洞桩法施工支护结构的受力特性及沉降分析

摘要：采用Midas-GTSNX有限元模拟软件，建立三维模型模拟洞桩法施工，针对洞桩法地铁车站施工过程中的支护结构受力特性进行深入分析。研究涵盖了从边桩条基施工到钢管柱施工，再到扣拱施工和车站主体结构施工的整个过程。通过对拱部结构应力分析、边桩应力与沉降分析，以及钢管柱的轴力和沉降分析，揭示了施工过程中的应力转化、应力集中、应力突变和结构沉降差异性变化规律，为采用洞桩法进行地铁站施工提供技术指导。

关键词：洞桩法施工地铁车站拱部结构边桩钢管柱

AnalysisontheStressCharacteristicsandSettlementoftheSupportingStructuresinPBAConstruction

LIUXinhu

NO.2EngineeringCo.，Ltd.ofChinaRailwaySeventhGroupCo.，Ltd.，ShenyangCity，LiaoningProvince，110000China

Abstract：ThispaperutilizestheMidas-GTSNXfiniteelementsimulationsoftwaretoestablishathree-dimensionalmodeltosimulatePile-Beam-ArchApproach（PBA）construction.Itconductsanin-depthanalysisofthestresscharacteristicsofthesupportstructuresduringthePBA N0m0acCwKeL85hU8Z5xRENqcSFiR+TWwcsYkGXObrEQ=;constructionprocessofsubwaystations.Theresearchencompassestheentireconstructionprocess，fromedgepilefoundationconstructiontosteelpipecolumnconstruction，toarchconstructionandstationmainstructureconstruction.Throughtheanalysisofthestressonthearchstructure，thestressandsettlementofthesidepiles，aswellastheaxialforceandsettlementofthesteelpipecolumns，itrevealsthepatternsofstresstransformation，stressconcentration，suddenstresschanges，andthevariabilityinstructuralsettlementduringconstruction，providingtechnicalguidancefortheuseofPBAinsubwaystationconstruction.

KeyWords：PBAconstruction;Subwaystations;Archstructure;Sidepiles;Steelpipecolumns

随着地下空间资源的开发利用，在众多地下建设方法中，洞桩法因施工影响小、适应性强等优点，成为地铁车站建设的常用方法之一。因此，深入分析洞桩法施工支撑结构的受力特性，对确保地铁车站施工的安全性具有重要意义。冯爱军[1]等基于北京地铁16号线苏州街站，研究了单层四导洞车站洞桩法施工土体变形规律。王德荣[2]对上下两层六导洞地铁车站洞桩法施工进行了研究。邓根等人[3]研究了车站施工引起的地表沉降及地层应力。邵珠山等人[4]运用Flac3D模拟软件建立车站模拟，通过模拟各种开挖方案的比较，得到了“先上后下、交叉开挖”的最佳施工方案。付春青等人[5]以北京地铁5号线暗挖车站监测数据为基础，对桩法地铁车站施工地层变形展开了研究。

本文通过采用Midas-GTSNX有限元模拟软件，模拟洞桩法施工，分析边桩、钢管柱、拱部结构等主要承力和传力结构在不同施工阶段的应力转化和沉降差异性，探讨施工过程中可能出现的应力集中和结构破坏风险。特别是在扣拱施工和车站主体结构施工阶段，结构受力的复杂转换和频繁的加卸载过程，对支撑体系的稳定性提出了更高的要求。本研究旨在为地铁车站的设计和施工提供科学依据，以优化施工方案，提高工程质量和安全性。

1拱部结构施工分析

1.1拱部结构应力分析

由表1可知，二衬扣拱施工阶段，拉应力主要出现在顶纵梁、左右拱部位置及其交接处，最大拉应力为2610kPa，且在交接面上出现应力集中。右侧顶纵梁与钢管柱交接位置拉应力较左侧大，原因是右侧建筑物荷载大于左侧。边拱拉应力大于中拱，因其不仅承受上部荷载，还受到桩顶冠梁与导洞回填混凝土的荷载。在中柱与顶纵梁连接处，最大压应力达7960kPa。主体结构施工完成后，上部结构拉应力、压应力以及顶纵梁与钢管柱连接处应力值均有所减小，最大拉应力和压应力分别降至1640kPa和6560kPa。产生这种现象是由于此时车站受力体系已形成，上部荷载可通过承载结构传递至边桩和钢管柱。

1.2拱部结构沉降差异分析

结构沉降是评估工程稳定性的关键指标之一。通过表2的沉降数据可知，扣拱阶段，中拱沉降值比左右拱大，且沉降值由中拱向两边递减，左、中、右拱沉降值分别为17.53mm、18.62mm、17.56mm，中拱与左右拱沉降差在1.1mm左右。左右纵梁沉降差为0.8mm。主体结构施工时，左、中、右拱沉降值分别降至14.89mm、16mm、15.1mm，中拱与左右拱沉降差略有减小。左右纵梁沉降差缩小至0.72mm。此阶段车站整体受力体系已形成，站台层、站厅层施工卸载导致车站整体“上浮”，拱部沉降普遍减小，降幅在14%～20%之间。

2边桩施工分析

2.1边桩应力分析

图1显示，边桩条基、钢管柱冠梁施工阶段，边桩应力以压应力为主，最大值353kPa。扣拱施工和主体结构施工阶段，边桩开始出现拉应力，最大为53.7kPa，出现在扣拱施工阶段。而最大压应力达2140kPa，出现在主体结构施工右侧边桩下部。边桩顶部应力随施工阶段的推进，由压应力转变为拉应力，再恢复为压应力，其中扣拱阶段拉应力最大。而边桩底部始终处于压应力状态，且随施工进展逐步增大。这主要是由于边桩先后经历了受桩顶荷载、受拱部荷载传递、与中柱共同分担上部荷载等阶段，同时在主体结构施工时，车站临空使得边桩受到更大的侧向土压力。

2.2边桩沉降分析

根据表3的数据，边桩施工完成后，右侧边桩底部沉降最大，为6.30mm，左右边桩沉降差为1.08mm。冠梁、钢管柱施工时，边桩沉降增至6.55mm，左右沉降差基本不变。扣拱施工时，边桩沉降进一步增大，最大值达7.93mm，左右沉降差扩大至1.38mm。主体结构施工完成后，边桩沉降出现回弹，最大值回落至6.01mm，但左右沉降差进一步扩大至1.82mm。分析认为，边桩沉降变化主要受施工荷载卸载影响，而左右沉降差异则源于两侧建筑物对边桩的不均衡影响。

3钢管柱施工分析

3.1钢管柱轴力分析

图2展示了钢管柱施工后的轴力变化。钢管柱施工初期，由于顶纵梁尚未施工，柱顶无荷载，仅柱底受自重影响，轴力为151kN。扣拱施工时，顶纵梁、拱部二衬先后完成，上部荷载开始传至钢管柱，使其轴力迅速增大，柱顶达2229kN，大于柱底的1411kN。主体结构施工时，由于站台层、站厅层开挖，车站土体损失，底部隆起，原本由土层分担的荷载转移到钢管柱，导致轴力进一步增加，柱顶和柱底分别达到8571kN和9402kN。可见，钢管柱轴力随着施工进展和车站结构体系的逐步形成而不断增大，并在扣拱施工后出现柱顶大于柱底的受力特点。

3.2钢管柱沉降分析

钢管柱沉降呈现先增大后减小的变化趋势，冠梁、钢管柱施工时，左右柱沉降差为0.7mm，桩顶沉降为4.16mm。扣拱施工时，拱部土体开挖，荷载向钢管柱转移，使其沉降增至最大值6.07mm，左右沉降差也扩大至0.83mm。主体结构施工完成后，车站整体受力体系形成，土体开挖卸载引起底部隆起，钢管柱沉降出现回弹，降至2.9mm。

4结论

洞桩法地铁车站施工是一个涉及多个施工阶段、多种结构相互作用的复杂过程。本文研究表明，洞桩法地铁车站施工过程中，结构受力状态随着施工阶段的推进而不断变化，呈现出复杂的力学特性。扣拱施工阶段是应力集中最为严重的时期，如果处理不当，确实可能会埋下结构破坏的隐患。而沉降变形则集中体现了土体与结构间的相互影响，反映了施工扰动对地基、基础以及主体结构的综合作用效应。本文通过分析洞桩法施工支护结构的受力特性与沉降数据为地铁车站的设计和施工提供了科学依据，有助于提高工程施工的质量和安全性。

参考文献

[1] 冯爱军.国内城市轨道交通技术发展现状与展望[J].江苏建筑，2020（3）：1-3.

[2] 王德荣.浅埋暗挖法在地铁建设中的应用分析[J].中国标准化，2019（2）：114-115.

[3] 邓根，朱洪威，周杰，等.基于广州地铁隧道施工的Peck公式修正[J].江西理工大学学报，2019，40（3）：9-13.

[4] 邵珠山，赵鑫.基于隧道施工诱发地表沉降随机介质理论预测模型的拓展[J].长安大学学报（自然科学版），2021，41（6）：73-81.

[5] 付春青，刘波.PBA法非对称不均匀变形引起地表沉降规律研究[J].地下空间与工程学报，2021，17（3）：927-942.