端头井结构空间计算模型,然后对结构在施工期和使用期的不同工况进行有限元计算,最后对结构内力计算结果和位移挠度分别进行比较分析。结果表明端头井空间效应显著,端墙和侧墙应按双向板配筋,纵梁的变形挠度值在施工中逐步累计。所得计算结果对类似工程设计具有一定的参考价值。

盾构平移；地铁车站；端头井；计算分析

在城市轨道交通地下结构中,端头井是车站两端地铁区间隧道施工时供盾构拼装、拆卸、掉头和管片吊装的工作井,在使用阶段是车站设备用房的组成部分。车站两端的端头井,纵横向尺寸及梁柱布置除满足建筑布置要求外,还应符合盾构施工要求[1],车站结构设计时应满足盾构始发或到达的受力要求,因此端头盾构井是整个车站施工最困难、结构受力最复杂的地方[2]。城市轨道交通地下车站一般设置在客流比较大、周边建筑物比较高、市政地下管线比较多、交通比较拥挤等复杂的场地,当周边施工场地有限,为了满足周边道路交通疏解，需要在端头井上部设置临时路面盖板时,盾构始发或到达需在端头井内进行平移。本文以无锡地铁3号线某地下车站为工程背景,采用空间计算模型,对端头盾构井主体结构在施工过程及使用期间的受力工况进行计算分析,探讨端头井在不同工况下的内力及位移差异,为结构设计提供数值基础及计算依据。

1 工程概况

本工程为某地下两层岛式车站,车站位于道路路口,沿东西向道路布置,车站东北象限为4层居民楼,东南象限为7层居民楼,西南象限为绿化带,绿化带内有一高压电塔,西北象限为一中学操场及待拆的1层医院建筑和2层银行建筑,车站总平面见图1。

结构形式为两层单柱双跨矩形框架结构,车站外包总长148.2 m,标准段外包宽度为19.7 m,车站基坑深度约16.00 m,覆土厚约3.2 m,采用明挖法施工。车站两端区间采用盾构法施工,左端头左、右线均为盾构接收,右端头左、右线为盾构始发。施工车站主体时,交通向车站两侧导改,为了满足施工期间道路交通的需求,两个端头井上方均需设置临时路面盖板,所以盾构需在左端头井平移吊出,在右端头井平移吊入,两个端头井内的框架柱必须在盾构平移结束后方可浇筑。本文以左端头井为例,分析其在盾构平移时和正常使用时的受力工况。

图2 盾构平移时端头井顶板平面图

图3 盾构平移时端头井纵剖面图

盾构平移时,端头井顶板、中板右线处留置11.5 m×7.5 m的吊装孔,顶板上无覆土,端头井内无框架柱,端头井的顶、中、底纵梁为单跨梁受力体系,盾构机从左线到达端头井后,平移至右线吊出,平面图见图2,纵剖面图见图3。

正常使用时,端头井的框架柱浇注完成,吊装孔封闭,顶部上覆土,端头井的顶、中、底纵梁为两跨梁受力体系,平面图见图4,纵剖面图见图5。

图4 正常使用时端头井顶板平面图

图5 正常使用时端头井纵剖面图

2 工程地质条件

根据勘察地质报告[3],本站拟建场地土层的物理力学参数见表1。

表1 岩土层物理力学参数

盾构平移时的框架弯矩图见图10,正常使用时的框架弯矩图见图11。

二是建立健全信用评价和惩戒机制。建立信用评价和惩戒机制，对企业和个人进行评分评级，实行差别化管理，鼓励良好行为，惩罚不良行为，并在社会上公布，倒逼企业和从业人员自觉履行职责。

站址地下水类型为潜水、微承压水。潜水主要赋存于①1杂填土中,稳定水位埋深在1.20 m。微承压水主要赋存于④2层砂质粉土层中,富水性较好。稳定水位埋深在1.25～1.41 m之间。

中国人的消费水平有豪华型、富裕型、一般型、困难型、贫困型五个层次，其中后三种为平民消费，因此,在设计夜游项目时,要考虑到消费层次的多样化，既要有高端夜游产品,如音乐会、讲座、沙龙等，也要有适合平民消费的旅游产品,如广场休闲、商业街购物等。如今,夜游活动趋向大众化，不同年龄阶段的人群均参与夜间旅游，考虑到不同年龄消费群体的不同特征，夜间旅游活动既要有适宜年轻人群消费的KTV、酒吧、健身所等时尚场所，又要有适合中老年人群的公园、河湖等较为宁静的场所。总之，在夜游产品的设计上应有动有静、有高端有低端，以满足消费群体的多样化需求。

4.2 建议 1）充分利用标准舞和拉丁舞对大学生锻炼效果的差异性，应均等分配课时和锻炼要求，利于学生的综合全面发展。

3 基于盾构平移吊出的端头井计算分析

3.1 计算模型

根据工程所处的地质条件,同时借鉴同类工程经验,本站基坑围护采用地下连续墙,墙体的结合方式为复合式构造。结构使用阶段计算模型采用目前我国广泛采用的荷载-结构模型[4-5]。

本文采用有限元分析软件“Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2009”对端头井进行空间三维计算。

本站端头井内部结构构件较多,除一侧外接附属结构外,中板设置较多设备孔洞,而且端头井内框架柱在施工过程中需要后浇,受力体系转换较为复杂,精确地建立模型进行计算分析是不容易实现的,因此计算模型应对实际结构作出适当的简化。

考虑到车站标准段结构与端头盾构井结构之间的影响,计算模型为端头井结构和一跨标准段结构。计算模型根据框架结构尺寸按中心线确定,底板支撑在弹性地基上。空间模型以车站纵向为X轴,车站横向为Y轴,车站竖向为Z轴,坐标轴方向满足右手准则。有限元模型中板、墙结构采用壳单元进行模拟,梁、柱结构采用梁单元进行模拟。位置相同的板、墙、梁、柱节点视为同一节点来反映结构的共同作用变形。计算模型主要采取四边形单元和三角形单元,共划分为2 717个有限单元和2 718个节点。

有限元边界条件简化如下:1)X方向,标准段结构边界处施加水平向位移约束,端墙上施加水平向土弹簧。2)Y方向,施工期两边侧墙上施加水平向土弹簧,使用期车站主体与附属相接处施加水平向位移约束。3)Z方向,结构底板支撑在弹性地基上,施加仅能承受压力地基土弹簧。

第一，施工主要设备及人员配置。超前探水1#钻孔属于取芯钻孔，采用GX-1T回转钻机全孔取芯钻进；2#、3#、4#钻孔属于一般探水钻孔，采用MGJ30型潜孔冲击钻机冲击钻进。实行两班制24小时作业。其施工主要设备及人员配备见表1、2。

3.2 计算荷载

width—An example of Lijin hydrologic station of the Yellow River

在结构的施工期和使用期,主要荷载如下：

1)结构自重SG1K：混凝土重度均取25kN/m3；

2)覆土压力SG2K：顶板以上全部土柱重量作为垂直荷载；

盾构平移时,尽管顶板、中板吊装孔周边设置水平向框架梁,但是框架梁对端墙的支撑作用远小于板对端墙的支撑作用,端墙水平向弯矩在留有吊装孔一侧顶板、中板处计算结果为正弯矩,因此端墙水平向配筋时须考虑端墙在顶板、中板附近的正弯矩。

7)施工荷载SQ2K：顶板、中板施工荷载均按10kPa计算。

5)设备区荷载SG5K：按8kPa设计；

欢呼声中，刚刚还在欣赏黄花的一名小战士，把连长栽在钢盔里的黄花拿出来，在阵地前挖了一个小坑，把这朵小黄花重新栽了进去。

Sd2=SS1K+SS2K+SS3K+SS4K+SS5K+SQ1K

4)水土侧压力SG4K：黏性土地层的侧向水、土压力,在施工阶段采用水土合算,使用阶段采用水土分算。砂性土地层的侧向水、土压力无论施工阶段还是使用阶段均采用水土分算；

3.3 计算工况

在车站端头井段施工全过程中,对设计、施工来说,最为关心的是拆除全部支撑后,车站围护结构、内衬及楼板位置的上、下水平框架梁在施工过程中的受力、变形情况[6],所以本文端头井计算施工期主要考虑盾构平移吊出时工况。车站端头井从盾构平移吊出到盾构施工完毕吊装孔封堵、顶部覆土,整个施工过程,结构刚度和外部荷载均有变化,根据文献[7],该受力过程的某些阶段为非线性问题,解决非线性受力继承性问题的有力手段是采用增量法进行计算。考虑到采用增量法计算时三维空间计算结果叠加不太方便,本文对端头井结构在施工期两种工况下的荷载进行计算时,除框架纵梁位移挠度采用增量法之外,其余内力计算仍采用总量法。

正常使用期,侧土压力经过长时间调整后达到最大值(通常取静止土压力),水压力亦按全水头考虑,底板计入水反力。

盾构平移时的荷载组合为：

Sd2=SS1K+SS4K+SQ1K+SQ2K

从图8、图9可以看出,正常使用时,端墙竖向弯矩极值位置和盾构平移时相同,竖向最大负弯矩My为1 333.52 kN·m,竖向最大正弯矩My为749.50 kN·m；端墙水平向最大负弯矩Mz为702.96 kN·m,位于端墙与侧墙板交接处；端墙竖向最大正弯矩Mz为206.33 kN·m,位于两个开孔的中间位置。

近年来，随着我国社会经济的迅速发展，我国建筑工程项目数量日益增加，而工程测量是保证建筑工程项目正常进行的前提。传统的工程测量必须要花费很多时间、人力和物力，并且不能确保测量精准度。地面三维激光扫描技术具有高效率、高精准度等优点，将其在工程测量中应用，能够明显提升工程测量精准度。

正常使用时的荷载组合为：

6)地面超载SQ1K：施工阶段端头井区域地面超载按30kPa计算,其余情况下地面超载均按20kPa计算；

3.4 计算结果及分析

限于篇幅,本文仅对端头井结构重要构件在荷载标准组合下的计算结果进行分析。

3.4.1 端墙内力计算结果及分析

传统的线性编辑方法无法满足现代影视创作的基本需求，非线性编辑制作技术能够通过计算机软件编辑整理素材，具有更高的准确性，同时通过实时的回放画面，极大降低了失误率。该技术能够在短时间内完成剪切工作，相对于手工剪辑，节省了排序时间，更加节约人力和物力，提高了后期制作效率。

盾构平移时的端墙弯矩图见图6、图7,正常使用时的端墙弯矩图见图8、图9。

图6 盾构平移时的端墙My弯矩图(kN·m)

图7 盾构平移时的端墙Mz弯矩图(kN·m)

图8 正常使用时的端墙My弯矩图(kN·m)

图9 正常使用的端墙Mz弯矩图(kN·m)

从图6、图7可以看出,盾构平移时,由于施工阶段顶、中板盾构吊装孔的留设,减弱了板对端墙的支撑作用,端墙产生的弯矩较大。端墙竖向最大负弯矩My为1 269.11 kN·m,位于端墙开孔下方,端墙与底板交接处；端墙竖向最大正弯矩My为907.66 kN·m,位于两个开孔的中间位置；端墙水平向最大负弯矩Mz为1 070.40 kN·m,位于盾构吊装孔的下方,端墙与侧墙板交接处；端墙竖向最大正弯矩Mz为691.15 kN·m,位于盾构吊装孔的下方,端墙开孔的上方。

数据采集设备为数据采集卡和电阻应变仪。通过在电脑上安装以太网数据采集程序，同步存储试验中获得的力和位移的电压值。由于数据采集卡和电阻应变仪采集的均为电压值，所以在进行弯曲试验前，先要对负载传感器和微型激光传感器进行标定。测得力的电压值与力的线性关系，以及位移电压值与位移的线性关系。在计算弯曲应力时，需要将力和位移的电压值按试验前标定的公式进行转换，转换成三点弯曲强度的力值和位移值。数据采集设备如图6所示。

由于在低效率地使用农机、化肥、农药、农膜等农用生产资料的过程中，会产生大量的二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等温室气体，从而使农业碳源量得以增加，违背低碳农业发展的原则。所以，提高上述农用生产资料的使用效率，就成为后期黑龙江垦区低碳农业发展的关键。就表2分析，可以看出从2002-2010年末，4种碳源农用资料投入量总体都呈现出逐步增长的态势。

对比施工期和使用期工况,端墙竖向的内力弯矩值大小基本一样。正常使用时,端墙水平向的负弯矩比施工时减少了34%,水平向正弯矩比施工时减少了70%,所以端墙的配筋计算主要是由施工期的工况控制的。

施工期端墙承受双向弯矩,并且双向的正负弯矩相差不大,因此端墙应按双向板进行配筋。

3)水浮力SG3K：抗浮设防水位取地表；

3.4.2 纵梁框架内力计算结果及分析

(7)畸形攀比。寄宿生盲目攀比，特别是部分孩子家境条件较差，爱与同学比较，又总觉得自己底气不足，于是怨天尤人，不思进取。

车站底板所在的土层主要为⑥1层黏土。

图10 盾构平移时的框架弯矩图(kN·m)

图11 正常使用时的框架弯矩图(kN·m)

由图10、图11可以看出,盾构平移吊出时,中纵梁跨中弯矩最大为1 081.83 kN·m。正常使用时,中纵梁跨中弯矩最大为449.99 kN·m。两种工况下的端头井纵梁弯矩值见表2。

由表2可以看出,由于顶板覆土及地面超载的作用,正常使用时的顶纵梁和底纵梁弯矩值均比施工期偏大。由于施做了端头井内的框架柱,使用期中纵梁的弯矩值比施工期偏小, 中纵梁支座弯矩和跨中弯矩分别减小了64%和52%。综上所述,中纵梁的配筋由盾构平移吊出时的施工过程控制。

万姐突然拉住我的手说：“傻瓜，不是你心里想要这个孩子，谁能逼你把他生下来。工作没了可以再找，孩子不要了，就是条命呢。”

表2 端头井纵梁弯矩标准值

3.4.3 纵梁框架挠度计算结果及分析

结构采用总量法计算的纵梁挠度值见图12和图13,结构在盾构吊出后采用增量法计算的纵梁挠度值见图14。

图12 盾构平移时的纵梁挠度图/mm

图13 正常使用时的纵梁挠度图/mm

图14 盾构吊出后的纵梁增量挠度图/mm

由图12、图13可知,盾构平移时,不考虑顶板覆土,纵向框架梁的最大位移变形发生在中纵梁处,最大位移为10.0 mm；正常使用时,考虑顶板覆土及地面超载作用,纵向框架梁的最大位移变形发生在顶纵梁处,最大位移为15.0 mm。两种工况下的最大位移均满足受弯构件的挠度限值(l0/400)[8]。

由图14可知,盾构吊出后,端头井顶纵梁在中立柱的位置挠度增量为7.4 mm,中纵梁的挠度增量为5.7 mm, 底纵梁的挠度增量最大为3.6 mm。由此说明,顶板覆土和地面超载作用对顶纵梁位移变化影响相对较大,而对中纵梁和底纵梁位移的影响相对较小。中纵梁的位移主要发生在盾构平移吊出施工过程中。纵梁在端头井中立柱处的挠度增量和上一阶段挠度叠加后的结果见表3。

公民意识觉醒后，公众的表达欲望亦被唤醒，作为非虚构写作的个人史因其门槛低，成为行使表达权的首选。可以预见，随着公民意识的普遍觉醒，还会孵化出更多的非虚构作品，个人史写作仅仅发轫。

表3 纵梁在端头井中立柱处的挠度值

由表2可以看出,盾构吊出后,底纵梁的挠度值采用增量法和总量法的计算结果几乎一致,但是顶纵梁和中纵梁的挠度值均是采用增量法比采用总量法计算结果偏大,顶纵梁挠度结果增量法比总量法增加了8%,中纵梁挠度结果增量法比总量法增加了24%。由此可以得出,对于非线性问题,采用增量法更能反映施工过程中受力及位移的继承,对计算结果也有一定的准确性。

4 结 语

1)端头井空间效应比较明显,端头井内的端墙和侧墙均承受双向弯矩,并且双向的正负弯矩相差不大,因此端墙和侧墙均应按双向板进行配筋。

2)施工过程中,结构侧向的水土压力通过端墙传递到框架纵梁上,由于中纵梁承受的荷载范围较大,加上盾构平移吊出时端头井内的框架柱未浇筑,所以中纵梁在盾构平移吊出时产生的内力和位移均达到最大值。

3)在施工过程中,基于盾构平移的车站端头井内框架柱后浇,纵梁跨度较大,整个过程中产生的变形挠度是逐步累积的。

4)盾构平移吊出后,施做后浇柱,后浇柱采用微膨胀混凝土,只能对框架梁已经产生的挠度变形进行有限的制约,并不能消除或减小挠度。

5)为了避免中纵梁挠度过大而影响盾构平移和结构正常使用,应在设计过程和施工过程中采取相应的控制措施。例如设计时考虑增大中纵梁的刚度,施工时限制顶板和中板的施工机具超载等。

6)基于盾构平移的端头井端墙、侧墙和中纵梁内力弯矩值主要是由施工期工况控制的,其余结构内力采用值应取施工期和使用期的包络,因此，端头井计算是一个相对比较复杂的过程,计算时要综合考虑。

[1] 上海市建设管理委员会.DGJ 08—109—2004城市轨道交通设计规范[S].上海：上海市建筑建材业市场管理总站,2003．

[2] 黎钜宏,盛建龙,邓静,等.地铁车站端头盾构井的空间分析[J].都市快轨交通,2013,26(6)：73-77．

[3] 江苏中设工程咨询集团有限公司.无锡地铁3号线一期工程(01标)岩土工程勘察报告(初步勘察阶段)[R].无锡：江苏中设工程咨询集团有限公司，,2013.

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[8] 中华人民共和国住房与城乡建设部.GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

Calculation Analysis on the End Well of Subway Station Based on Shield Translation Lifting

BANZiyuan

2016-09-28

班自愿(1982—),男，河南扶沟人，工程师，从事地下结构设计与研究工作。

U231+.4

B

1008-3707(2017)01-0015-06