北京地鐵5 號線蒲天區(qū)間施工階段計算與分析

摘　要:簡要介紹了蒲天區(qū)間的工程概況和采用的施工方法,采用有限元通用結(jié)構(gòu)分析程序ANSYS 軟件和地下結(jié)構(gòu)專用程序2D -σ軟件對區(qū)間主體結(jié)構(gòu)施工全過程進行模擬計算,并對計算結(jié)果進行了比較分析。
關(guān)鍵詞:地鐵;施工方法;臺階法;彈塑性分析;支護彎矩;支護變形
1 　工程概況
蒲天區(qū)間南起蒲黃榆北端,沿蒲黃榆路向北,經(jīng)玉蜓立交橋穿過南二環(huán)路、京廣鐵路、南護城河,終至天壇東門站。該區(qū)段線路長1744. 4m , 區(qū)間隧道覆土厚度為14～18m , 為兩個單洞單線區(qū)間。根據(jù)蒲天區(qū)間所處位置的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、地面及地下構(gòu)筑物、道路、地下管線等條件,本區(qū)間采用淺埋暗挖法施工,采用有限元結(jié)構(gòu)分析程序ANSYS 軟件對區(qū)間主體結(jié)構(gòu)施工全過程進行模擬計算,并采用地下結(jié)構(gòu)專用程序2D -σ軟件對計算結(jié)果進行了比較。地鐵5 號線由南向北橫穿永定河沖洪積扇,本區(qū)間位于該沖洪積扇的中部地帶。場址的土層依次為: 人工堆積層:粉土填土① 層,局部為雜填土①1 層及爐灰①2 層。第四紀(jì)全新沖洪積層:粉土③ 層(夾粉質(zhì)粘土、粘土③1 層), 粉細紗③2 層,粉土④1 層,中粗砂④3 層。第四紀(jì)晚更新世沖洪積層:卵石圓礫⑤ 層,粉細紗⑤2 層,粉質(zhì)粘土、粘土⑥ 層,細中砂⑥2 層,卵石圓礫⑦ 層,粉質(zhì)粘土、粘土⑧ 層(夾粉土⑧1 層及細中砂⑧2 層),卵石圓礫⑨ 層(夾細中砂⑨1 層),粘土⑨3 層,粉質(zhì)粘土、粘土⑩ 層,細中砂⑩2 層,卵石圓礫層(夾細中砂 1 層) 。

2 　采用的施工方法
目前淺埋暗挖區(qū)間常用的工法主要有臺階法、中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。施工方法的選定對初期支護參數(shù)的確定和二次襯砌的設(shè)計密切相關(guān)。由于開挖順序不同,其支護內(nèi)力和地面沉降也不同。因此,選擇一個支護受力好、結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟合理的施工方法是極為重要的。根據(jù)沿線工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地鐵埋深、臨近高大建筑物和地下構(gòu)筑物下沉允許量、施工進度、混凝土拆除量小、造價低等綜合因素,本區(qū)間主體結(jié)構(gòu)采用臺階法施工,折返線段根據(jù)斷面的大小分別采用中隔壁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

3 　模型的選取
施工階段的計算模式為取一定邊界范圍的土體作為分析對象,采用ANSYS 有限元分析程序模擬施工開挖、支護、襯砌全過程。計算模型簡圖見圖1 。
計算假定:
(1) 平面應(yīng)變。
(2) 彈塑性分析。
(3) 假定計算邊界處不受隧道開挖的影響,即該處為靜止的原始應(yīng)力狀態(tài),變形為零,用約束來模擬。
(4) 計算寬度取隧道邊墻處2. 5 倍的隧道寬度。
(5) 計算深度為隧道底下3. 0 倍的隧道高度。
(6) 錨桿、超前小導(dǎo)管等措施加固土后力學(xué)參數(shù)可適當(dāng)?shù)奶岣摺?/P>

圖1 　施工階段網(wǎng)格劃分圖
4 　計算參數(shù)的選定
有限元計算中,采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則對結(jié)構(gòu)的開挖過程進行彈塑性分析。也即采用Drucker -Prager(DP) 模型計算結(jié)構(gòu)非線形的變形特性。
計算時將地層以巖性和地質(zhì)特點劃分為6 個不同的類別,各層土層的物理力學(xué)指標(biāo)依據(jù)《勘察報告》選取,具體參數(shù)見表1 。

5 　施工階段計算過程
5. 1 　ANSYS 計算結(jié)果
計算模擬實際施工過程分步進行計算:在重力作用下進行初期狀態(tài)分析;開挖上部土體并施做初期支護;開挖下部土體并封閉支護;施作二次襯砌,完成主體結(jié)構(gòu)。計算拱頂最大位移為23mm , 地面沉降值為17mm 。

表1 　各土層物理力學(xué)參數(shù)
壓縮模量Es 容重ν 內(nèi)聚力C 內(nèi)摩擦角
土層類別(MPa) 泊松比(kN/ m2) (kPa) φ(°)

5. 2 　2D -σ計算結(jié)果
為了驗證計算結(jié)果是否正確,用地下結(jié)構(gòu)專用分析軟件2D -σ有限元分析程序進行分析計算,計算結(jié)果見圖2 、圖3 。

圖2 　土體及支護變形圖

圖3 　初襯彎矩圖(kN·m)

6 　計算結(jié)果分析
(1) 拱頂最大位移為23mm , 地面沉降值為17mm , 滿足規(guī)范要求地面沉降≤30mm 的規(guī)定。
(2) 在結(jié)構(gòu)拱腳和拱頂處土體產(chǎn)生塑性變形,施工中需采取超前小導(dǎo)管、注漿加固等措施。
(3) 初襯在仰拱處產(chǎn)生最大彎矩為117kN·m , 相應(yīng)的軸力為1050kN , 襯砌承受拉應(yīng)力,因此,必須采取注漿加固地層、格柵支護等工程措施。
(4) 通過用兩種不同的程序進行分析,計算結(jié)果基本相同,計算精度可滿足工程需要。

7 　結(jié)語
計算表明,采用合理的初期支護厚度及筑漿加固、格柵支護等措施,完全可以將地面沉降保證在30mm 以內(nèi),且整體結(jié)構(gòu)受力合理,穩(wěn)定性滿足要求。