輕質(zhì)泡沫混凝土換填地鐵車站結(jié)構(gòu)分析

蔣愛文，張呈祥，尹 俊

(中鐵華鐵工程設(shè)計集團有限公司華東分公司，上海 201900)

0 引 言

泡沫混凝土是采用發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥基膠凝材料、分集料、摻合料、外加劑和水按照一定得比例混合攪拌，現(xiàn)澆養(yǎng)護后形成微孔輕質(zhì)材料。目前，對輕質(zhì)混凝土已經(jīng)有較為深入的研究，已研發(fā)既能滿足強度要求，又能有效控制質(zhì)量，適應(yīng)于各種使用要求的回填土類型[1,2]。它具有輕質(zhì)性(常用泡沫混凝土的密度等級為300～1 200 kg/m3)、強度高、耐久性好，能夠降低結(jié)構(gòu)荷重[3]。泡沫混凝土在已在國外廣泛應(yīng)用[4]，國內(nèi)多用于輕質(zhì)隔墻板[5]、現(xiàn)澆屋面保溫層[6]等。王武祥等[7]介紹了泡沫混凝土在山西引黃工程連接段洞穿管回填灌漿中的實驗研究和現(xiàn)場施工情況，杜素云等[8]介紹了泡沫混凝土在軟基地段路基工程中的應(yīng)用，均取得良好效果。隨著我國對城市地下空間的開發(fā)投入了越來越多的資源，城市地鐵建設(shè)發(fā)展迅猛，泡沫混凝土在地鐵建設(shè)中應(yīng)用逐漸增加。姜偉軍[9]、姚泓[10]介紹了泡沫混凝土做路基填料以減少地鐵區(qū)間保護范圍內(nèi)荷載的工程應(yīng)用。朱敏濤等[11]、潘銳等[12]以上海和杭州車站上方以泡沫混凝土回填料為研究對象，主要介紹泡沫混凝土施工制作的品質(zhì)控制以及施工中的構(gòu)造措施的工程應(yīng)用。

然而對因規(guī)劃變更導(dǎo)致在已建成地鐵車站上方新增建設(shè)市政設(shè)施的情況，其設(shè)計方案、實施措施往往會對建成的車站結(jié)構(gòu)造成一定得影響[13]。為滿足既有車站的正常、安全使用，對車站在施工期間的變形進行控制[14](軌道交通結(jié)構(gòu)的位移和變形的預(yù)警值為10 mm，最終控制值為20 mm)，后期車站上方覆土的二次開挖和回填會對車站造成的影響分析的案例較為稀少。為此，本文以某地鐵車站上方新建道路工程為例，介紹了車站上方回填土采取泡沫混凝土換填措施，對車站結(jié)構(gòu)受力分析以及換填過程中的車站覆土二次開挖進行施工階段分析，為開挖的施工組織設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某地下二層車站，車站總長約189 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度約20.8 m，車站覆土厚度為5.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段采用單柱雙跨結(jié)構(gòu)。車站上方由于新建一條城市次干路，設(shè)計標(biāo)高需要抬升至6 m，增加道路荷載約為20 kN。在新規(guī)劃條件下，為滿足車站頂板承載力與使用性能的要求，必須對頂板回填土進行輕型材料換填處理。換填方案采用泡沫混凝土等荷載替換法對結(jié)構(gòu)頂板上部回填土進行替換，泡沫混凝土換填厚度2 m。根據(jù)最新規(guī)劃要求，新建道路下方需鋪設(shè)雨水及污水管線，車站覆土的平均開挖深度為3.8 m，局部最大開挖深度為6 m，換填處理方案橫斷面如圖1所示。

圖1 泡沫混凝土換填結(jié)構(gòu)斷面圖

2 車站結(jié)構(gòu)受力分析

采用MIDAS GTS建模平面模型，頂板、中板、底板及側(cè)墻采用兩端單元模擬，結(jié)構(gòu)與土之間的抗力采用土彈簧模擬。計算模擬覆土為全素土及泡沫混凝土換填厚度分別為1 m、2 m、3 m的四種工況，研究換填不同厚度的泡沫混凝土材料對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響，泡沫混凝土的級配見表1。覆土不換填及換填厚度分別為1 m、2 m、3 m四種工況下車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況見表2，換填厚度為2 m工況下受力云圖及重矩云圖如圖2、圖3所示。

圖2 換填厚度2 m車站結(jié)構(gòu)剪力設(shè)計值云圖

圖3 換填厚度2 m車站結(jié)構(gòu)彎矩設(shè)計值云圖

表1 泡沫混凝土技術(shù)要求

表2 不同回填土工況下車站結(jié)構(gòu)應(yīng)力

根據(jù)計算分析結(jié)果，在頂板覆土采用泡沫混凝土換填厚度逐漸增加的情況下，頂板的端部及跨中彎矩逐漸減小，底板跨中和側(cè)墻端部彎矩隨著換填泡沫混凝土厚度的增加逐漸增大，底板的端部變化較小，然而底板端部的彎矩逐漸由中支座端轉(zhuǎn)移至邊支座。換填泡沫混凝土厚度大小對中板的影響比較小，中板的彎矩基本不變。通過對比結(jié)構(gòu)受力大小及位置的變化，最后選取換填厚度2 m的方案，等荷載形式換填對結(jié)構(gòu)影響最小。

3 換填施工設(shè)計

進一步研究換填期間，由于部分土體卸載，根據(jù)施工開挖組織的不同車站將出現(xiàn)不同程度的隆起變形等影響。通過三維數(shù)值分析，模擬不同開挖施工組織情況下的車站隆起變形，優(yōu)化上部土體的開挖施工，減小上部土體開挖卸載對原結(jié)構(gòu)的影響，滿足車站隆起或沉降量控制值≤20 mm。

3.1 模型選取

采用MIDAS GTS建立三維有限元模型，主體結(jié)構(gòu)寬20.8 m，長度80 m，主體結(jié)構(gòu)覆土6 m，基坑寬度190.8 m，長度80 m。土體采用莫爾-庫倫模型，其力學(xué)參數(shù)見表3，采用實體單元模型；主體結(jié)構(gòu)采用彈性模型，采用梁單元模擬；模型地表面為自由面，其余側(cè)面及底部施加法向約束,如圖4、圖5所示。

圖4 車站整體有限元模型

圖5 車站整體結(jié)構(gòu)示意圖

表3 土體物理力學(xué)參數(shù)

計算分析通過累加模型來模擬施工工況，通過單元的“激活和鈍化”功能來模擬實際施工過程[15,16]。計算模擬了三種開挖工況：

工況一，主體結(jié)構(gòu)上方覆土沿縱向車站全部一次開挖。

工況二，主體結(jié)構(gòu)上方覆土沿縱向開挖控制長度48 m。

工況三，主體結(jié)構(gòu)上方覆土沿縱向開挖控制長度12 m。

3.2 模擬結(jié)果

根據(jù)三維數(shù)值分析結(jié)果，頂板覆土開挖施工期間，三種工況下頂板的豎向最大位移云圖如圖6～圖8所示。

圖6 工況一頂板豎向最大位移云圖

圖7 工況二頂板豎向最大位移云圖

圖8 工況三頂板豎向最大位移云圖

工況一(圖6)土體最大隆起約29.6 mm，工況二(圖7)土體最大隆起約15.7 mm，工況三(圖8)土體最大隆起約9.5 mm。從結(jié)構(gòu)豎向云圖可以看出，控制頂板覆土的縱向開挖長度可有效減少土體的隆起，且土體隆起在主體結(jié)構(gòu)中部最大，向兩邊逐漸減少。經(jīng)過上述工況的比較，上部土體開挖需控制開挖及換填的長度，控制土體應(yīng)力卸載。同時施工期間，應(yīng)加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果優(yōu)化開挖施工組織。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

車站頂板覆土的開挖施工組織工序按從車站中部向兩側(cè)逐步展開，先開挖一段回填泡沫混凝土后，再進行下一段的開挖及回填工序，縱向開挖最大長度控制在12 m左右。實際監(jiān)測數(shù)據(jù)選用地下車站結(jié)構(gòu)的頂板和底板的三個監(jiān)測點，分別位于車站標(biāo)準(zhǔn)段中部和兩側(cè)的跨中最大變形處。將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)報告結(jié)果與有限元模擬結(jié)果對比(表4),結(jié)果表明，頂板整個開挖過程中最大豎向位移為11.2 mm，底板整個開挖過程中最大豎向位移為10.5 mm，略高于數(shù)值模擬結(jié)果，但任滿足規(guī)范和設(shè)計值的結(jié)構(gòu)變形控要求。車站頂板及底板的位移隨著開挖及回填工序變化如圖9所示。因換填工況結(jié)束后地面車道荷載還未施加，即車站頂板未達(dá)到設(shè)計荷載值，致使頂板和底板覆土換填工序完成后任有隆起。

表4 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比表

圖9 車站結(jié)構(gòu)頂板和底板豎向位移隨開挖及回填工序的變化

從數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比可知，兩者較為吻合，利用有限元軟件模擬可以較為準(zhǔn)確地預(yù)估實際土建工程的變形結(jié)果，為工程施工提供參考依據(jù)。

5 結(jié)論與建議

車站頂板覆土采用泡沫混凝土換填后對車站的頂板、底板以及側(cè)墻的受力影響較為明顯，結(jié)構(gòu)受力明顯減小，而對車站的中板影響較為有限。

由于車站上部土體開挖，會破壞已有土壓平衡條件，隨著土體應(yīng)力釋放，車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隆起等不利影響。必須對土體開挖范圍進行控制，優(yōu)化施工組織，減少土體開挖對車站的影響。通過對泡沫混凝土換填過程中，車站結(jié)構(gòu)位移，軌道變形等監(jiān)測，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計要求，達(dá)到了泡沫混凝土換填的目的。對于相類似的深填方、土方換填等工程有非常重要的借鑒和參考作用。