（岩土工程专业论文）中洞法开挖的地铁车站二衬结构施工受力分析.pdf

北京交通大学硕士学位论文摘要 摘要 北京地铁施工中所采用的中洞法是以c d 、c r d 法为基础，继侧洞法 和柱洞法( p b a 工法) 之后发展起来的一种开挖大型浅埋暗挖地下洞室 的新工法。与过去所采用的浅埋暗挖法相比，中洞法能够在较低经济代 价的基础上很好地控制开挖期间的地表沉降，满足城市环境安全的要 求，在技术上具有很大优势。同时在工程实践中也发现，中洞法施工时， 由于中洞的二衬浇筑与中洞开挖和初期支护之间的时间间隔较短，中洞 二衬结构在初期支护变形尚未完成时已经参与共同工作j 同时在侧洞开 挖时，围岩体已经形成的力学平衡再次被改变，需要与衬砌结构共同变 形重新达到新的平衡，已形成的中洞二衬结构的受力状态将又一次发生 变化，其内力分布状况和变形量也要进行相应的调整。这些问题在实际 工程中并未得到深入考虑和研究，造成一系列工程问题，因此需要对其 进行深入研究并引起足够重视。 本文将从以上现状出发，重点以北京地铁五号线几座典型的中洞法 车站为例，对中洞法地铁车站的二衬结构进行施工阶段的全程力学分析 研究并了解其在各个施工阶段的力学行为，确定了最不利荷载工况，从 而得出了中洞法地铁车站计算分析过程和结构设计的一般流程，并对中 洞法地铁车站结构的断面形式进行了一定的优化。 关键词：中洞法；二衬结构；围岩；f l a c 3 d ；数值分析 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nc e n t e rd i a g r a mm e t h o da n dc e n t e rc r o s sd i a g r a mm e t h o d ， c e n t e rd r i f te x c a v a t i o nm e t h o di sd e v e l o p e da san e wc o n s t r u c t i o nm e t h o d f o rt h el a r g e s c a l es h a l l o wt u n n e le n g i n e e r i n ga f t e rs i d ed r i f te x c a v a t i o n m e t h o da n dp b am e t h o d c o m p a r e dw i mt r a d i t i o n a ls h a l l o wt u n n e l c o n s t r u c t i o nm e t h o d c e n t e rd r i f te x c a v 撕o nm e t h o dc a l lc o n t r o lt h es u r f a c e s e t t l e m e n ti nc o n s t r u c t i o na n dm e e tt h er e q u i r e m e n to fc i t ye n v i r o n m e n t s a f e t ya n da sw e l la sh a v ed o m i n a n tt e c h n o l o g y , w h i c hi sb a s eo nl o w e r e c o n o m i cc o n d i t i o n h o w e v e ri np r a c t i c ei ti sf o u n dt h a tt h ec o n s t r u c t i o n t i m es l o tb e t w e e ni n i t i a ll i n i n ga n ds e c o n dl i n i n gf o rc e n t e rd r i f te x c a v a t i o n m e t h o di sl e s st h a nf o rt r a d i t i o n a ls h a l l o wt u n n e lc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，s o s e c o n dl i n i n gw i l lt a k eo i lt h ew e i g h to fs u r r o u n d i n gr o c kb e f o r et h e d i s t o r t i o no f i n i t i a l l i n i n gh a v ef i n i s h e d a tt h es a m et i m ew h e nt 1 1 es i d ed r i f t i s e x c a v a t e d ，t h el o a do nt h es e c o n dl i n i n gw i l lc h a n g ea g a i na n d a c c o r d i n g l yt h ei n t e r n a lf o r c ea n dt h ed i s t o r t i o no fs e c o n dl i n i n gw i l la l s o a d j u s ti t s e l f , t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yf o rc e n t e rd r i f te x c a v a t i o nm e t h o dt o m a k et h o r o u g hr e s e a r c h s oi nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea b o v ef a c t sa n ds e v e r a lt y p i c a ls t a t i o n s c o n s t r u c t e db yc e n t e rd r i f te x c a v a t i o nm e t h o do nb e i j i n gm e t r ol i n e5 ，t h e m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e c o n dl i n i n go fs t a t i o nu n d e rc o n s t r u c t i o n w e r es t u d i e dt oa c h i e v et h ew o n t1 0 a d t h ec a l c u l a t i o n a lp r o c e s sa n dt h e s t r u c t u r a ld e s i g nf o rt h em e t r os t a t i o nc o n s t r u c t e db yc e n t e rd r i f te x c a v a t i o n m e t h o dw e r eo p t i m i z e d t h eg e n e r i cf l o wo fs t r u c t u r a la n a l y s i sa n dm o r e r a t i o n a lt r a n s e c ts h a p eo f s u b w a ys t a t i o nw e r ea c h i e v e d k e yw o r d s ：c e n t e rd r i f te x c a v a t i o nm e t h o d ；s e c o n dl i n i n g ；s u r r o u n d i n g r o c k ：f l a c ；n u m e r i c a lv a l u e i i 北京交通大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 1 1 问题的背景及意义 随着我国综合国力的提高，许多大城市皆将跻身于国际大都市，其 城市现代化建设也必将提速，而缓解城市交通压力的城市地铁建设将是 重中之重。就目前，北京、上海、广州、深圳、南京、天津、沈阳、成 都等城市地铁正在修建，杭州、武汉、重庆、青岛等城市地铁也正在试 验准备阶段，可以预料，2 1 世纪必将是我国城市地铁建设的高峰时期1 。 由于经济住、地层的复杂多变以及特殊的环境条件，在未来一个相当长 时期内，对地层有较强适应性和高度灵活性的浅埋暗挖法仍会在城市地 铁隧道的建设中得到不断完善和大力推广。 对于地铁车站的建设，由于其功能单元繁多结构形式复杂，同时考 虑国内的技术和经济原因，在不满足明、盖挖条件时，地铁车站大多选 择采用浅埋暗挖法施工，几乎很少考虑用盾构法施工2 ，从而奠定浅埋 暗挖法在非开挖地铁车站建设中的重要地位。修建地铁车站的浅埋暗挖 方法主要包括：侧洞法、柱洞法( p b a 工法) 和继它们之后发展起来的 中洞法。侧洞法和柱洞法早在上世纪9 0 年代北京地铁复八线建设中就 得到充分的应用3 ，技术已经非常成熟，在这里不再赘述，中洞法是以 c d 、c r d 法为基础继侧洞法和柱洞法之后发展起来的一种开挖大型浅埋 暗挖地下洞室的新工法。它最早运用于铁路、公路隧道连拱隧道的开挖， 由于这种工法在地表沉降和工程造价控制方面具有很大优势，逐步应用 于浅埋暗挖地铁隧道的施工中，在大跨度连拱区间隧道和暗挖车站中具 有很好的应用前景，尤其适用于三跨两柱式暗挖车站的施工。中洞法 在地铁建设中大规模应用开始于北京地铁5 号线。据不完全统计，北京 北京交通大学硕士学位论文绪论 地铁五号线蒲黄榆、天坛东门、瓷器口、崇文门和东四等车站的全部或 部分结构的施工采用了中洞法。 与传统的浅埋暗挖法相比，中洞法能够在较低经济代价的基础上很 好地控制开挖期间的地表沉降，满足城市环境安全的要求，在技术上具 有很大优势。同时在工程实践中也发现，与传统的浅埋暗挖法相比，中 洞法施工时，由于中洞的二衬浇筑与中洞开挖和初期支护之问的时间间 隔较短，中洞二衬结构在初期支护承受围岩压力作用下的变形尚未完成 时已经参与工作，同时在侧洞开挖时，围岩体的力学平衡再次遭到破坏， 需要与衬砌结构共同变形重新达到新的平衡，已浇筑的中洞二衬结构的 受力状态将又一次发生变化，其内力分布状况和变形量也要进行相应的 调整，需要对其足够重视和深入研究。 1 2 中洞法施工过程及原理概述 1 2 1 中洞法的施工过程 中洞法地铁车站的开挖步骤一般为： 1 ) 施做小导管或大管棚，超前加固中洞开挖范围的拱顶地层； 1 ) 采用c r d 法开挖中导洞； 2 ) 铺设部分防水层，施做部分底板、底纵梁； 3 ) 施做钢管桩、中纵梁及部分顶板、顶纵梁； 4 ) 拆除临时中隔壁，施做拱部、中楼板、底板剩余部分二衬； 5 ) 对称开挖边孔上导坑，及时施做封闭初期支护； 6 ) 对称开挖两侧边跨及时拖作封闭初期支护； 7 ) 拆除中洞下部临时支撑，施做二次衬砌； 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 8 ) 拆除临时仰拱及中洞部分临时支撑，施做二次衬砌； 9 ) 拆除临时仰拱及中洞部分临时支撑，施做两侧边墙及中板二次 衬砌； i o ) 拆除剩余临时支撑，施做边墙及拱部二次衬砌。 0 圆固 固固冒 国酉 固固 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 1 ) 图1 - 1 中洞法地铁车站的开挖步序图 1 2 2 中洞法的基本原理及主导思想 中洞法的基本思想与传统的浅埋暗挖c r d 工法、侧导洞法是一致 的，都是通过设置临时仰拱和中隔壁把地下大空间开挖分解成若干个小 空间的开挖，不仅可以减小单次开挖断面的面积同时也提高了初期支护 的总体刚度和承载力，从而在开挖期间改善围岩的应力场，减小因开挖 形成的塌落拱的高度，有效地提高开挖期间围岩的稳定性。 仅就施工过程看，中洞法与其它传统的浅埋暗挖( c r d 工法、侧导 洞法) 的区别主要在于开挖和中跨二衬施做顺序上的不同5 ，但经过分 析发现，正是因为以上两方面的区别，使得中洞法与传统的浅埋暗挖法 之间施工力学方面有了本质的区别，主要表现在： 传统的浅埋暗挖法是在初衬支护下围岩基本达到稳定，初期支护变 形基本完成后再施做二衬结构，二衬结构只承受很小的施工荷载，其承 担的荷载主要来自初期支护在侵蚀作用下承载能力降低的部分和长期 的地下水头压力，设计二衬结构时只需进行使用阶段的终态力学分析即 可满足要求6 。 与传统的浅埋暗挖法不同，中洞法施工时，由于中洞的二衬浇筑与 中洞开挖和初期支护之间的时间间隔较短，中洞二衬结构在初期支护承 4 北京交通大学硕士学位论文绪论 受围岩压力作用下的变形尚未完成时已经参与工作，同时在侧洞开挖 时，围岩体的力学平衡再次遭到破坏，需要与衬砌结构共同变形重新达 到新的平衡，已浇筑的中洞二衬结构的受力状态将又一次发生变化，其 内力分布状况和变形量也要进行相应的调整7 。 在中洞法施工的车站结构设计中，采用传统的方法进行受力分析， 其受力阶段划分不明确，所得到的结果不能完全反映围岩的力学状态和 二衬结构的力学行为随开挖过程的变化，不能准确的得n - 衬结构的最 不利工况也无法对其裂缝展开过程和程度进行正确的估计。 本文将从以上现状出发，以北京地铁某车站为例对中洞法地铁车站 的二衬结构进行施工阶段的全程力学分析研究并了解其在各个施工阶 段的力学行为，以确定最不利荷载工况，从而有效的优化计算分析过程， 并进一步得出中洞法地铁车站结构分析的一般流程。 1 3 本论文的主要工作及研究技术路线 1 3 1 论文的主要工作 通过施工模拟及内力分析，研究中洞法修建的地铁车站的二衬结构 在各施工阶段中的力学行为及其变化规律，并以此为基础创建一套针对 中洞法较为系统完整的计算分析理论，以指导中洞法暗挖车站的设计和 施工。 1 3 2 研究技术路线 本课题的整个研究过程将以如下的技术路线为指导，并在课题的实 施阶段不断加以完善： 1 ) 建立有限元地层一结构模型分析计算，得出衬砌结构在各施工阶段 的内力分布状况和变形量，并以此为基础确定整个施工过程中的最 不利工况8 。 5 北京交通大学硕士学位论文绪论 2 ) 以上述结果为依据，对作为设计依据的结构一荷载模型进行优化， 采用结构一荷载模型对施工过程中的控制工况和最不利工况的初期 支护和二衬进行内力计算，得出设计控制内力。 3 ) 将以上两步所得二衬结构的内力及变形结果进行比较分析，得出两 种方法的联系和区别。 4 ) 依据各控制荷载内力的分布情况，对中洞法断面进行优化。 5 ) 归纳总结研究成果，得出中洞法设计的一般步骤及方法。 6 ) 详细的路线见下图： 镫粼的 ：”埔限元分析软件 ； l l 各施乇篇熟钏 控制工况及最不荆工况 精八 增量浩荷载结构模型 借助轴p 有 输出 軎施工阶段结构的设计内力 分析比较 对中洞珐断面进行优化设计 舟析得出结论 提出夸后中嗣法设计应采用的一般方j 圭| 图1 2 课题研究技术路线 6 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 第2 章中洞法地铁车站开挖过程模拟 2 1 工程概况 北京地铁5 号线某车站位于两条街的交叉路口地下，呈南北向，埋 深约1 0 1 2 m ，车站全长1 8 0 m ，车站为三拱两柱双层结构，向北以0 3 的坡度上坡，车站最大开挖宽度2 1 8 7 0 m 。本工程所处地区均属于永定 河冲积扇地区，土层以第四季冲积洪积为主。其主要为回填土、粘性土、 砂类土，围岩分类为v 级。自地面向下依次为杂填土层、素填土层、 粉细砂土层、粉质粘土层、粉土层、粉细砂层、中租砂层、粉质粘土层、 圆砾层、粘土层、粉质粘土层、粉土层。 图2 1 1 车站总平面图 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 本站主体为三拱两柱双层复合衬砌结构，采用中洞法施工。初期支 护为格栅钢架及网喷c 2 0 混凝土联合支护，厚度3 0 c m ：二次衬砌为c 3 0 防水混凝土结构，标准厚度5 0 0 m 。初期支护与二次衬砌之间设柔性防 水层。顶纵梁采用型钢混凝土组合梁；底纵梁采用防水钢筋混凝土；柱 采用双排钢管混凝土柱。 。卜船艺簟了搿i l ， 、j e i 1 h 基辨k 譬芝丑甄剪 ；塾 ! i 日f 。i ：尸浔 罂一 l 士 # m _ 一日 一十m * _ 一r ” 一一一f 图2 1 2 车站结构断面图 2 2f l a p 计算程序简介9 f l a c 是连续介质快速拉格朗日法分析( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i s o fc o n t i n u a ) 的英文缩写，简称f l a c 程序，它是由美国i t a s c a 咨询集 团公司利用拉格朗日元法开发的计算软件。它利用了节点位移连续的条 件，可以对连续介质进行非线性大变形分析，可以模拟六种不同本构 关系的材料，可以用于模拟地应力场生成，地下工程的开挖，混凝土衬 砌、锚杆( 锚索) 设置、地下水渗流等，是较为理想的地下工程开挖模 拟分析软件”。 i f ；。；。“ 一f ；斗 。；一。一。雄 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 1 )f l a c 软件原理： f l a c 软件采用一种新的数值分析方法拉格朗日元法( l a g r a n g i a n e l e m e n tm e t h o d ) ，它很适合于求解非线性的大变形问题，在岩土力学 中有广泛的应用前景。该软件应用了显式的有限差分法代替了原先广泛 使用的隐式有限元法，将计算区域内的介质划分为若干个单元，单元之 间用节点相互连接。程序把所研究的区域划分成网格，然后按时步用拉 格朗日法来研究网格结点的运动，这种方法就是拉格朗日元法“。 2 ) f l a c 软件的特点主要体现在以下两方面“： 强大的前后处理功能 实现对多种材料和多种工况的模拟 2 3 计算模型的建立 采用数值模拟软件f l a c ”建立3 维有限元地层一结构模型，模拟中洞 法施工的整个过程，通过计算机分析得到隧道围岩及衬砌结构在施工过 程中的变形及应力的变化过程，通过计算分析结果重点对中洞二衬结构 从侧洞开挖至施工完成过程中在各个施工阶段的力学行为进行研究。 2 3 1 计算所采用本构关系及模型假定 1 ) 土层材料采用摩尔一库仑模型计算； 2 ) 强度准则采用摩尔一库仑准则，变形模式采用大应变变形模式； 3 ) 假定地表和各土层成层均质水平分布； 4 ) 没有考虑地下水渗流在隧道开挖过程中的影响； 5 ) 地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化”； 6 ) 结构材料采用线弹性本构关系 9 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 2 3 2 有限元单元的选择 1 ) 对复合式钢格栅混凝土衬砌采用壳体单元模拟； 2 ) 二衬采用实体单元模拟； 3 ) 开挖步距约为0 7 5 m ，以不同材料参数模拟掌子面前方超前预加固 措施； 4 ) 通过指定区域材料性功能的变化来模拟整个施工过程的迸行。 2 3 3 边界约束条件 计算范围：上取至地面，下取至隧道底部以下2 4 5 米处，横向取 至距洞室中线6 3 8 l 米。在隧道轴线方向，由于主要研究二衬的受力和 对施工对地层的影响，取四跨结构足够模拟整个车站范围地层和结构响 应，纵向取2 4 米。 该模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平移动；底部限制垂直 移动。模型上面为地表，取为自由边界，如图4 - 4 。 i z 地表 饕 饕 饕j ( 图2 3 1模型边界条件 2 3 4 计算参数的确定 根据地铁车站处的地层分布状况，将整个模型范围的各层土简化 为成层均质水平分布，模型计算所取的地层参数见表2 3 1 ，大管棚和 小管棚加固地层均采用提高土体参数的方法模拟，车站结材料参数见表 2 3 2 。 1 0 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 表2 3 1 地层计算参数 层厚重度弹性模量粘聚力 内摩擦角 土层名称 泊松比 ( ) ( k n m 3 )( m p a )( k p a ) ( 度) 杂填土层 0 4 1 6 5 80 3 551 0 素填土层 1 71 790 3 51 08 粉土层 1 7 32 0 41 5 1o 2 93 13 4 粉细砂层2 41 91 3 1 2 5o 2 6o 1 2 5 粉土( 夹粉质 3 2 1 52 0 41 60 2 92 4 13 4 粘土) 层 粉细砂层 3 2 61 9 52 0 6 2 50 2 60 13 0 中粗砂层 3 8 2 03 2o 2 3 0 13 0 粉质粘土层 8 3 2 2 0 29 6 7 50 2 9 4 1 61 8 圆砾土层 l 2 1 5 4 3 1 2 5 0 2 0 14 0 粉土( 粉质粘 土) 层 62 01 2 6o 2 80 1 3 0 粉土层 1 7 1 32 0 12 0 o 2 7 2 63 0 表2 3 2 地层加固及结构计算参数 厚度 重度弹性模量粘聚力内摩擦角 材料名泊松比 ( m ) ( k n m 3 )( m p a )( k p a ) ( 度) 大管棚加固 22 1 58 0 o 2 5 1 5 04 5 地层 小导管加固 o 52 l6 0o 2 51 2 04 0 地层 初期支护 o 32 32 8 0 0 0 0 2 二衬 0 52 53 1 0 0 0 0 2 钢管混凝土 柱 o 82 53 3 5 0 00 2 其它车站结 0 4 2 53 1 0 0 0 0 2 构 l6 7 注：表中参数根据以往工程实测数据结果选取 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 2 3 5 单元划分及施工工况模拟 数值计算网格剖分时，考虑中洞法施工对隧道周围较近土体扰动更 剧烈些，因此在进行离散化时，这部分网格剖分更密集，如图2 3 2 和 图2 3 3 所示。 图2 3 2 图2 3 3 1 2 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 表2 3 3 中洞法开挖数值模拟步序 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 1 4 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 1 6 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 2 4 计算结果 通过f l a c 3 d 程序对整个车站施工过程的模拟计算，得出了各个阶段 中初期支护的内力值和二衬的应力值，选取具有代表性的四个施工阶段 来对比研究，分别为中洞范围的二衬施做完毕、侧洞开挖一半、侧洞开 挖完毕和侧洞二衬施做完毕，考虑到边界的影响，选取结构纵向中部的 两个典型横断面研究，分别为中部立柱( 图2 4 1 第二排柱子处) 所在 平面和结构跨中平面( 图2 4 1 第二、三排柱子中间) 。 图2 4 1 车站结构模型图 由于在模型的计算过程中，二衬及立柱等结构是采用实体单元模 拟，但该软件在后处理中只能输出实体单元的应力，不能直接输出由实 体单元组成的结构的内力值，所以在此处采用在结构截面上对应力进行 积分的方法得出轴力、弯矩和剪力“，具体步骤如下： 囤坐标转换 将整体坐标系下单元中积分截面上的任意一点应力( 取、q 、肿) 7 通过坐标转换得到截面局部坐标系下该点的应力( 吼、吒) 7 ，转换公式 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 推导如下： 鼢巴珊 阱 铷 即阱 黝睫珊 其中吒、0 分别为截面的法向应力和切向应力 墨，耳分别为吒、o 在矗j ，轴的投影 、l 分别为积分截面与矗y 轴的方向余弦 y 图2 4 2 军站结构模型图 戳内力转换 设截面内力为 f = 【qm 】7 则由数值积分方法可得 = s d n = p 。d q x ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 q = = 卜。d r 2 on m = 肛：= f ( x 耳- y x t , ) d m ： nn ( 2 6 ) ( 2 7 ) 各阶段内力结果如下： 1 ) 中洞范围的二衬施做完毕 根据模型计算结果，将所选择的两个分析横断面处的二衬应力 吒、o - , 、表示在同一张图上，分别分析跨中和柱上两处的断面内力： 表2 4 1中洞范围的二衬施做完毕二衬应力 1 9 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 根据内力转换公式，通过应力求得二衬内力n 和m 结果见表2 4 2 ， 由于结构设计中是以轴力和弯矩来进行结构截面设计，所以此处没有计 算剪力；初期支护只研究与二衬接触位置内力，结果见表2 4 3 ， 2 0 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 表2 4 3 中洞范围的二衬施做完毕初期支护内力( k n 、盘m ) 跨中断面柱上断面 学岑b 矿 彳毒奄， mnm n 弘 宰呼 遵 罩巧 2 ) 侧洞开挖一半 根据模型计算结果，所选择的两个分析横断面处的二衬应力 吸、q 、见表2 4 4 ： 表2 4 4 侧洞开挖一半时中洞二衬应力 2 1 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 根据内力转换公式，通过应力求得中洞二衬内力n 和m 结果见表 2 4 5 ，初期支护内力结果见表2 4 6 表2 4 5 侧洞开挖一半时中洞二衬内力 跨中断面柱上断面 黪活乎咚v 如， 、 一寺 ：0 2 i b l 恤 i 迁卸 g暑 2 5 结果分析 对以上计算结果数据进行具体分析，表2 4 1 3 2 4 1 6 列出了中 洞二衬在各个阶段的内力结果，对应应力图和内力图，从表中数据可以 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 看出，在整个的施工过程中，二衬的内力的变化是从小增加到大再减小 的过程，最大内力出现在侧洞开挖完且没有施做侧洞二衬阶段，说明该 阶段是控制工况。 表2 4 1 3 中洞二衬顶拱内力结果( 跨中) 最大正弯相应轴最大负弯相应轴 施工阶段 矩( k n m )力( k n )矩( k n m )力( k n ) 中洞范围的二 2 4 3 5- 6 1 2 8- 3 8 2 - 7 7 4 5 衬施做完毕 侧洞开挖一半4 8 9- 7 6 65 6 7- 1 0 0 9 4 侧洞开挖完 6 4 7 7- 4 4 67 3 0 41 2 4 2 5 侧洞二衬作完 4 8 2 5- 4 0 4 6 5 4 0 91 1 0 3 4 图2 4 2 中洞= 衬顶拱内力随施工过程变化曲线( 跨中) 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 表2 4 1 4 中洞二衬顶拱内力结果( 柱上) 最大正弯相应轴最大负弯相应轴 施工阶段 矩( k n m )力( k n )矩( k n m )力( k n ) 中洞范围的二 3 2 5 2- 6 1 03 1 3 3- 7 8 0 衬施做完毕 侧洞开挖一半4 0 6 - 6 2 7- 3 9 1 67 1 2 侧洞开挖完 5 2 7 3- 5 6 0- 4 6 6 21 1 3 1 侧洞二衬作完 4 2 9- 3 8 5 9- 4 9 4 9- 9 4 5 4 4 图2 4 3 中洞二衬顶拱内力随施工过程变化曲线( 柱上) 表2 4 1 5 中洞二衬仰拱内力结果( 跨中) 最大正弯相应轴最大负弯相应轴 施工阶段 矩( k n m )力( k n )矩( k n m )力( k n ) 中洞范围的二 3 1 5 4 1 9 0 2- 5 2 0- 2 6 7 2 衬施做完毕 侧洞开挖一半8 5 0 6 3 0- 6 5 01 0 0 0 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 最大正弯相应轴最大负弯相应轴 施工阶段 矩( 肼m )力( k n )矩( 肼m )力( k n ) 侧洞开挖完 9 5 8- 4 8 0 4- 6 7 1 一1 1 5 1 - 5 侧洞二衬作完 7 6 7 6- 4 2 2- 5 3 3 - 9 3 3 6 图2 4 4 中洞二衬仰拱内力随施工过程变化曲线( 跨中) 表2 4 1 6 中洞二衬仰拱内力结果( 柱上) 最大正弯相应轴最大负弯相应轴 施工阶段 矩( k n m )力( k n )矩( k n m )力( k n ) 中洞范围的二 4 2 5 3 1 8 8 - 4 8 2- 2 6 5 4 衬施做完毕 侧洞开挖一半8 2 14 3 0- 4 6 2- 5 8 5 侧洞开挖完8 7 6 4 9 5- 5 0 8 51 0 0 0 侧洞二衬作完 6 8 1 24 2 9 8 - 4 6 6 7 - 7 7 4 8 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 图2 4 5 中洞二衬仰拱内力随施工过程变化曲线( 柱上) 2 6 小结 从以上分析结果可以得到以下结论： i ) 中洞法开挖的地铁车站的施工力学的转换过程非常复杂，伴随 隧道洞室的开挖，由于围岩的应力状态及衬砌结构形态的变化，结构构 件内部的应力分布以及结构构件间的力学传递关系都会不断的发生改 变，设计时需要动态的把握整个施工过程中的力学行为变化，准确确定 结构的最不利受力状态，才能确保设计的结构在施工阶段及使用阶段满 足安全性及正常使用要求。 2 ) 中洞法车站中洞的二衬结构要经历施工期间和使用期间两个不 同阶段的荷载工况，由于耐久性的要求，需要保证其在施工期间及使用 阶段的混凝土裂缝均不大于规范要求，裂缝验算应包括两个阶段的荷载 工况。 通过分析发现，本文所研究的中洞法车站工程，重要荷载工况包括 北京交通大学硕士学位论文中洞法地铁车站开挖过程模拟 如下三个： a ) 中洞二衬施工完成后，侧洞开挖前； b ) 侧洞开挖完成，侧洞二衬施工之前； c ) 整个车站的二衬施工完成后，地下水位恢复后的整个使用期间。 工况转换过程中中洞二衬顶拱内力的变化规律分别是：由工况a ) 到工况b ) 正弯矩增加到2 7 倍，相应轴力减少到0 7 倍，负弯矩增加 到1 9 倍，相应轴力也增加到1 7 倍；由工况b ) 到工况c ) 正弯矩减 小到o 7 4 倍，相应轴力变化较小，只减小了1 0 左右；负弯矩减小到 0 7 3 倍，相应轴力变化较小，增加了1 0 左右。 工况转换过程中中洞二衬仰拱内力的变化规律分别是：弯矩和轴力 同时增加和减小，并且由工况b ) 到工况c ) 的变化幅度很小，工况b ) 比工况c ) 的大1 0 1 5 。 由此可见，工况b ) 为控制工况，最不利位置在顶拱的拱顶位置， 中洞二衬的设计内力应取本工况的内力结果，应重点加强顶拱拱顶的设 计控制。 3 ) 以地层一结构模型进行暗挖地铁车站的施工过程模拟，一方面从 理论上可以得到土层与结构共同作用下的衬砌的内力分布和量值以及 施工各阶段的力学转换规律，能够为设计及施工过程的控制提供有效的 指导，作用不容忽视；另一方面也应认识到施工各阶段衬砌内力量值的 大小受计算参数误差的干扰较大，其计算值不能完全反映衬砌的实际内 力大小，只能在各阶段内力的相对大小和分布规律方面提供有效的参 照，其计算结果的准确性需要进一步提高，不是令人非常满意。实际设 计过程仍应遵循现行规范，以地层一结构模型所得到的力学变化规律为 依据，确定最不利工况，采用结构一荷载模型计算结构内力。 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 第3 章对传统结构一荷载模型计算方法的改进 3 1 对传统结构荷载模型计算方法改进的目的和思路 为了准确把握整个施工过程中洞法地铁车站中洞二衬结构受力的 变化，在采用传统结构荷载模型计算之前，引进地层结构模型全程模拟 车站的施工过程，确定重要控制工况和最不利工况，以此作为结构荷载 模型计算的验算工况，在最大程度地减少了结构一荷载模型的计算工况的 前提下能够准确地把握最不利工况，使设计更为可靠。本章将以上一章 的计算结构为基础采用三维结构荷载模型分别对控制中洞法车站中洞 二衬结构设计起控制作用的三个重要工况进行内力验算。 3 2 荷载的确定 3 2 1 主要荷载及荷载组合” 中洞法地铁车站施工阶段及使用阶段承受的荷载主要包括： 1 ) 恒载( t k 土压力、结构自重荷载) ； 2 ) 活荷载( 地面超载、施工荷载、人群荷载、列车荷载、设备荷 载) ； 3 ) 偶然荷载( 地震荷载、人防荷载) 。 荷载组合主要包括： i ) 基本组合：1 3 5 x 恒载标准值+ 1 4 x 活荷载标准值( 验算构件的 承载力极限状态) ； 2 ) 标准组合：恒载标准值+ 活荷载标准值( 验算构件的正常使用极 限状态) ； 3 ) 偶然组合：地震组合及人防组合( 不包括在本文的研究内容中) 。 3 2 2 荷载取值” 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 1 ) 土压力：由于车站埋深为1 0 1 2 m ，车站的开挖宽度为2 1 8 7 0 米， 属于超浅埋暗挖结构，故土压力采用全土柱计算1 7 ： 竖向土压力标准值( yi + h i ) ：2 0 + 1 0 1 2 = 2 0 2 4 ( k p a ) 侧向土压力标准值( k q yi i ) ： 拱顶处侧向土压力标准值：0 5 2 0 1 0 1 2 = 1 0 1 2 ( k p a ) 车站底部侧向土压力标准值：0 5 * 2 0 * ( 1 0 1 2 + 1 5 ) = 2 5 1 2 ( k p a ) 2 ) 水压力( 只在施工完毕最后使用阶段施加于二衬结构上) ，地下 水位埋深3 m ： 拱顶处侧向水压力标准值：1 0 ( 1 0 ，1 2 3 ) = 7 1 2 ( k p a ) 车站底部侧向水压力标准值：1 0 ( 1 5 + 1 0 1 2 3 ) = 2 2 1 2 ( k p a ) 3 ) 活荷载取值： 地面超载：2 0 k p a 楼面活荷载：4k p a ( 设备区取5 0k p a ) 3 3 计算工况的选择 依据第2 章地层结构模型计算结果可以确定中洞法中洞二衬结构 在施工过程及使用阶段主要的控制工况有： a ) 中洞二衬旌工完成后，侧洞开挖前； b ) 侧洞开挖完成，侧洞二衬施工之前； c ) 整个车站施工完成的整个使用期间。 结构荷载模型将选取以上三种工况进行计算，并对两种计算方法所 得到的最不利工况进行对比验证。 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 3 4 改进后的结构计算分析模型 3 4 1 模型概述 选取中洞法暗挖车站的5 跨结构，采用通用结构计算程序s a p 8 4 建 立各控制工况的3 维结构一荷载计算模型，分析施工阶段初期支护及二 次衬砌的内力。 3 4 2 计算单元的选取” 采用壳单元模拟初期支护及二次衬砌的顶拱、侧墙及板； 采用杆件单元模拟二次衬砌的梁和柱； 采用只能受压的链杆单元模拟初期支护与二次衬砌之间接触关系 和力的传递，链杆单元施加在初衬与二衬的板壳单元的节点上。 3 4 3 边界条件 暗挖车站结构受周围土体的约束，同时又受周围土体的荷载作用， 本模型将采用只能受压土体弹簧来模拟它们的相互作用及约束关系”； 由于只建立了5 跨车站的结构模型，结构纵向的约束将采用只能受压的 铰链对结构的纵向位移进行模拟。 3 4 4 计算简图 图3 4 1计算简图 3 5 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 3 5 计算结果 3 5 i 侧洞开挖之前计算结果 图3 5 i 初期支护弯矩云图 图3 5 2 初期支护剪力云图 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 图3 5 3 二衬结构弯矩云图 图3 5 4 二衬结构剪力云图 北京交通大学硕士学位论文对传统结构前载模型计算方法的改进 图3 5 5 二衬结构正应力云图 3 5 2 侧洞开挖完成后计算结果 图3 5 6 初期支护弯矩云图 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 图3 5 7 初期支护剪力云图 图3 5 8 二衬结构弯矩云图 4 0 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 图3 5 9 二衬结构剪力云图 图3 5 1 0 二衬结构正应力云图 4 1 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 图3 5 9 初期支护弯矩云图 图3 5 i 0 初期支护剪力云图 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 图3 5 1 1 二衬结构弯矩云图 图3 5 1 2 二衬结构剪力云图 4 3 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 3 6 结果分析 图3 5 i o 二衬结构正应力云图 表3 6 i 中洞二衬项拱内力结果( 跨中) 最大正弯相应轴最大负弯相应轴 施工阶段 矩( k n 7 )力( k n )矩( k n m )力( k n ) 中洞范围的二 4 6 9 25 8 0 83 4 2 66 8 0 5 衬施做完毕 侧洞开挖完 1 0 8 84 8 9 7 0 6 1 1 9 4 侧洞二衬作完 3 9 2 4 2 2- 4 4 8- 9 3 3 6 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 最大正弯相应轴最大负弯相应轴 施工阶段 矩( k n m )力( k n )矩( k n 优)力( k n ) 中洞范围的二 3 2 5 2- 6 1 0- 3 6 8 36 9 0 衬施做完毕 侧洞开挖完 5 2 7 3 - 5 6 0- 1 4 0 4- 5 8 9 5 侧洞二衬作完 2 8 7 64 2 9 8- 4 7 7 7- 7 7 4 8 图3 6 2 中洞二衬顶拱内力随施工过程变化曲线( i t 上) 4 5 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 最大正弯相应轴最大负弯相应轴 施工阶段 矩( 肼m )力( k n )矩( k n 优)力( k n ) 中洞范围的二 3 9 8 2- 2 3 7 2- 6 7 7- 2 5 8 2 衬施做完毕 侧洞开挖完 4 8 5 3 2 2 0 2- 7 3 6 - 2 6 7 2 侧洞二衬作完 2 3 8- 4 8 9- 4 8 9- 9 5 8 6 图3 6 3 中洞二衬仰拱内力随施工过程变化曲线( 跨中) 表3 6 4 中洞二衬仰拱内力结果( 柱上) 最大正弯相应轴最大负弯相应轴 施工阶段 矩( k n m )力( k n )矩( k n m )力( k n ) 中洞范围的二 3 8 8 32 4 1 1- 6 8 9 - 2 4 9 4 衬施做完毕 侧洞开挖完 4 5 3 3 - 2 4 8 1 7 9 8- 2 8 5 4 侧洞二衬作完2 2 9- 4 9 7 - 5 0 4- 9 7 8 4 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 3 7 小结 从以上分析结果可以得到以下结论： 1 ) 结构一模型荷载计算所得到的最不利工况与土一结构模型所得到 的最不利工况一致，中洞二衬内力的最大值均出现在侧洞开挖完毕二衬 尚未施工时。 2 ) 由于结构裂缝的展开具有继承性，作为永久结构的中洞二衬结 构在施工阶段荷载的作用下也将产生裂缝，这个裂缝将延续到使用阶 段，在使用阶段的长期荷载作用下以此为基础进一步展开。因此，中洞 二衬的裂缝验算应以侧洞开挖完毕二衬尚未施工时的内力结果作为内 力设计值。 3 ) 以往设计经验表明，地下结构主要受力构件的配筋通常受裂缝 控制，本文所研究的中洞法车站的中洞二衬结构也不例外，而裂缝控制 要求是针对使用阶段提出的，在施工阶段对裂缝并没有对裂缝宽度的要 求，当最不利工况出现在施工阶段时又不得不对施工阶段的裂缝宽度进 行控制，将会对设计过程的控制带来一定的难度，同时也会带来一定程 4 7 北京交通大学硕士学位论文对传统结构荷载模型计算方法的改进 度的浪费，应考虑通过对结构断面的优化改变中洞二衬的最不利工况， 尽量使二衬结构的最不利工况出现在使用阶段。 本文第四章将针对以上结论对中洞法暗挖车站的断面形式进行探 索性的优化。 北京交通大学硕士学位论文对中洞法地铁车站的优化设计 第4 章对中洞法地铁车站的优化设计 本章以第2 章和第3 章的受力分析结果为基础，对中洞法暗挖车站 的断面型式和施工过程进行优化，以期达到改善结构受力状态和改变最 不利工况的目的。 4 1 断面的优化 4 1 1 断面优化的出发点及目标” 第2 、3 章所计算的中洞法暗挖车站初期支护采用3 跨3 拱断面形 式，计算结果表明，中洞和两个侧洞的顶拱和仰拱受力相对独立，中 洞二衬完成后侧洞开挖的过程中，侧洞初期支护的顶拱及仰拱不能对 中洞的初期支护顶拱和仰拱拱脚的侧向位移形成有效的约束，中洞拱 顶的荷载也无法传递到侧洞的衬砌结构上，同时中洞二衬结构柱平面 内刚度也较小，中洞的顶拱及仰拱拱脚处即形成了滑动铰支座( 见图 4 1 ) ，这样将大大降低中洞二衬结构的受力稳定性和抗挠曲变形能 力，导致中洞二衬的最不利受力工况出现在侧洞开挖完成侧洞二衬尚 未施工之前，而不是使用阶段，这样对设计和施工过程的控制带来较 大的难度，同时也会带来二衬结构的浪费。 以此为出发点，对中洞法暗挖车站断面进行优化，将原先初期支 护所采用的三拱结构改变为单拱结构，断面改变后中洞、侧洞的顶拱 和仰拱分别连接形成一个圆顺的大弧，侧洞开挖后，中洞拱顶的一部 分竖向荷载可以通过圆弧传递到侧洞的初衬结构上，同时侧洞初衬能 够有效的约束中洞拱脚的水平位移改善中洞的受力条件“，断面优化前 后结构断面及中洞二衬顶拱和仰拱的受力简图如图4 1 。 4 9 北京交通大学硕士学位论文对中洞法地铁车站的优化设计 4 1 a 优化前断面4 1 b 优化后断面 a 4 1 c 优化前中洞初衬顶