拱盖法地铁车站拱脚围岩受力特征分析--中国期刊网

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拱盖法地铁车站拱脚围岩受力特征分析

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：余良滨

[导读] 摘要：上软下硬地层中，利用拱盖法修建城市地铁车站目前应用较多，拱盖法利用拱盖（车站顶板）作为支护体系向下逆作开挖，拱脚受力较大且围岩应力分布复杂，存在失稳风险。

        广州地铁设计研究院股份有限公司 510010
        摘要：上软下硬地层中，利用拱盖法修建城市地铁车站目前应用较多，拱盖法利用拱盖（车站顶板）作为支护体系向下逆作开挖，拱脚受力较大且围岩应力分布复杂，存在失稳风险。为确保拱脚有足够的安全度，对拱脚围岩受力进行计算并分析其强度冗余量。研究结果表明，拱脚应力呈类抛物线型分布，峰值应力较高，因此设计时应考虑一定的强度富余量，保证拱脚围岩稳定性。
        关键词：地铁车站；拱盖法；结构设计
        1.引言
        拱盖法是基于盖挖法、洞桩法施工工艺创建一种的新型暗挖工法，拱盖法以大尺寸拱脚代替洞桩法中的边桩，利用基岩的高强度，在施工完成扣拱、形成稳定的拱盖支护体系后，采用逆作法或顺逆作结合完成主体结构的施工。该工法适用于上软下硬的风化岩石地层，由于工法对围岩的稳定性及承载能力要求较高，一般都要求在不爆破或弱爆破的条件下开挖。根据地层、车站结构形式的不同，开挖工法均有所差异，如大连地铁一号线中山广场站设置中柱[1]，并借鉴了PBA工法的施工工法，设置小导洞，并在到洞内施工主体结构永久柱及扣拱等；一二九街站采用单拱单跨的结构形式[2]，无中柱、边桩，在扣拱施工完成后，拆除初支侧壁，向下顺做开挖主体结构基坑，采用锚索进行支护，直至车站整体浇筑完毕。李卫等[3]利用大比尺的三维模型进行了实验分析，得出了拱盖法在上软下硬岩层中的地层变形和围岩应力释放规律，研究表明围岩应力释放将导致较大的地层变形，及时进行支护有利于遏制变形发展。李光权等[4]对青岛三号线的中山公园站拱盖法开挖进行了地表沉降监测，监测结果表明，开挖断面通过掌子面一定距离后沉降速率和沉降总量均达到最大，减少进尺和及时支护可有效控制地层变形。从前人研究中可以看出，拱盖法开挖过程中，拱盖体系的整体稳定性对于控制变形，保证下部围岩开挖的安全起到关键作用。而拱盖拱脚的支承于围岩上，现有理论和研究表明围岩应力分布可能为非线性分布，因此有必要研究施工过程中其应力分布，本文通过数值分析研究拱脚围岩受力特征。
        2.数值分析模型
        2.1模型参数
        以某拱盖法车站为例，地层从上到下依次为人工填土层<1>、中砂层<3-2>、粉质黏土层<4N-2>、岩石全风化带<6>、岩石强风化带<7-1>、岩石中风化带<8-1>、岩石微风化带<9-1>、<9-3>，综合围岩等级为IV级。利用荷载结构法，计算其拱顶内力，根据《铁路隧道设计规范（TB 10003-2016）》，车站埋深判定为超浅埋，按全土柱施加土体荷载，按照《地铁设计规范（GB 50157-2013）》、《建筑结构荷载规范（GB50009-2012）》、《建筑结构可靠性设计统一标准（GB50068-2018）》进行计算，拱顶每延米荷载设计值为362 kN/m。拱脚岩层简化为非线性仅受压弹簧，拱脚围岩为<9-1>微风化砾岩，其水平基床系数为Kh=700 MPa/m，垂直基床系数为Kv=800 MPa/m。扣拱每延米截面尺寸为1m×0.9m（截面高度）。拱脚尺寸为1.5m（高度）×1.7m（宽度），拱脚底部与围岩接触面长度约为1m。
        利用MIDAS NX建立荷载结构法模型，由于站体长度较长，拱脚利用二维平面应变单元模拟，采用C35混凝土材料。中柱与扣拱相交处为简化为铰接连接，由于车站结构对称，因此仅建立一半模型，并施加对称约束。扣拱结构尺寸示意图如下，分析工况为扣拱、中柱已施工完成，向下逆作开挖主体范围内岩层，此时拱脚支承与围岩上。
        2.2 计算结果分析
        从计算结果可以看出，拱脚处围岩侧面及底部应力均为非线型分布。拱脚侧面围岩底部为受压，最大压力为171 kPa，这是由于拱盖受力后拱脚处绕角点发生一定偏转，拱脚底部发生朝围岩方向的位移，因此拱脚处水平方向围岩受力较大。同理，同理拱脚底部围岩在这种位移模式下应力呈非线性分布，应力分布类似抛物线型，但大致随着远离角点而增大，最大值为4810 kPa，围岩地基承载力特征值为4900kPa，因此均能满足要求。

图1.简化模型示意图
从计算结果可知，由于围岩应力分布不均匀，若荷载持续增大围岩峰值应力可能大于其地基承载力特征值，部分围岩可能发生局部破坏或塑性变形，加之施工时爆破开挖等对围岩产生扰动，强度下降，存在拱脚位移过大、拱盖体系失稳的风险。为保证围岩的整体性，拱脚处应该采用机械开挖。

        图2.计算结果示意图
        3、结语
        本文通过二维平面有限元模型计算，得出了拱脚处围岩应力分布特征，结果表明，围岩并非呈理想的均匀分布状态，而是因拱脚发生一定的偏转而呈类抛物线形分布。因为在进行拱盖法设计时，应充分考虑围岩的的应力分布不均匀现象，保证足够的强度冗余量，防止因围岩局部崩坏而发生险情。
        施工时应采取措施保证围岩的完整性，减少爆破开挖次数，在开挖拱脚时采用机械开挖，保证围岩强度和整体性。
        参考文献：
        [1]李卫,张庆松,杨为民,李克先,姜其琛,张连震,张世杰,李夏,杨红鲁.大跨硬岩地铁车站拱盖法开挖力学机制及适用性分析[J].应用基础与工程科学学报,2019,v.27(04):831-842.
        [2]吕波.暗挖地铁车站拱盖法关键施工技术[J].现代隧道技术,2014,v.51;No.356(03):181-187.
        [3]钟国.地铁车站的一种新型暗挖施工工法——拱盖法[J].城市轨道交通研究,2012,v.15;No.118(08):145-148.
        [4]张光权,杜子建,宋锦泉,蔡建德,陶铁军. 地铁车站拱盖法施工沉降监测分析及控制对策[J].岩石力学与工程学报,2012,v.31;No.262(S1):3413-3420.