地鐵車站地下大直徑管線施工方案數(shù)值模擬分析

地鐵車站地下大直徑管線施工方案數(shù)值模擬分析

1地下管線的開挖施工地下管道通常存在于地鐵站的建設(shè)過程中。而對(duì)地下管線,特別是大直徑管線進(jìn)行改遷,不但工程量大、造價(jià)高,有時(shí)可能無處可遷,而且會(huì)對(duì)城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響。因此,如何保證地鐵車站的順利建設(shè),同時(shí)盡量減少搬遷地下管線,顯得尤為重要。在基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中,當(dāng)有地下管線等的存在使得墻體中有不連續(xù)部位存在時(shí),根據(jù)背面地層狀況,有可能隨著開挖的進(jìn)行,墻體背面的土砂和水流到基坑內(nèi),使得開挖施工變得困難。同時(shí)擋墻背后的地層發(fā)生松弛,有可能使整個(gè)基坑發(fā)生危險(xiǎn)。因此,為了保持相鄰擋土墻間的連續(xù)性,需要建造能充分抵抗土壓力和水壓力的止水壁。目前國內(nèi)此方面的研究仍主要集中于基坑工程的開挖施工對(duì)周圍管線的影響分析,研究管線的位移、受力以及保護(hù)措施等。對(duì)于將管線原位懸吊而不搬遷,圍護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留局部缺口時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及加固方法仍然缺乏相關(guān)研究。國外如日本目前已經(jīng)有較為完善的施工工法。2地下連續(xù)墻與管道連接擬建地鐵車站頂板上方沿車站縱向有一地下管道,管徑3m,埋深3m。車站基坑的端頭井長15m,寬25m,開挖深度22m(為計(jì)算方便,全部取為整數(shù))。為減少計(jì)算工作量,在標(biāo)準(zhǔn)段靠端頭井處設(shè)置封頭墻,標(biāo)準(zhǔn)段長15m,寬19m,開挖深度20m。地下連續(xù)墻厚1m,端頭井部位墻深40m,標(biāo)準(zhǔn)段墻深37m。端頭井和標(biāo)準(zhǔn)段各設(shè)6道和5道?609的鋼管撐。車站局部基坑平面和縱斷面見圖1,2。為不截?cái)喙艿?地下連續(xù)墻與管道相交處在施工時(shí)留下一個(gè)比管線直徑略大(滿足施工要求即可)的通長缺口。缺口外土體采用可靠方法進(jìn)行加固,以保證基坑的穩(wěn)定。加固體的形狀假定為半圓柱體,直徑為5m,與缺口兩側(cè)地下連續(xù)墻各搭接1m,加固體深度為從管底至連續(xù)墻底。為了增加缺口處地下連續(xù)墻在開挖過程中的穩(wěn)定性,端頭井各道支撐均須設(shè)置圍檁。3地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)采用FLAC3D程序,模擬將管線原位懸吊而不搬遷,遇管線部位車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部預(yù)留缺口情況下,地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)施工過程,分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部留缺口的穩(wěn)定性,以及缺口外土體加固方法及加固效果。根據(jù)基坑開挖的影響范圍和程序限定的計(jì)算單元總數(shù),數(shù)值模型范圍為151m×145m×61m。模型的范圍在兩個(gè)方向均大于基坑平面尺寸的3倍。3.1數(shù)值模型計(jì)劃和工程假設(shè)11考慮到基底開挖的施工過程分步進(jìn)行土方開挖,分步施作支撐和圍檁,動(dòng)態(tài)模擬施工過程。2土體結(jié)構(gòu)單元土體和加固體均采用非線性彈塑性模型,屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。連續(xù)墻、鋼支撐、圍檁采用彈性模型。土體和加固體采用實(shí)體單元(Zone單元),連續(xù)墻采用Shell單元,鋼支撐和圍檁采用Beam單元?？梢酝ㄟ^在不同Shell模型的邊界節(jié)點(diǎn)處設(shè)置Link單元來模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中可能存在的塑性鉸。Shell單元通過節(jié)點(diǎn)與Zone單元相連來傳遞力和彎矩。3地下水的滲流作用由于目前上海地區(qū)大多數(shù)地鐵車站采用的地下連續(xù)墻和加固體具有較好的抗?jié)B透能力,并且在基坑開挖前要采取降水措施,因此地下水對(duì)基坑開挖計(jì)算的影響相對(duì)較小,所以計(jì)算不考慮地下水的滲流作用。4圍護(hù)結(jié)構(gòu)的考慮考慮到管道已在施工前通過懸吊等方法固定,另外研究的側(cè)重點(diǎn)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,所以在模型計(jì)算中不考慮管道結(jié)構(gòu),而僅考慮其位置和尺寸的影響。5計(jì)算參數(shù)根據(jù)上海地區(qū)常規(guī)地鐵車站基坑施工的特點(diǎn),選取具有代表性的材料參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1～3。3.2有深化加固措施復(fù)合墻與管道的連接根據(jù)國內(nèi)目前的施工技術(shù)情況及理論計(jì)算,選取了五種計(jì)算方案:Ⅰ圍護(hù)封閉無加固體;Ⅱ墻外加固,連續(xù)墻與管道相交處有寬3m通長缺口,加固體為半徑2.5m的半圓柱體;Ⅲ墻外加固,連續(xù)墻與管道相交處有寬3m通長缺口,加固體為截面5m×2m的長方體;Ⅳ墻外加固,連續(xù)墻與管道相交處有寬3m通長缺口,加固體為截面5m×3m的長方體;Ⅴ墻外加固,連續(xù)墻與管道相交處有寬3m通長缺口,加固體為截面5m×4.5m的長方體。主要針對(duì)方案Ⅰ,Ⅱ進(jìn)行計(jì)算分析。3.3安裝裝支撐和圍按照實(shí)際開挖施工順序,計(jì)算中基坑分八步進(jìn)行土方開挖、支撐:1)初始地層應(yīng)力平衡;2)施工地下連續(xù)墻(管線位置預(yù)留寬3m通長缺口),缺口外側(cè)施作加固體(管線以下至墻底)后,開挖至-1m;3)安裝第1道鋼支撐和圍檁,缺口部位修補(bǔ)(管線以上至地面部分),開挖至-7m;4)安裝第2道支撐和圍檁,缺口部位修補(bǔ)(管線以下缺口暴露部分),開挖至-10m(標(biāo)準(zhǔn)段至-11m);5)安裝第3道支撐和圍檁,缺口部位修補(bǔ)(新增缺口暴露部分),開挖至-13m(標(biāo)準(zhǔn)段至-14m);6)安裝第4道支撐和圍檁,缺口部位修補(bǔ)(新增缺口暴露部分),開挖至-16m(標(biāo)準(zhǔn)段至-17m);7)安裝第5道支撐和圍檁,缺口部位修補(bǔ)(新增缺口暴露部分),開挖至-19m(標(biāo)準(zhǔn)段至-20m);8)安裝第6道支撐和圍檁,缺口部位修補(bǔ)(新增缺口暴露部分),開挖至基坑底-22m,缺口部位修補(bǔ)(新增缺口暴露部分)。4加固體變形控制指標(biāo)對(duì)未封閉圍護(hù)結(jié)構(gòu)在加固后施工的安全性進(jìn)行分析。分析控制指標(biāo):1)加固體的變形不超過經(jīng)驗(yàn)允許值,且不發(fā)生塑性破壞;2)缺口外側(cè)地面沉降不超過經(jīng)驗(yàn)允許值;3)缺口部位的連續(xù)墻最大水平位移和內(nèi)力不超過經(jīng)驗(yàn)允許值。4.1基坑底部起落架由圖3可知端頭井端墻外地面沉降范圍較大,達(dá)到20m左右,最大沉降量約3cm。由圖4可知基坑底部隆起也較大,最大隆起量8cm左右。另外影響深度可達(dá)坑底以下約10m?？傮w上說,加固體的存在較為有效地控制了地面的沉陷和坑底的隆起。如果不進(jìn)行加固,第一步開挖后,缺口部位土體就會(huì)發(fā)生破壞。4.2基坑坑周屈服土體邊界距l(xiāng)從一般意義上講,基坑開挖引起的坑周屈服土體的多少將直接反映加固效果的好壞,因此統(tǒng)計(jì)了基坑開挖后洞周屈服單元的體積Vp作為評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)果見表4。由表可知,從土體屈服體積上講,采用方案Ⅱ進(jìn)行加固后較圍護(hù)墻連續(xù)時(shí)增加不多,約為17%?；娱_挖引起的洞周屈服土體的厚度直接決定基坑合理加固結(jié)構(gòu)的形式和尺度,因此統(tǒng)計(jì)出了坑周屈服土體邊界距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離L作為評(píng)價(jià)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的指標(biāo)之一,見表4。由表可得,加固方案Ⅱ端墻缺口外土體產(chǎn)生了較大范圍的塑性區(qū),影響系數(shù)增大了0.23,說明加固方案Ⅱ?qū)λ苄詤^(qū)范圍的控制不夠。4.3固場分析由圖5可知,加固體上向基坑內(nèi)的水平位移最大值約為2.5cm,位于-18m左右。4.4軸的支撐力分析支撐軸力的最大值為1280kN,發(fā)生在第4道支撐上,各道支撐的軸力最大值見表5。4.5無缺口時(shí)的基坑支護(hù)效果由圖3可看出,有缺口情況地表的最大沉降值為2.76cm,距離圍護(hù)墻12m。與無缺口情況相比,在基坑周邊10m以內(nèi)兩者相差較大,最大差值達(dá)到1cm;而在10m以外相差較小。由圖4可以看出,越靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu),坑底隆起量越小,基坑中部隆起量為8cm左右。無論有無缺口,隆起量基本一致,說明圍護(hù)墻局部開口對(duì)基坑的坑底隆起影響不大。由圖5可看出,無缺口時(shí)對(duì)應(yīng)位置加固體水平變形均比有缺口時(shí)的小。有缺口時(shí)加固體水平位移最大值約為2.45cm,發(fā)生在地下約18m處。無缺口時(shí)的最大值約為1.67cm。由圖6可看出,無缺口時(shí)對(duì)應(yīng)位置端墻水平變形均比有缺口時(shí)的小。有缺口時(shí)缺口旁端墻水平位移最大值為2.5cm,發(fā)生在地下約20m處,無缺口時(shí)的最大值約為1.7cm。由以上分析可知,無論是端墻還是加固體,有缺口時(shí)與無缺口時(shí)相比,水平位移均有較大增加,但并沒有超出地鐵車站基坑設(shè)計(jì)施工變形的控制要求(一般為一級(jí)基坑)。由圖7可看出,有缺口時(shí),缺口旁地下連續(xù)墻彎矩最大值為844kN·m,發(fā)生在地下約20m處,無缺口時(shí)相應(yīng)位置彎矩最大值為575kN·m。也就是說,缺口的存在會(huì)使缺口旁地下連續(xù)墻的彎矩增大。4.6加固厚度對(duì)支護(hù)效果的影響通過表6可以看出,不同加固體厚度的增加對(duì)坑外的地表沉降和坑底隆起的控制作用不大。但隨著加固厚度的增加,加固體的水平位移、開口附近地下連續(xù)墻的水平位移和彎矩都明顯減小。通過對(duì)以上計(jì)算結(jié)果的綜合比較,推薦Ⅱ和Ⅳ兩種加固方案,施工中具體采用哪種方案還應(yīng)根據(jù)施工的技術(shù)水平和施工機(jī)械情況進(jìn)行選擇。5加固方案的比較1)加固體在最大水平變形為2.5cm的情況下沒有發(fā)生明顯的塑性破壞,而且圍護(hù)墻缺口處的變形和內(nèi)力均在較合理的范圍內(nèi),坑底隆起量和坑外的地面沉降量也相對(duì)較小,從設(shè)計(jì)來講是可行的。同時(shí),施工中通過高壓旋噴法可以實(shí)現(xiàn)。2)通過對(duì)幾種加固方案的基坑底的隆起變形、基坑缺口附近土體的塑性區(qū)分布及水