地铁车站端头井盾构平移的结构处理措施及有限元计算

王 月 辉

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)



地铁车站端头井盾构平移的结构处理措施及有限元计算

王 月 辉

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

以上海某车站一个端头井为例，结合其工程概况，选取了一个经济合理的方案，建立了有限元三维模型，并进行了计算分析，结果表明：计算结果从理论上较符合实际情况，并能满足工程要求，可以作为设计计算依据。

端头井，盾构井，有限元模型，混凝土强度

目前国内在地铁车站设计及建设中，涉及专业广，周边控制因素多，经常由于交通导改、管线改迁及工程筹划等原因，导致盾构需要在端头井内平移以满足现场施工需要。针对此情况，不同结构形式、不同地质条件、不同施工方案处理方式不尽相同，并无统一固定模式。较为常见的做法是中柱后浇、底板梁后浇或下翻，以便于盾构平移，盾构平移操作完毕后，施工剩余结构。另有设置临时构件，保证盾构平移施工，盾构平移操作完成后施工永久结构，拆除临时结构等其他做法。

1 工程概况

本文以上海某地下2层单柱双跨地下车站一个端头井为例进行分析。本站位于交叉路口，沿东西向位于道路下方，设计之初，盾构井上下行线均为接收井吊出盾构，故端头井顶板及中板均预留两个盾构孔，中间设置纵梁，跨中设柱，为常规端头井设置。端头井地面覆土厚度约2.5 m。结构布置见图1，图2。

车站主体主要部分所处地层为软土，地下水位位于地面下0.5 m。土层详细参数见表1。

表1 土层参数表

后期由于外部交通及管线改迁工期原因限制，需要将东端头井其中一个盾构孔提前封闭并恢复交通及管线，用于缓解现状交通。并且要求封闭的端头井侧面等边界边要设置挡土墙，并回填土。鉴于此条件，需要提出更为经济合理、安全可靠、切实可行的办法来解决问题。

2 结构方案

鉴于以上既有工程条件，确定基本前提为：底板梁后浇；盾构施工期间单侧盾构孔封闭；确保盾构平移时操作空间，封闭盾构孔顶板上覆土恢复交通。在此前提下，初步选择了两套有实施可能的方案进行比较。

方案一：在保证盾构操作空间的前提下，加设临时钢柱，待盾构平移完成后拆除。

方案二：立柱及底板梁后浇，结构柱后浇，通过增大顶板及中板梁尺寸增大梁承载力，盾构施工完成后浇筑剩余结构。

考虑盾构施工空间要求、中柱施工期间暂缓浇筑带来的大跨问题、临时结构的可靠性问题等因素，综合比较后按照方案二进行设计。

按照方案二的前提条件，确定采用的基本结构措施为：

施工阶段：底板梁后浇；盾构施工期间单侧盾构孔封闭；端头井顶板梁、中板梁在施工阶段中柱未浇筑时按照单跨梁计算；底板保留泄水孔，避免出现底板浮力，底板作为一块大板考虑。按照实际工况计算求得内力包络图，确定配筋等设计参数。

使用阶段：按照完成后的结构体系及构件尺寸重新计算各工况内力，按照使用阶段组合确定内力包络图。确定配筋等设计参数。

综合考虑两种状态下的设计结果，采用包络设计原则，保证设计满足所有条件。并预留后期施工所需预埋、连接等措施。

3 有限元模型及计算

3.1 力学模型

本工程采用结构荷载模型计算。建立结构模型，将水土作用按照荷载考虑。计算模型见图3。

本工程混凝土强度为C35，弹性模量3E10 N/m2，泊松比0.17，重度25 kN/m3；覆土厚度为2.5 m，土重度取20 kN/m3；地面超载取20 kN/m3。

1)结构。建立三层梁板体系三维模型、建立端头井与标准段连接处结构柱、不再建立端墙、侧墙等构件，但建立结构柱，中板及顶板开孔，开孔尺寸为11.4 m×7.2 m。各层板均采用Shell单元，梁、柱均采用梁单元(Beam188)。与标准段连接处，梁板模型建至1/3跨处。

原结构尺寸如下：顶板梁1 000 mm×2 000 mm、中板梁700 mm×1 100 mm、底板梁暂不考虑、框柱600 mm×1 200 mm；顶板h=900 mm、中板h=400 mm、底板h=1 000 mm。顶板覆土2.5 m、底板埋深17.3 m。

根据初步估算，拟定施工阶段结构尺寸如下：顶板梁1 000×2 600、中板梁700×900、底板梁1 000×1 000、框柱600×1 200；顶板h=900、中板h=400、底板h=1 000。

2)荷载。顶板荷载按照实际覆土、自重、超载施加；中板考虑自重及施工荷载，暂不施加设备荷载；底板考虑重力工况下的底板土反力，因设置泄水孔，结构尚未完成前不封堵泄水孔且保证水头位于底板下，故不考虑浮力作用。

3)约束。按照保守设计原则，为保证各层板及梁跨中弯矩计算不致出现风险，三层板在侧墙及端墙支座处均采用固定铰支座，约束X，Y，Z三个方向位移，但释放转动约束。与标准段连接处，板边缘X，Y，Z三个方向位移释放。梁端均释放转动约束。

3.2 有限元建模

本案例主要通过命令流方式进行操作：

1)定义混凝土材料属性及梁、柱、板单元属性。2)按照实际尺寸及空间位置建立梁、板、柱空间模型。3)按照计算的实际荷载，在面上施加荷载，自重荷载通过重力加速度施加。4)按照前述原则施加约束及边界条件。5)划分单元，梁、板、柱单元均采用尺寸均为0.5 m。6)求解并提取各单元内力数据，并设置输出形式，生成图形等结果文件。

4 结果分析

4.1 梁板内力

计算完成后提取各构件各项内力数据，本文仅列出起控制作用的重要弯矩数据。

从弯矩云图能够较直观的看出弯矩分布(见图4)，基本符合理论规律，为方便更直观分析数据，故将关键弯矩数值进行列表对比如表2所示。

表2 关键构件内力表 kN·m，kN

4.2 结果分析

在有限元数据处理过程中，由于应力集中效应，局部角部会出现较大内力，在选取板弯矩时根据实际情况，并不能按照最大值选取，而是排除局部应力集中效应的影响，选取较为合理的数值，切合工程实际应用。

从有限元析结果分析，各构件内力值范围合理，根据此内力通过配筋计算，能够满足工程设计要求，说明本方案体系合理，构件尺寸估算准确。

相较于选取横剖面进行的单向板计算，本模型计算的双向板效应明显，较为合理。

顶板及中板受力情况类似，底板受力不同。由于梁后浇原因，底板弯矩较大，虽然通过增大配筋能够满足要求，但配筋率较高。

本计算实际考虑了顶板及中板纵梁在施工阶段的抗扭，并施加了覆土不均匀产生的扭矩，经计算梁能够满足抗扭要求。

5 结语

1)本计算通过理论分析及后期工程实际应用，证明此方案完全可行且安全可靠，可以作为一种解决此类情况的方法。

2)此方法计算了板和梁跨中最大弯矩，而边支座处设为铰，故跨中计算结果相较实际情况更为保守，并有足够安全余量。

3)本算法具有一定通用性，故编制了用于计算的命令流，通过参数的变化可以迅速实现不同尺寸及荷载形式的其他类似工程计算。

[1] 刘健航，候学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.

[2] 李广信，张丙印,于玉贞,等.土力学[M].北京：清华大学出版社，2013.

[3] 常士骠.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.

On treatment for shield translation of end wells at subway stations and its finite element calculation

Wang Yuehui

(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignandResearchCorporation(Group)Co.,Ltd,Shanghai200092,China)

Taking some end well of some station in Shanghai as the example, the paper selects the economic and reasonable scheme by combining with its engineering survey, establishes the finite element three-dimension model, undertakes the calculation and analysis, and proves by the result that the calculation result is consistent with the fact, so it meets the engineering demands and can be treated and the reference for design and calculation.

end well, shield well, finite element model, concrete strength

1009-6825(2017)15-0159-02

2017-03-01

王月辉(1982- )，男，硕士，工程师

U455.43

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