暗挖拱盖法地铁车站拱部结构矢跨比影响分析_华福才.pdf

2023 年*青岛地铁科技创新基金项目(M4-ZH-2020-134);广东省普通高校重点领域专项课题(2021ZDZX1116);广东省普通高校创新团队项目(自然)(2022KCXTD052)通信作者暗挖拱盖法地铁车站拱部结构矢跨比影响分析*华福才1雷刚1 刘明明2杨林3罗立娜4(1北京城建设计发展集团股份有限公司，100037，北京;2中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，650051，昆明;3青岛地铁集团有限公司，266101，青岛;4广州铁路职业技术学院铁道工程学院，510430，广州第一作者，正高级工程师)摘要为研究暗挖拱盖法施工时拱部矢跨比对车站结构的影响，以青岛某地铁车站工程为例，基于有限元分析软件MIDAS GTS，对比分析站台宽度为 11 m 和 13 m 两种车站结构下，不同矢跨比对其结构受力与变形的影响。研究结果表明:当矢跨比从 016 增大至 024 时拱部施工阶段拱顶弯矩最大，弯矩先减小后增大，整体结构施工时拱部与直墙交界处弯矩最大;两种跨度的车站弯矩分别减少了 421%和 446%;轴力随矢跨比的增大而减小，矢跨比对拱部施工阶段的影响较大;矢跨比对结构变形的影响非常明显，拱顶沉降、拱肩沉降与拱脚净空收敛均减少了 1/3 左右。在考虑整体结构施工与车站结构合理跨高时，拱部矢跨比越大，结构越合理。关键词地铁车站;暗挖施工;拱盖法;拱部矢跨比中图分类号U451+4DOI:1016037/j1007869x202301006Influence Analysis of Arch Structure ise-spanatio in Arch-cover Method Underground Excava-tion Metro StationHUA Fucai，LEI Gang，LIU Mingming，YANGLin，LUO LinaAbstractTo study the influence of arch rise-span ratio on sta-tion structure in underground excavation arch-cover method con-struction，taking a metro station project in Qingdao as example，based on MIDAS GTS finite element software，the influence ofdifferent rise-span ratios on structure stress and deformation arecomparatively analyzed，in the case of two station structureswith platform width of 11 m and 13 m respectively esearch re-sults show that when the rise-span ratio increases from 016 to 024，the bending moment of the vault at the arch constructionstage is the largest，and the bending moment first decreases andthen increases During the construction of the overall structure，the bending moment at the junction of the arch and the straightwall is the largest，and the bending moments of the station with11 m and 13 m spans are reduced by 421%and 446%respec-tively The axial force decreases with the increase of the rise-span ratio，and the ratio has a greater influence in the arch con-struction stage In addition，the influence of rise-span ratio onstructure deformation is evident，and the settlement of the vault，the settlement of the spandrel and the clearance of the arch footare reduced by roughly 1/3 When considering the overall struc-ture construction and the reasonable station structure spanheight，larger arch section rise-span ratio corresponds to morereasonable structureKey wordsmetro station;underground excavation construc-tion;arch-cover method;arch rise-span ratioFirst-authors addressBeijing Urban Construction Design Development Group Co，Ltd，100037，Beijing，China在地铁车站施工过程中，存在大量既有市政管线和地铁车站本身所需的各种电路、通风设施等，需要对其进行合理的规划设计。利用拱盖法施工时，车站拱部有较大的可利用空间，若给拱部设计一个合理曲线，在保证车站结构受力安全的情况下，能够节省一定的工程成本，有较好的经济性。国内外学者对地铁车站结构矢跨比已有一定的研究。文献 1 研究了不同矢跨比对拱部结构内力、层间位移角的影响。文献 23以实际工程设计为例，利用有限元软件提出不同矢跨比时结构的变形规律。文献 4 通过数值模拟与现场监测结果得出矢跨比与结构滑裂角之间的关系。文献 5 研究了不同地质强度指标对大跨度洞室最小矢跨比的影响。文献 6 对拱顶直墙结构断面进行结构分析，得出合理的矢跨比范围。目前，已有研究主要为在矩形隧道基础上增加矢跨比，或在地铁车站使用双侧壁导坑法和 CD(中82第 1 期研究报告隔墙)法等常规工法施工的矢跨比，对于使用暗挖拱盖法施工的矢跨比研究较少。本文以青岛某地铁车站工程为例，采用有限元软件 MIDAS GTS 进行数值模拟，研究车站结构矢跨比对结构变形、内力的敏感性影响。研究成果可为后续其他类似地铁车站结构设计提供工程参考。1工程概况11车站结构以青岛某地铁车站工程为例，分别分析站台宽度为 11 m 和 13 m 两种车站结构下，不同矢跨比对其结构受力与变形的影响。车站主体为双层圆拱复合式衬砌结构，全包防水型断面。统一各构件尺寸，顶板与侧墙厚为 800 mm，中板厚为 400 mm，柱子尺寸为 800 mm(长)600 mm(宽)。结构跨度为193 m 与 213 m，拱顶埋深为 20 m。车站断面与地层分布示意图如图 1 所示。图 1车站断面与地层分布示意图Fig1Diagram of station section and stratigraphic distribution12地层条件车站分布的地层主要有人工填土、粉质黏土、强风化岩、中风化岩和微风化岩，车站整体位于微风化岩中。衬砌与柱子用 C45 混凝土模拟，中板用 C35混凝土模拟。各地层与结构物理学参数如表 1 所示。表 1各地层与结构物理学参数Tab1Stratigraphic and structural physical parameters名称厚度/m弹性模量/GPa重度/(kN/m3)泊松比人工填土300061 750040粉质黏土300401 950035强风化岩536002 200032中风化岩250002 400025微风化岩200002 500020C35315002 400020C45335002 5000202计算方案21荷载方案采用有限元分析软件 MIDAS GTS 创建二维平面结构模型，计算方式采用荷载结构法。施加荷载分为永久荷载和可变荷载。其中，永久荷载有结构自重、地层压力、水压力和浮力，可变荷载有地面超载、中板活载等。荷载组合为准永久组合，荷载计算与荷载组合系数参考 TB 100032016铁路隧道设计规范。单拱结构计算模型如图 2 所示，整体结构计算模型如图 3 所示。图 2单拱结构计算模型Fig2Calculation model of single arch structure图 3整体结构计算模型Fig3Overall structure calculation model22计算工况对于站台宽度为11 m 和13 m 两种车站结构的模拟，均分为拱盖施工阶段和整体施工阶段。在结构实际跨度应用范围内，设 5 组矢跨比方案，固定仰拱矢跨比，分别研究拱部矢跨比对结构内力及变形的影响。计算工况如表 2 所示。表 2计算工况Tab2Calculation working condition工况拱部矢跨比工况拱部矢跨比10164022201850243020922023 年23变形分析点设置结构变形分析点主要设置在车站拱部位置，分别为拱顶(A 点)、左拱肩(B 点)、右拱肩(C 点)、左拱脚(D 点)和右拱脚(E 点)，如图 4 所示。图 4分析点布置示意图Fig4Layout diagram of analysis points3矢跨比影响分析31结构内力分析通过模拟计算获得工况 1工况 5 的拱盖内力，并对 5 种工况的弯矩与轴力进行影响分析。311弯矩分析对于站台宽度为 11 m 和 13 m 的两种车站结构，在拱盖施工阶段与整体施工阶段，计算获得相应工况下的拱部弯矩，拱部弯矩分析图如图 5 所示。不同工况下，拱部最大弯矩值对比如表 3 所示。图 5拱部弯矩分析图Fig5Diagram of arch bending moment analysis表 3不同工况下的拱部最大弯矩值对比Tab3Comparison of the maximum arch bending moments under different working conditions工况站台宽度为 11 m站台宽度为 13 m最大弯矩/(kNm)相比工况 1 的最大弯矩降幅/%最大弯矩/(kNm)相比工况 1 的最大弯矩降幅/%整体单拱整体单拱整体单拱整体单拱13 8801 5543 7441 44023 3171 445145703 2821 3821234032 9501 408239942 8321 3782434342 5781 3933351042 4611 4063422452 2451 420421862 0711 47744626由图 5 和表 3 可知，在拱部施工阶段，随着矢跨比的增大(矢跨比从 016 增大至 024)，拱部弯矩先减小后增加，拱部最大弯矩出现在拱顶处。站台宽度为 11 m 的车站拱顶弯矩从 1 554 kNm 先减至1 393 kNm，减少了104%，再增至1 420 kNm。站台宽度为13 m 的车站拱顶弯矩变幅较小，矢跨比达到022 时，弯矩开始增大。在整体施工阶段，拱部弯矩与矢跨比成负相关，最大弯矩出现在拱部与直墙交界点。站台宽度为11 m 和13 m 车站的最大弯矩分别减少了 421%和 446%。312轴力分析对于站台宽度为 11 m 和 13 m 的两种车站结构，在拱盖施工阶段与整体施工阶段，计算获得相应工况下的拱部轴力，拱部轴力分析图如图 6 所示。不同工况下，拱顶轴力对比如表 4 所