地铁车站地下大直径管线施工方案数值模拟分析

地铁车站地下大直径管线施工方案数值模拟分析

1地下管线的开挖施工地下管道通常存在于地铁站的建设过程中。而对地下管线,特别是大直径管线进行改迁,不但工程量大、造价高,有时可能无处可迁,而且会对城市的正常运转造成影响。因此,如何保证地铁车站的顺利建设,同时尽量减少搬迁地下管线,显得尤为重要。在基坑的围护结构中,当有地下管线等的存在使得墙体中有不连续部位存在时,根据背面地层状况,有可能随着开挖的进行,墙体背面的土砂和水流到基坑内,使得开挖施工变得困难。同时挡墙背后的地层发生松弛,有可能使整个基坑发生危险。因此,为了保持相邻挡土墙间的连续性,需要建造能充分抵抗土压力和水压力的止水壁。目前国内此方面的研究仍主要集中于基坑工程的开挖施工对周围管线的影响分析,研究管线的位移、受力以及保护措施等。对于将管线原位悬吊而不搬迁,围护结构预留局部缺口时,围护结构的稳定性以及加固方法仍然缺乏相关研究。国外如日本目前已经有较为完善的施工工法。2地下连续墙与管道连接拟建地铁车站顶板上方沿车站纵向有一地下管道,管径3m,埋深3m。车站基坑的端头井长15m,宽25m,开挖深度22m(为计算方便,全部取为整数)。为减少计算工作量,在标准段靠端头井处设置封头墙,标准段长15m,宽19m,开挖深度20m。地下连续墙厚1m,端头井部位墙深40m,标准段墙深37m。端头井和标准段各设6道和5道ϕ609的钢管撑。车站局部基坑平面和纵断面见图1,2。为不截断管道,地下连续墙与管道相交处在施工时留下一个比管线直径略大(满足施工要求即可)的通长缺口。缺口外土体采用可靠方法进行加固,以保证基坑的稳定。加固体的形状假定为半圆柱体,直径为5m,与缺口两侧地下连续墙各搭接1m,加固体深度为从管底至连续墙底。为了增加缺口处地下连续墙在开挖过程中的稳定性,端头井各道支撑均须设置围檩。3地铁车站围护结构动态施工设计采用FLAC3D程序,模拟将管线原位悬吊而不搬迁,遇管线部位车站围护结构局部预留缺口情况下,地铁车站围护结构的动态施工过程,分析了围护结构局部留缺口的稳定性,以及缺口外土体加固方法及加固效果。根据基坑开挖的影响范围和程序限定的计算单元总数,数值模型范围为151m×145m×61m。模型的范围在两个方向均大于基坑平面尺寸的3倍。3.1数值模型计划和工程假设11考虑到基底开挖的施工过程分步进行土方开挖,分步施作支撑和围檩,动态模拟施工过程。2土体结构单元土体和加固体均采用非线性弹塑性模型,屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。连续墙、钢支撑、围檩采用弹性模型。土体和加固体采用实体单元(Zone单元),连续墙采用Shell单元,钢支撑和围檩采用Beam单元。可以通过在不同Shell模型的边界节点处设置Link单元来模拟实际结构中可能存在的塑性铰。Shell单元通过节点与Zone单元相连来传递力和弯矩。3地下水的渗流作用由于目前上海地区大多数地铁车站采用的地下连续墙和加固体具有较好的抗渗透能力,并且在基坑开挖前要采取降水措施,因此地下水对基坑开挖计算的影响相对较小,所以计算不考虑地下水的渗流作用。4围护结构的考虑考虑到管道已在施工前通过悬吊等方法固定,另外研究的侧重点是围护结构的稳定性,所以在模型计算中不考虑管道结构,而仅考虑其位置和尺寸的影响。5计算参数根据上海地区常规地铁车站基坑施工的特点,选取具有代表性的材料参数进行仿真计算。材料的物理力学参数见表1～3。3.2有深化加固措施复合墙与管道的连接根据国内目前的施工技术情况及理论计算,选取了五种计算方案:Ⅰ围护封闭无加固体;Ⅱ墙外加固,连续墙与管道相交处有宽3m通长缺口,加固体为半径2.5m的半圆柱体;Ⅲ墙外加固,连续墙与管道相交处有宽3m通长缺口,加固体为截面5m×2m的长方体;Ⅳ墙外加固,连续墙与管道相交处有宽3m通长缺口,加固体为截面5m×3m的长方体;Ⅴ墙外加固,连续墙与管道相交处有宽3m通长缺口,加固体为截面5m×4.5m的长方体。主要针对方案Ⅰ,Ⅱ进行计算分析。3.3安装装支撑和围按照实际开挖施工顺序,计算中基坑分八步进行土方开挖、支撑:1)初始地层应力平衡;2)施工地下连续墙(管线位置预留宽3m通长缺口),缺口外侧施作加固体(管线以下至墙底)后,开挖至-1m;3)安装第1道钢支撑和围檩,缺口部位修补(管线以上至地面部分),开挖至-7m;4)安装第2道支撑和围檩,缺口部位修补(管线以下缺口暴露部分),开挖至-10m(标准段至-11m);5)安装第3道支撑和围檩,缺口部位修补(新增缺口暴露部分),开挖至-13m(标准段至-14m);6)安装第4道支撑和围檩,缺口部位修补(新增缺口暴露部分),开挖至-16m(标准段至-17m);7)安装第5道支撑和围檩,缺口部位修补(新增缺口暴露部分),开挖至-19m(标准段至-20m);8)安装第6道支撑和围檩,缺口部位修补(新增缺口暴露部分),开挖至基坑底-22m,缺口部位修补(新增缺口暴露部分)。4加固体变形控制指标对未封闭围护结构在加固后施工的安全性进行分析。分析控制指标:1)加固体的变形不超过经验允许值,且不发生塑性破坏;2)缺口外侧地面沉降不超过经验允许值;3)缺口部位的连续墙最大水平位移和内力不超过经验允许值。4.1基坑底部起落架由图3可知端头井端墙外地面沉降范围较大,达到20m左右,最大沉降量约3cm。由图4可知基坑底部隆起也较大,最大隆起量8cm左右。另外影响深度可达坑底以下约10m。总体上说,加固体的存在较为有效地控制了地面的沉陷和坑底的隆起。如果不进行加固,第一步开挖后,缺口部位土体就会发生破坏。4.2基坑坑周屈服土体边界距l从一般意义上讲,基坑开挖引起的坑周屈服土体的多少将直接反映加固效果的好坏,因此统计了基坑开挖后洞周屈服单元的体积Vp作为评价指标,结果见表4。由表可知,从土体屈服体积上讲,采用方案Ⅱ进行加固后较围护墙连续时增加不多,约为17%。基坑开挖引起的洞周屈服土体的厚度直接决定基坑合理加固结构的形式和尺度,因此统计出了坑周屈服土体边界距基坑围护结构的距离L作为评价基坑围护结构稳定问题的指标之一,见表4。由表可得,加固方案Ⅱ端墙缺口外土体产生了较大范围的塑性区,影响系数增大了0.23,说明加固方案Ⅱ对塑性区范围的控制不够。4.3固场分析由图5可知,加固体上向基坑内的水平位移最大值约为2.5cm,位于-18m左右。4.4轴的支撑力分析支撑轴力的最大值为1280kN,发生在第4道支撑上,各道支撑的轴力最大值见表5。4.5无缺口时的基坑支护效果由图3可看出,有缺口情况地表的最大沉降值为2.76cm,距离围护墙12m。与无缺口情况相比,在基坑周边10m以内两者相差较大,最大差值达到1cm;而在10m以外相差较小。由图4可以看出,越靠近围护结构,坑底隆起量越小,基坑中部隆起量为8cm左右。无论有无缺口,隆起量基本一致,说明围护墙局部开口对基坑的坑底隆起影响不大。由图5可看出,无缺口时对应位置加固体水平变形均比有缺口时的小。有缺口时加固体水平位移最大值约为2.45cm,发生在地下约18m处。无缺口时的最大值约为1.67cm。由图6可看出,无缺口时对应位置端墙水平变形均比有缺口时的小。有缺口时缺口旁端墙水平位移最大值为2.5cm,发生在地下约20m处,无缺口时的最大值约为1.7cm。由以上分析可知,无论是端墙还是加固体,有缺口时与无缺口时相比,水平位移均有较大增加,但并没有超出地铁车站基坑设计施工变形的控制要求(一般为一级基坑)。由图7可看出,有缺口时,缺口旁地下连续墙弯矩最大值为844kN·m,发生在地下约20m处,无缺口时相应位置弯矩最大值为575kN·m。也就是说,缺口的存在会使缺口旁地下连续墙的弯矩增大。4.6加固厚度对支护效果的影响通过表6可以看出,不同加固体厚度的增加对坑外的地表沉降和坑底隆起的控制作用不大。但随着加固厚度的增加,加固体的水平位移、开口附近地下连续墙的水平位移和弯矩都明显减小。通过对以上计算结果的综合比较,推荐Ⅱ和Ⅳ两种加固方案,施工中具体采用哪种方案还应根据施工的技术水平和施工机械情况进行选择。5加固方案的比较1)加固体在最大水平变形为2.5cm的情况下没有发生明显的塑性破坏,而且围护墙缺口处的变形和内力均在较合理的范围内,坑底隆起量和坑外的地面沉降量也相对较小,从设计来讲是可行的。同时,施工中通过高压旋喷法可以实现。2)通过对几种加固方案的基坑底的隆起变形、基坑缺口附近土体的塑性区分布及水