型鋼混凝土梁在蓋挖逆作法地鐵換乘車站中的應用研究

張純華

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司,山東 濟南 250000)

近年來,各個城市的基礎設施建設工作快速發展,許多城市都在大力修建地鐵,隨之而來的是城市地下鐵路線路增多,許多車站承擔著雙線換乘、三線換乘等功能,地鐵車站結構也越來越復雜。典型換乘節點車站的形式大部分是“十”字換乘、“T”型換乘、“L”型換乘等,其施工大多采用蓋挖法、暗挖法和明挖法等[1-4]。太原地鐵下元站是太原地鐵1、3號線的換乘車站,也是目前太原市體量最大的換乘車站。下元站采用施工工序及力學轉換過程復雜的蓋挖逆作法施工,其結構采用鋼管柱+型鋼混凝土梁的支撐體系,以提高車站凈空和視覺通透性,提升旅客換乘舒適性。

目前型鋼混凝土梁已經普遍應用在高層建筑及商業綜合體中,以提升結構的整體性和抗震性[5-7],但型鋼混凝土梁在地下結構中使用較少。王薇等[8]為解決大面積混凝土澆筑后混凝土開裂問題,采用型鋼混凝土梁承擔施工荷載及水平土壓力,從而確保施工安全。但對于地鐵車站而言,應該考慮施工場地、施工時間、施工方案等因素,既能發揮型鋼混凝土梁的特點,又能工藝簡單。本文采用數值模擬的方法對下元站換乘節點有無型鋼混凝土梁進行對比,分析型鋼混凝土梁在下元站的適用性。

1 工程概況

下元站為太原市城市軌道交通1號線與3號線換乘車站,位于迎澤西大街與和平路交叉口,此路口車流量大,人群密集。1號線沿迎澤大街東西向敷設,下元站1號線為地下二層島+側式車站,站臺寬度23.3 m;下元站3號線沿和平路南北向敷設,為地下三層島式站臺,站臺寬度15 m。從環境、經濟、安全、技術等四個方面進行綜合考慮,確定下元站的車站換乘節點采用蓋挖逆作法、車站標準段采用明挖法的總體施工方案。

下元站換乘節點尺寸為46.4 m×56.42 m,兩層結構范圍基坑埋深約18.1 m,三層結構范圍基坑深度約25.1 m,結構如圖1所示。此范圍采用地下連續墻支護,各層板結構兼顧支撐作用,主體結構采用鋼管混凝土柱+型鋼混凝土梁的框架體系。頂板和地下一層板中型鋼梁結構如圖2所示。

圖1 換乘節點結構(橫斷面)(單位:m)

圖2 型鋼混凝土梁截面(單位:mm)

2 換乘節點施工有限元分析

2.1 計算模型的建立

為掌握型鋼混凝土梁的作用,采用有限元計算軟件ABAQUS對下元站換乘節點蓋挖逆作法施工過程進行模擬,模型尺寸為280 m×58 m×75 m,所建模型如圖3所示。土體和地連墻采用實體單元,車站結構采用殼單元,型鋼骨架、鋼管柱與柱下基礎采用梁單元模擬。鋼管柱采用等效剛度原理計算得到彈性模量。本文數值模擬作如下假定:

圖3 數值模擬模型

(1)假定土體為連續、均質、各向同性,地表和各土層是水平均勻層狀分布。

(2)假定土體服從摩爾-庫倫本構關系,混凝土和鋼材為理想彈性材料。

(3)本次計算除考慮重力場外,在頂板覆土后施加20 kPa的施工荷載。

(4)地連墻與土體、換乘節點車站頂板、底板與土采用“表面-表面”接觸,采用有限滑動方法模擬兩個面的相對移動,允許接觸面之間出現相對滑動的轉動。柱下基礎和型鋼骨架分別耦合在土體和車站結構中。為了解型鋼混凝土梁在結構受力體系中的作用,分別建立換乘節點施作型鋼混凝土梁和不施作型鋼混凝土梁的兩個計算模型,并對比計算結果,分析型鋼梁的作用。

2.2 土體及結構計算參數

車站換乘節點所處地層自上而下依次為:1-1雜填土,2-1-1粉質黏土,2-2-11黏質粉土,2-4-2粉細砂,2-6-2粗砂,2-7-2礫砂,2-9-2卵石等。車站埋深1.4 m,基坑最大開挖深度25.1 m,柱下基礎設計深度60 m,地連墻設計深度35.1 m。開挖范圍內土體強度較小。根據下元站地勘報告及規范,數值模擬土體和結構物理力學參數分別見表1和表2。

表1 土體計算參數

表2 換乘節點結構計算參數

2.3 施工工況

下元站換乘節點采用蓋挖逆作法施工方案,在ABAQUS中建立分析步,通過改變分析步中部件的激活狀態從而模擬基坑開挖和結構施作各工序。由于整個施工過程較為復雜,在數值模擬過程中對實際施工步驟進行適當簡化,不考慮基坑降水等施工前準備,在施作地連墻、鋼管柱及柱下基礎后,每次向下開挖3 m,直至開挖到車站底板位置。在地應力平衡后共設置了10個施工步,具體數值模擬施工步如表3所示。

表3 換乘節點蓋挖逆作法施工步序

3 數值模擬結果分析

3.1 型鋼骨架應力分析

頂板和地下負一層型鋼位移、應力云圖如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可知,型鋼梁以受拉為主,最大拉應力和最大豎向位移出現在地下負一層梁和中柱連接處,拉應力隨著基坑開挖不斷增大;開挖結束后拉應力達到31.96 MPa,豎向變形達到55.82 mm。換乘節點中間鋼管柱和型鋼梁連接處出現了應力集中,此位置應在設計和施工中重點關注。

圖4 型鋼應力云圖(單位:Pa)

圖5 型鋼梁位移云圖(單位:m)

3.2 車站計算結果對比

施作型鋼梁和未施作型鋼梁模型的頂板在開挖結束后應力和位移計算結果如圖6和圖7所示。

圖6 頂板最大主應力云圖(單位:Pa)

圖7 頂板豎向位移云圖(單位:m)

下元站換乘節點蓋挖逆作法時,基坑開挖后,土體卸荷作用導致基坑底部隆起,通過柱傳遞給頂板,同時兩側地連墻對頂板擠壓,導致在頂板出現向上的位移。施作型鋼梁模型最大隆起27.4 mm,最大拉應力3.72 MPa,最大壓應力3.16 MPa;未施作型鋼梁模型最大隆起27.71 mm,最大拉應力3.93 MPa,最大壓應力3.17 MPa。最大拉應力超過混凝土抗拉強度2.9 MPa,但是由于混凝土中內部鋼筋會提高各層板的整體抗拉強度,故換乘車站節點結構受力仍是安全的。

兩個模型在開挖結束后頂板應力和位移差值不大,頂板在覆土并施加施工荷載后頂板向下位移,此施工步下兩種工況下頂板跨中撓度曲線如圖8所示。施作型鋼混凝土梁相較于未施作型鋼混凝土梁撓度降低了約25%,隨著基坑的繼續開挖,頂板向上隆起。上述數據表明型鋼梁有效減小車站結構的撓度,增大了蓋挖逆作法頂板的安全性。型鋼梁有效提升了頂板的承載能力,使位移曲線更加平緩,防止了頂板和頂板覆土產生不均勻位移。

圖8 頂板撓度曲線

3.3 地下連續墻變形分析

下元站換乘節點處開挖完成后的地連墻位移和應力云圖如圖9和圖10所示。由此可知,施作型鋼梁模型地連墻向基坑內最大側移為23.71 mm,最大主應力1.024 MPa(受拉),最小主應力1.13 MPa(受壓);未施作型鋼梁模型地連墻向基坑內最大側移為24.83 mm,最大主應力1.022 MPa(受拉),最小主應力1.131 MPa(受壓)。兩個模型最大側移出現在地下二層處,最大主應力出現在地連墻與底板連接處,最小主應力出現在地連墻底部;兩個模型差值不大,說明在整個下元站換乘節點逆作法過程中,車站結構板起到了主要的支撐作用,型鋼梁對板的支撐作用影響相對較小,故僅匯總施作型鋼梁模型中地連墻各施工步累計側移,曲線如圖11所示。

圖9 施作型鋼梁模型位移和應力云圖

圖10 未施作型鋼梁模型地連墻位移和應力云圖

圖11 地連墻側移曲線

由圖11可知,地連墻側移峰值隨著基坑深度的增加而增加,當開挖完成后,地連墻側移趨于穩定并達到峰值,其峰值出現在深度14 m處,達到23.88 mm。其水平位移在開挖12 m以后變化速率增大,其原因應是12 m以后結構板混凝土等級較低且未施作型鋼梁,導致地連墻受較大土壓力影響下向基坑內部側移較大。地連墻在整個施工過程中呈現頂部和底部變形小、中間區域變形大的特點,此工況下的地連墻位移呈現類似“弓”字形狀、在各層板處變形減小,說明蓋挖逆作法操作時各層板對基坑起到關鍵的支撐作用,各層板的設計和施工關系到蓋挖逆作法基坑施工的安全和穩定。

4 數值模擬與變形監測結果對比

為了驗證數值模擬的可靠性,有必要對下元站換乘節點施工過程中現場變形監測結果與數值模擬結果進行對比。在數值模擬地層建立兩條監測路徑、路徑分布如圖12所示。兩條路徑上開挖結束后數值模擬結果和現場監測結果的對比如圖13所示。

圖12 地表沉降監測路徑

圖13 數值模擬和現場監測位移對比

從圖13中可以看出,數值模擬得到的地表沉降略大于現場監測值,路徑1的誤差相對較小,數值模擬得到的最大地表沉降約為16.5 mm,現場監測的最大地表沉降約為15.9 mm。路徑2的最大誤差出現在距離基坑中心最遠處,相差僅2.5 mm。誤差產生的原因主要是模型尺寸較小,邊界效應導致監測數據與數值模擬存在誤差,同時車站的蓋挖逆作法施工是一個十分復雜的過程,數值模擬無法完全模擬復雜的施工工況以及地層分布,這些因素都會導致誤差的存在。但從圖13中可以發現,地表沉降的變化規律比較接近,從而說明數值方法的有效性,也說明下元站換乘節點采用設置型鋼梁的蓋挖逆作法施工對地層的擾動位移較小。

5 結論

(1)對下元站換乘節點蓋挖逆作施工過程的數值模擬結果表明,由于換乘節點結構的本身剛度較大且材料強度高,結構中設置型鋼混凝土梁與否其受力及施工引起地下連續墻的應力相差不是很大,說明下元站換乘節點結構中的型鋼混凝土梁在進一步改善結構受力方面的作用不突出。

(2)通過對下元站換乘節點有無型鋼的兩個模型進行對比分析,發現型鋼梁可以顯著降低車站蓋挖逆作法施工時頂板覆土后的撓度。從這方面來講,型鋼混凝土梁對抵抗結構變形具有明顯的積極作用。

(3)數值計算和現場監測結果都說明,設置型鋼混凝土梁的換乘節點蓋挖逆作法施工引起的地表位移得到有效控制。數值模擬結果和現場變形監測數據較為吻合,驗證了數值模擬結果的可靠性。

(4)下元站換乘節點采用蓋挖逆作法施工,因施工空間受限,而型鋼梁+鋼管柱的支撐體系對安裝精度的要求較高,施工難度較大。當工程環境對工程施工的限制不是很苛刻時,也可以采用小型號的型鋼梁,從而減少工程造價和降低工程施工難度。