地铁工程附属结构暗挖施工地表铺设钢板的选型研究

徐 凌,张 瑜,侯 伟

地铁工程附属结构暗挖施工地表铺设钢板的选型研究

徐 凌1,张 瑜1,侯 伟2

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100037;2.北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038)

针对地铁工程附属结构浅埋暗挖施工地表铺设钢板具体参数缺少量化研究的现状,通过现状资料的分析,并以解析计算与数值模拟计算为手段,系统分析钢板厚度、钢板铺设位置、钢板超出开挖轮廓线外宽度、覆土厚度等不同条件下路面车辆静荷载对暗挖附属结构的影响,研究结论:钢板厚度的变化对地层竖向位移场和应力场的分布影响较大,结构拱顶上方地面沉降与钢板厚度基本成反比关系,钢板厚度一般可取为2 cm;随着附属结构覆土厚度的增加,铺设钢板效果逐渐降低,一般在覆土厚度达到6 m时,路面铺设钢板已无必要。

地铁工程;附属结构;浅埋暗挖法;钢板选型

1 概述

当前,随着城市化进程的不断加快,我国地铁已处于大规模的建设高潮中,地铁工程往往修建在城市核心区或繁华地带,周边环境复杂、地下管线密布,地面车流量大,为最大限度地不影响周边环境,浅埋暗挖施工成为城市中心区地铁附属结构修建的主要方式[1,2]。在地铁附属结构暗挖施工过程中,为减小地表车辆静荷载的影响,防止道路发生较大沉降而引发地面坍陷或管线破裂,施工单位常常在道路地面一定范围内铺设钢板,但目前针对钢板选用的具体参数缺少量化的研究,通常是各施工单位依据各自经验实施。在设计中,对道路下方的浅埋暗挖隧道,地面车辆荷载也是可按10 kPa的均布荷载取值,并不计冲击力的影响[3,4],在大规模地铁建设背景下,地面铺设钢板的情况将长期存在。为避免铺设钢板范围过大造成不必要的浪费或由于钢板铺设不到位而引起工程事故,有必要以现状资料的深入分析为基础,以理论计算与数值模拟计算为手段,系统研究钢板厚度、钢板铺设位置、钢板超出开挖轮廓线外宽度、覆土厚度等不同条件下路面车辆静荷载对暗挖附属结构的影响,对钢板的选型和铺设提出具体的建议。

2 地铁工程地面钢板铺设现状

表1为北京地铁6号线一期在建设过程中车站出入口铺设钢板情况的统计资料(所选用的钢板均为2 cm厚),由表1可知,除了钢板厚度,其他参数指标,如覆土厚度、钢板铺设沿开挖面横纵向的范围等各不相同,覆土厚度为2.5～7 m,钢板横向超出开挖轮廓线宽度为0～5 m。

表1 北京地铁6号线一期部分覆土较浅出入口钢板铺设情况统计

3 数值计算模型与参数

3.1 计算模型

以北京地铁某个暗挖附属工程为例分析钢板铺设的效果,选取包括钢板厚度、钢板铺设位置以及钢板超出开挖轮廓线外宽度不同的方案,以FLAC3D作为数值计算软件。计算模型大小为60 m×50 m×25 m,共计84 600个单元,90 168个节点。在模型的底面(z=-25 m)处施加竖向约束,在模型的侧面(x=-30 m,x=30 m;y= 0 m,y=50 m)处施加水平约束,在掌子面(y=35 m)处施加y方向约束,计算模型见图1。暗挖段拱顶埋深4 m,暗挖段连拱曲墙结构高2.2 m,连拱直墙结构高2.8 m,暗挖段宽度为6 m,C30初衬厚度为300 mm。

图1 计算模型

选用不同的车辆布置方案以确定最不利荷载位置,如图2所示。(1)沿着Ⅰ-Ⅰ剖面方向,车辆沿长度方向的中心和开挖断面中心点A重合,车轮均位于未开挖断面部分;(2)沿着Ⅰ-Ⅰ剖面方向,前轮中心位于开挖断面中心,后轮位于未开挖断面部分;(3)沿着Ⅱ-Ⅱ剖面方向,车辆沿长度方向的中心和点A重合,前轮位于未开挖断面部分;(4)沿着Ⅱ-Ⅱ剖面方向,前轮中心位于点A位置。相对于第(1)和(2)种方案,经计算分析,发现由于暗挖段初衬刚度较大,致使第(1)和(3)种方案中车辆荷载引起的拱顶及上方地面沉降较小。对比第(2)和(4)种方案的计算结果,前者引起的沉降较大,因此,确定图2中所示车辆位置为最不利荷载位置。

图2 车辆荷载不利位置(单位:m)

3.2 模型参数

土的本构模型采用莫尔-库伦模型[5-8],模型参数见表2。

表2 地层条件情况和参数

初衬的材料参数见表3[9,10]。

表3 衬砌的材料参数

车辆长度方向轮距10 m,宽度方向轮距2 m,车辆静荷载取为550 kN,计算时按在车辆4个角部的车轮位置处施加集中荷载(各1/4的车辆静荷载)。钢板的密度为7 860 kg/m3,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.25,计算中考虑钢板的自重。此外,出于简化计算、充分考察钢板铺设的影响以及偏安全的考虑,计算中未考虑混凝土路面的影响。

4 不同钢板参数的计算分析结果

在对钢板不同参数的数值分析中,采用图2中所示的车辆布置形式,经各剖面计算结果的比较,对应力场分析选取Ⅰ-Ⅰ剖面对应的云图,对位移场分析选取Ⅲ-Ⅲ剖面对应的云图。

4.1 钢板厚度

为分析地面上铺设不同厚度钢板的影响,假设钢板位于掌子面前方3 m、后方9 m,两边超出开挖轮廓线均为3 m,对钢板厚度为0(即没有钢板)、1、2、3、4、5 cm六种方案分别进行计算。图3、图4分别为钢板厚度为0、 5 cm时的地层竖向应力场和位移场云图;表4为不同钢板厚度对应的拱顶竖向附加应力、拱顶竖向位移和拱顶上方地面竖向位移的计算结果对比,可知:

(1)钢板厚度的变化对位移场和应力场的分布影响较大。钢板厚度较小时,钢板刚度较小,钢板对集中力的扩散作用不大,致使附加应力引起的位移场范围也较小,较大的变形主要位于集中力作用点附近。随着钢板厚度和刚度的增大,应力场和位移场作用范围增大,变形影响区域增大,地面集中力作用点附近的变形减小;

(2)暗挖段初衬结构的存在使拱顶竖向位移普遍较小;

(3)钢板厚度的变化对拱顶附加应力无明显影响。只是由于钢板厚度增大使钢板的自重增加,导致拱顶附加应力也有略微增加;

(4)钢板厚度的变化对拱顶上方的地面竖向位移影响较大,图5为拱顶上方地面竖向位移与钢板厚度的关系曲线,可知两者基本成式(1)表示的反比关系,钢板厚度为2 cm比1 cm时拱顶上方的地面竖向位移减小较多,随着厚度的继续增加,虽然拱顶上方的地面竖向位移仍然继续减小,但变化的幅度也逐渐减小。

式中 y——拱顶上方地面沉降;

x——钢板厚度;

a——常数。

图3 地层竖向应力场和位移场云图(钢板厚度为0 cm)

图4 地层竖向应力场和位移场云图(钢板厚度为5 cm)

表4 不同钢板厚度计算结果对比

图5 拱顶上方地面竖向位移随钢板厚度的变化曲线

4.2 钢板位于掌子面前后的位置

为分析钢板不同铺设位置的影响,假设钢板的厚度2 cm,钢板超出开挖轮廓线外的宽度均为3 m,对钢板位于掌子面前方4 m、后方8 m(简写为4+8)、掌子面前方3 m、后方9 m(简写为3+9);掌子面前方2 m、后方10 m(简写为2+10)、掌子面前方0 m、后方12 m (简写为0+12)四种方案分别进行计算。图6、图7分别为2+10与4+8方案的地层竖向应力场和位移场云图;表5为钢板位于掌子面前后不同位置时对应的拱顶竖向附加应力、拱顶竖向位移和拱顶上方地面竖向位移的计算结果对比,可知:

(1)钢板位于不同位置对拱顶及上方地面的竖向位移、对拱顶竖向附加应力的影响较小;

(2)随着掌子面后面钢板宽度的增加使位移场和应力场范围略有增大,变形更加均匀,同时由于掌子面后面钢板宽度的增加使钢板自重引起的附加应力增加,故拱顶竖向附加应力、拱顶上方及地面竖向位移略微增加。

图6 地层竖向应力场和位移场云图(掌子面前方2 m、后方10 m)

图7 地层竖向应力场和位移场云图(掌子面前方4 m、后方8 m)

表5 钢板位于不同位置的计算结果对比

4.3 钢板超出开挖轮廓线外的宽度

为分析钢板超出开挖轮廓线外的不同宽度的影响,假设钢板的厚度为2 cm,钢板位于掌子面前方3 m、后方9 m,对钢板超出开挖轮廓线外的宽度为0、1、2、3 m四种方案分别进行计算。图8、图9分别为钢板超出开挖轮廓线外的宽度为0、3 m时的地层竖向应力场和位移场云图;表6为钢板超出开挖轮廓线外的宽度不同时对应的拱顶竖向附加应力、拱顶竖向位移和拱顶上方地面竖向位移的计算结果对比可知:

(1)钢板超出开挖轮廓线外的宽度的变化,对拱顶上方的地面竖向位移、拱顶位移及其附加应力影响较小;

(2)随着钢板超出开挖轮廓线外宽度的增加,应力集中现象略有减弱,应力场范围有所增大;位移场范围逐渐增大,变形更加均匀。

图8 地层竖向应力场和位移场云图(超出开挖轮廓线外的宽度为0 m)

图9 地层竖向应力场和位移场云图(超出开挖轮廓线外的宽度为3 m)

表6 钢板超出开挖轮廓线外的宽度不同的计算结果对比

4.4 地铁附属结构覆土厚度

钢板的存在主要是减弱集中荷载作用下的应力集中现象,使位移场和应力场的分布更加均匀,因此钢板的作用有最有利与最不利情况,最不利情况是车辆荷载仍然以集中荷载的形式向地层扩散,最有利情况是车辆荷载通过钢板以近似均布荷载的形式向地层扩散,而实际钢板的作用介于这两者之间。

为简化计算,将地层假定为弹性半无限空间,由于车辆位置为不利荷载位置时其一半的荷载作用在地铁附属结构拱顶地面(图2),因此,为简便分析地铁附属结构覆土厚度不同对铺设钢板效果的影响,将550 kN车辆静荷载的一半按以下2种方式考虑其荷载效应。

(1)无钢板情况下,由于车辆宽度方向轮距较短(2 m),因此为简化计算,将车辆的一半荷载P考虑为作用在钢板A点处的一个集中荷载,则该地表竖向集中力P作用下,作用点竖直下方任意埋深z处土体的附加竖向应力σz1可按布西奈斯克解[11,12]由式(2)得到

(2)有钢板的情况下,将车辆的一半荷载P按钢板面积(长宽均为12 m)考虑为均布荷载p,则钢板A点处下任意埋深z处土体处的附加竖向应力σz2可应用矩形面积均布荷载作用时,土中任意点的附加竖向应力计算公式即角点法得到[12]。

图10为按以上2种方式计算得到的土体附加竖向应力与地铁附属结构覆土厚度的关系曲线,由图可知:

(1)覆土厚度较小时,集中荷载与均布荷载作用下的土体附加竖向应力差异较大,说明此时铺设钢板效果较明显;

(2)随着覆土厚度的增加,集中荷载与均布荷载作用下的土体附加竖向应力趋于一致,在覆土厚度达到6 m左右时,两者数值均较小且相当接近,说明此时铺设钢板对减弱集中荷载作用、减小土体附加竖向应力已基本无意义。同时,图10反映的是钢板效果的最有利与最不利情况,而实际上钢板的效果毕竟是有限的,进一步说明实际工程应用中,一般在覆土厚度达到6 m时,铺设钢板已无必要。

图10 地铁附属结构拱顶处的土体附加竖向应力与覆土厚度的关系曲线

5 结论与建议

在分析北京地铁附属结构施工地表铺设钢板现状的基础上,以数值计算与解析计算为手段,分别对钢板厚度、钢板铺设位置、钢板超出开挖轮廓线外宽度、覆土厚度等不同条件下车辆静荷载对暗挖附属结构的影响进行了研究,得出以下结论与建议。

(1)钢板厚度的变化对地层竖向位移场和应力场的分布影响较大。钢板厚度的变化对拱顶上方的地面竖向位移即地面沉降影响较大,拱顶上方地面沉降与钢板厚度基本成反比关系,钢板厚度为2 cm比厚度1 cm时拱顶上方地面沉降减小较多,随着厚度的继续增加,虽然地面沉降继续减小,但变化的幅度逐渐减小。

(2)钢板位于掌子面前后不同位置、钢板超出开挖轮廓线外的宽度对拱顶竖向附加应力、拱顶及上方的地面竖向位移影响较小。掌子面后钢板宽度的增加或钢板超出开挖轮廓线外宽度的增加,均使地层竖向变形更加均匀。

(3)覆土厚度较小时,铺设钢板效果较明显;随着覆土厚度的增加,铺设钢板效果逐渐降低,一般在覆土厚度达到6 m左右时,路面铺设钢板已无必要。

(4)以上述计算结论为基础,同时为进一步保证安全,实际工程中钢板铺设的建议参数为:一般在覆土厚度小于6 m时考虑铺设钢板,钢板厚度一般取为2 cm,钢板铺设范围为掌子面前3 m、后9 m,两侧超出开挖轮廓线2 m。

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Study on Type Selection of Steel Plate Laid on Ground Surface during Mining-method Construction of Accessory Structures of Metro Project

XU Ling1,ZHANG Yu1,HOU Wei2
(1.Beijing MTR Construction Administration Corp.,Beijing 100037,China; 2.BGI Engineering Consultants ltd.,Beijing 100038,China)

There was little quantitative research on specific parameters of steel plate laid on ground surface during shallowly-buried mining-method construction of accessory structures of metro project.To solve this problem,based on the analysis on the existing construction data,and by means of analytic solution and numerical simulation,the influence of vehicle static load on the mining-method accessory structure was systematically analyzed in this study under different conditions,including the different steel plate thicknesses,different positions of steel plate,different steel plate widths beyond the excavation contour line,different thicknesses of overburden layer and so on.Then this study come to the conclusion as follows:(a)The thickness of steel plate can greatly change the distributions of vertical displacement field and stress field of stratum;the ground settlement above the arch crown of the structure is inversely proportional to the thickness of steel plate;and it is advisable to use the steel plate thickness of 2cm in ______general.(b)With the increasing of the thickness of overburden layer above the accessory structure,theeffect of steel plate gradually decreases and its effect can be ignored when the thickness of overburden layer is deeper than 6m.

metro project;accessory structure;shallowly-buried mining method;type selection of steel plate

U231+.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.016

1004-2954(2014)04-0069-05

2013-11-20;

2013-12-17

北京市科技新星计划资助项目(Z121106002512086)

徐 凌(1977—),男,高级工程师,工学博士,E-mail: xuling2007@126.com。