北京地铁5 号线蒲天区间施工阶段计算与分析
摘 要:简要介绍了蒲天区间的工程概况和采用的施工方法,采用有限元通用结构分析程序ANSYS 软件和地下结构专用程序2D -σ软件对区间主体结构施工全过程进行模拟计算,并对计算结果进行了比较分析。
关键词:地铁;施工方法;台阶法;弹塑性分析;支护弯矩;支护变形
1 工程概况
蒲天区间南起蒲黄榆北端,沿蒲黄榆路向北,经玉蜓立交桥穿过南二环路、京广铁路、南护城河,终至天坛东门站。该区段线路长1744. 4m , 区间隧道覆土厚度为14～18m , 为两个单洞单线区间。根据蒲天区间所处位置的工程地质及水文地质条件、周围环境、地面及地下构筑物、道路、地下管线等条件,本区间采用浅埋暗挖法施工,采用有限元结构分析程序ANSYS 软件对区间主体结构施工全过程进行模拟计算,并采用地下结构专用程序2D -σ软件对计算结果进行了比较。地铁5 号线由南向北横穿永定河冲洪积扇,本区间位于该冲洪积扇的中部地带。场址的土层依次为: 人工堆积层:粉土填土① 层,局部为杂填土①1 层及炉灰①2 层。第四纪全新冲洪积层:粉土③ 层(夹粉质粘土、粘土③1 层), 粉细纱③2 层,粉土④1 层,中粗砂④3 层。第四纪晚更新世冲洪积层:卵石圆砾⑤ 层,粉细纱⑤2 层,粉质粘土、粘土⑥ 层,细中砂⑥2 层,卵石圆砾⑦ 层,粉质粘土、粘土⑧ 层(夹粉土⑧1 层及细中砂⑧2 层),卵石圆砾⑨ 层(夹细中砂⑨1 层),粘土⑨3 层,粉质粘土、粘土⑩ 层,细中砂⑩2 层,卵石圆砾层(夹细中砂 1 层) 。
2 采用的施工方法
目前浅埋暗挖区间常用的工法主要有台阶法、中隔壁法、双侧壁导坑法等。施工方法的选定对初期支护参数的确定和二次衬砌的设计密切相关。由于开挖顺序不同,其支护内力和地面沉降也不同。因此,选择一个支护受力好、结构安全可靠、经济合理的施工方法是极为重要的。根据沿线工程地质、水文地质、地铁埋深、临近高大建筑物和地下构筑物下沉允许量、施工进度、混凝土拆除量小、造价低等综合因素,本区间主体结构采用台阶法施工,折返线段根据断面的大小分别采用中隔壁法和双侧壁导坑法。
3 模型的选取
施工阶段的计算模式为取一定边界范围的土体作为分析对象,采用ANSYS 有限元分析程序模拟施工开挖、支护、衬砌全过程。计算模型简图见图1 。
计算假定:
(1) 平面应变。
(2) 弹塑性分析。
(3) 假定计算边界处不受隧道开挖的影响,即该处为静止的原始应力状态,变形为零,用约束来模拟。
(4) 计算宽度取隧道边墙处2. 5 倍的隧道宽度。
(5) 计算深度为隧道底下3. 0 倍的隧道高度。
(6) 锚杆、超前小导管等措施加固土后力学参数可适当的提高。
图1 施工阶段网格划分图
4 计算参数的选定
有限元计算中,采用莫尔-库仑屈服准则对结构的开挖过程进行弹塑性分析。也即采用Drucker -Prager(DP) 模型计算结构非线形的变形特性。
计算时将地层以岩性和地质特点划分为6 个不同的类别,各层土层的物理力学指标依据《勘察报告》选取,具体参数见表1 。
5 施工阶段计算过程
5. 1 ANSYS 计算结果
计算模拟实际施工过程分步进行计算:在重力作用下进行初期状态分析;开挖上部土体并施做初期支护;开挖下部土体并封闭支护;施作二次衬砌,完成主体结构。计算拱顶最大位移为23mm , 地面沉降值为17mm 。
表1 各土层物理力学参数
压缩模量Es 容重ν 内聚力C 内摩擦角
土层类别(MPa) 泊松比(kN/ m2) (kPa) φ(°)
5. 2 2D -σ计算结果
为了验证计算结果是否正确,用地下结构专用分析软件2D -σ有限元分析程序进行分析计算,计算结果见图2 、图3 。
图2 土体及支护变形图
图3 初衬弯矩图(kN·m)
6 计算结果分析
(1) 拱顶最大位移为23mm , 地面沉降值为17mm , 满足规范要求地面沉降≤30mm 的规定。
(2) 在结构拱脚和拱顶处土体产生塑性变形,施工中需采取超前小导管、注浆加固等措施。
(3) 初衬在仰拱处产生最大弯矩为117kN·m , 相应的轴力为1050kN , 衬砌承受拉应力,因此,必须采取注浆加固地层、格栅支护等工程措施。
(4) 通过用两种不同的程序进行分析,计算结果基本相同,计算精度可满足工程需要。
7 结语
计算表明,采用合理的初期支护厚度及筑浆加固、格栅支护等措施,完全可以将地面沉降保证在30mm 以内,且整体结构受力合理,稳定性满足要求。
