洞樁法施工支護結構的受力特性及沉降分析

摘要：采用Midas-GTSNX有限元模擬軟件，建立三維模型模擬洞樁法施工，針對洞樁法地鐵車站施工過程中的支護結構受力特性進行深入分析。研究涵蓋了從邊樁條基施工到鋼管柱施工，再到扣拱施工和車站主體結構施工的整個過程。通過對拱部結構應力分析、邊樁應力與沉降分析，以及鋼管柱的軸力和沉降分析，揭示了施工過程中的應力轉化、應力集中、應力突變和結構沉降差異性變化規(guī)律，為采用洞樁法進行地鐵站施工提供技術指導。

關鍵詞：洞樁法施工地鐵車站拱部結構邊樁鋼管柱

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

隨著地下空間資源的開發(fā)利用，在眾多地下建設方法中，洞樁法因施工影響小、適應性強等優(yōu)點，成為地鐵車站建設的常用方法之一。因此，深入分析洞樁法施工支撐結構的受力特性，對確保地鐵車站施工的安全性具有重要意義。馮愛軍[1]等基于北京地鐵16號線蘇州街站，研究了單層四導洞車站洞樁法施工土體變形規(guī)律。王德榮[2]對上下兩層六導洞地鐵車站洞樁法施工進行了研究。鄧根等人[3]研究了車站施工引起的地表沉降及地層應力。邵珠山等人[4]運用Flac3D模擬軟件建立車站模擬，通過模擬各種開挖方案的比較，得到了“先上后下、交叉開挖”的最佳施工方案。付春青等人[5]以北京地鐵5號線暗挖車站監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，對樁法地鐵車站施工地層變形展開了研究。

本文通過采用Midas-GTSNX有限元模擬軟件，模擬洞樁法施工，分析邊樁、鋼管柱、拱部結構等主要承力和傳力結構在不同施工階段的應力轉化和沉降差異性，探討施工過程中可能出現(xiàn)的應力集中和結構破壞風險。特別是在扣拱施工和車站主體結構施工階段，結構受力的復雜轉換和頻繁的加卸載過程，對支撐體系的穩(wěn)定性提出了更高的要求。本研究旨在為地鐵車站的設計和施工提供科學依據(jù)，以優(yōu)化施工方案，提高工程質量和安全性。

1拱部結構施工分析

1.1拱部結構應力分析

由表1可知，二襯扣拱施工階段，拉應力主要出現(xiàn)在頂縱梁、左右拱部位置及其交接處，最大拉應力為2610kPa，且在交接面上出現(xiàn)應力集中。右側頂縱梁與鋼管柱交接位置拉應力較左側大，原因是右側建筑物荷載大于左側。邊拱拉應力大于中拱，因其不僅承受上部荷載，還受到樁頂冠梁與導洞回填混凝土的荷載。在中柱與頂縱梁連接處，最大壓應力達7960kPa。主體結構施工完成后，上部結構拉應力、壓應力以及頂縱梁與鋼管柱連接處應力值均有所減小，最大拉應力和壓應力分別降至1640kPa和6560kPa。產生這種現(xiàn)象是由于此時車站受力體系已形成，上部荷載可通過承載結構傳遞至邊樁和鋼管柱。

1.2拱部結構沉降差異分析

結構沉降是評估工程穩(wěn)定性的關鍵指標之一。通過表2的沉降數(shù)據(jù)可知，扣拱階段，中拱沉降值比左右拱大，且沉降值由中拱向兩邊遞減，左、中、右拱沉降值分別為17.53mm、18.62mm、17.56mm，中拱與左右拱沉降差在1.1mm左右。左右縱梁沉降差為0.8mm。主體結構施工時，左、中、右拱沉降值分別降至14.89mm、16mm、15.1mm，中拱與左右拱沉降差略有減小。左右縱梁沉降差縮小至0.72mm。此階段車站整體受力體系已形成，站臺層、站廳層施工卸載導致車站整體“上浮”，拱部沉降普遍減小，降幅在14%～20%之間。

2邊樁施工分析

2.1邊樁應力分析

圖1顯示，邊樁條基、鋼管柱冠梁施工階段，邊樁應力以壓應力為主，最大值353kPa。扣拱施工和主體結構施工階段，邊樁開始出現(xiàn)拉應力，最大為53.7kPa，出現(xiàn)在扣拱施工階段。而最大壓應力達2140kPa，出現(xiàn)在主體結構施工右側邊樁下部。邊樁頂部應力隨施工階段的推進，由壓應力轉變?yōu)槔瓚Γ倩謴蜑閴簯Γ渲锌酃半A段拉應力最大。而邊樁底部始終處于壓應力狀態(tài)，且隨施工進展逐步增大。這主要是由于邊樁先后經(jīng)歷了受樁頂荷載、受拱部荷載傳遞、與中柱共同分擔上部荷載等階段，同時在主體結構施工時，車站臨空使得邊樁受到更大的側向土壓力。

2.2邊樁沉降分析

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，邊樁施工完成后，右側邊樁底部沉降最大，為6.30mm，左右邊樁沉降差為1.08mm。冠梁、鋼管柱施工時，邊樁沉降增至6.55mm，左右沉降差基本不變。扣拱施工時，邊樁沉降進一步增大，最大值達7.93mm，左右沉降差擴大至1.38mm。主體結構施工完成后，邊樁沉降出現(xiàn)回彈，最大值回落至6.01mm，但左右沉降差進一步擴大至1.82mm。分析認為，邊樁沉降變化主要受施工荷載卸載影響，而左右沉降差異則源于兩側建筑物對邊樁的不均衡影響。

3鋼管柱施工分析

3.1鋼管柱軸力分析

圖2展示了鋼管柱施工后的軸力變化。鋼管柱施工初期，由于頂縱梁尚未施工，柱頂無荷載，僅柱底受自重影響，軸力為151kN。扣拱施工時，頂縱梁、拱部二襯先后完成，上部荷載開始傳至鋼管柱，使其軸力迅速增大，柱頂達2229kN，大于柱底的1411kN。主體結構施工時，由于站臺層、站廳層開挖，車站土體損失，底部隆起，原本由土層分擔的荷載轉移到鋼管柱，導致軸力進一步增加，柱頂和柱底分別達到8571kN和9402kN。可見，鋼管柱軸力隨著施工進展和車站結構體系的逐步形成而不斷增大，并在扣拱施工后出現(xiàn)柱頂大于柱底的受力特點。

3.2鋼管柱沉降分析

鋼管柱沉降呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，冠梁、鋼管柱施工時，左右柱沉降差為0.7mm，樁頂沉降為4.16mm。扣拱施工時，拱部土體開挖，荷載向鋼管柱轉移，使其沉降增至最大值6.07mm，左右沉降差也擴大至0.83mm。主體結構施工完成后，車站整體受力體系形成，土體開挖卸載引起底部隆起，鋼管柱沉降出現(xiàn)回彈，降至2.9mm。

4結論

洞樁法地鐵車站施工是一個涉及多個施工階段、多種結構相互作用的復雜過程。本文研究表明，洞樁法地鐵車站施工過程中，結構受力狀態(tài)隨著施工階段的推進而不斷變化，呈現(xiàn)出復雜的力學特性。扣拱施工階段是應力集中最為嚴重的時期，如果處理不當，確實可能會埋下結構破壞的隱患。而沉降變形則集中體現(xiàn)了土體與結構間的相互影響，反映了施工擾動對地基、基礎以及主體結構的綜合作用效應。本文通過分析洞樁法施工支護結構的受力特性與沉降數(shù)據(jù)為地鐵車站的設計和施工提供了科學依據(jù)，有助于提高工程施工的質量和安全性。

參考文獻

[1] 馮愛軍.國內城市軌道交通技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].江蘇建筑，2020（3）：1-3.

[2] 王德榮.淺埋暗挖法在地鐵建設中的應用分析[J].中國標準化，2019（2）：114-115.

[3] 鄧根，朱洪威，周杰，等.基于廣州地鐵隧道施工的Peck公式修正[J].江西理工大學學報，2019，40（3）：9-13.

[4] 邵珠山，趙鑫.基于隧道施工誘發(fā)地表沉降隨機介質理論預測模型的拓展[J].長安大學學報（自然科學版），2021，41（6）：73-81.

[5] 付春青，劉波.PBA法非對稱不均勻變形引起地表沉降規(guī)律研究[J].地下空間與工程學報，2021，17（3）：927-942.