地鐵明挖法區(qū)間斷面形式的研究

劉青松

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司基礎(chǔ)設(shè)施分公司 四川成都 610212）

1 工程概況

成都軌道交通19號線定位為快線干線和機場線功能。途經(jīng)溫江、雙流、天府新區(qū)，止于天府新站。在天府新站并入18號線，與18號線共軌運行，到達(dá)天府國際機場，作為新老機場間的軌道交通聯(lián)絡(luò)通道。19號線二期九江北站（不含）至天府新站，線路長度約45.6km，設(shè)車站10座，均為換乘站。

2 明挖法區(qū)間斷面形式的選擇

區(qū)間施工方法的選定受沿線工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和環(huán)境條件（地面建筑物和地下構(gòu)筑物的現(xiàn)狀、道路寬度、交通狀況）等多種因素的共同制約，同時也會對工程的難易程度、工期、造價和運營效果等產(chǎn)生直接的影響。明挖法一般適用于拆遷面積小，覆土淺、綜合條件較好的地段，具有施工簡單、快捷、經(jīng)濟、安全的優(yōu)點，缺點是對周圍環(huán)境影響較大。暗挖法一般適用于施工中不允許中斷城市道理或道路無疏解條件，結(jié)構(gòu)埋深較大的地段。

成都軌道交通19號線二期工程某車站配線段區(qū)間經(jīng)過地段基本為荒地與山丘，局部經(jīng)過道路，該段線路埋深較大，道路區(qū)段具備進(jìn)行交通疏解條件。經(jīng)過對技術(shù)、經(jīng)濟及工期等因素綜合性比較，此段宜采取明挖法施工。

明挖法施工區(qū)間斷面形式包含矩形斷面和拱形斷面，兩種不同斷面形式受力有較大的差異。一般情況下，明挖法采用矩形斷面，有利于施工。在頂板覆土較大情況下，矩形斷面結(jié)構(gòu)頂板承受較大內(nèi)力。

本文分別對深埋情況下明挖法矩形區(qū)間和拱形區(qū)間在不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)形式下進(jìn)行分析計算，對區(qū)間結(jié)構(gòu)不同位置處的內(nèi)力進(jìn)行比較，優(yōu)選出深埋情況下明挖法區(qū)間斷面合理的斷面形式。

2.1 計算斷面的擬定

本文計算斷面根據(jù)成都軌道交通19號線二期工程限界資料確定，其明挖矩形區(qū)間與拱形區(qū)間斷面形式如圖1～2所示。

2.2 荷載確定

本文計算所采用的荷載為區(qū)間結(jié)構(gòu)承載的主要荷載，即地層壓力、結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、地基反力以及地面超載，其它一些對結(jié)構(gòu)受力計算影響較小的次要荷載暫不考慮。

本文根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）推薦荷載計算方法計算在頂板覆土較厚H=9m、水位取地下2m情況下明挖法區(qū)間所承受主要荷載。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁支護(hù)時，側(cè)土壓力系數(shù)取0.25，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡開挖時，側(cè)土壓力系數(shù)取0.5，計算得到的主要荷載如表1。

圖1 明挖矩形區(qū)間

圖2 明挖拱形區(qū)間

表1 主要荷載表

當(dāng)明挖區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡開挖時候，側(cè)向水土壓力均作用于區(qū)間側(cè)墻上，當(dāng)明挖區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁形式時候，側(cè)向水壓力作用于區(qū)間側(cè)墻上，側(cè)向土壓力作用于圍護(hù)樁上。

2.3 結(jié)構(gòu)計算的有限元模型

區(qū)間主體是個狹長型結(jié)構(gòu)，縱向很長，橫向相對尺寸較小。主體結(jié)構(gòu)計算采用延米結(jié)構(gòu)，按平面應(yīng)變問題考慮。由于地層與結(jié)構(gòu)共同作用，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型。計算模型為支承在彈性地基上的平面框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)底板下用受壓彈簧模擬土體抗力，框架側(cè)向抗力根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用不同處理方式。

明挖法區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般情況下采用放坡開挖或圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡開挖時，側(cè)墻外側(cè)回填土的密實性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如原始地層的密實度，故在側(cè)向不能考慮彈性抗力。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁形式時，側(cè)墻外側(cè)為原始地層，在區(qū)間側(cè)墻可偏于安全的局部考慮側(cè)向彈性抗力。

圍護(hù)樁與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置防水層，按照重合墻考慮，即圍護(hù)樁與側(cè)墻間只傳遞軸力不傳遞切向剪力，計算模型采用受壓彈簧模擬圍護(hù)樁與側(cè)墻的相互作用。

3 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果及分析

通過有限元計算后可以得到明挖區(qū)間不同斷面形式在同等荷載作用和不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式下結(jié)構(gòu)不同部位內(nèi)力情況，詳見表2。

表2

在深埋情況下，根據(jù)對明挖矩形區(qū)間與拱形區(qū)間不同部位受力計算結(jié)果進(jìn)行比較，可以得出以下規(guī)律：

（1）斷面形式變化對區(qū)間結(jié)構(gòu)頂板位置處彎矩、軸力及剪力均產(chǎn)生較大的影響。相對于矩形區(qū)間，拱形區(qū)間頂板位置處彎矩及剪力值均明顯減小，軸力值明顯增大。

（2）斷面形式變化對底板位置處彎矩、軸力及剪力影響不明顯。

（3）斷面形式變化對側(cè)墻位置處彎矩影響較明顯，對側(cè)墻剪力和軸力影響不明顯，當(dāng)結(jié)構(gòu)采用拱形區(qū)間時，側(cè)墻彎矩明顯減小。

（4）相對于放坡開挖，拱形區(qū)間在圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁形式下，其頂板彎矩明顯減小。

4 結(jié)論

通過以上的理論計算分析和比較，可以知道在深埋情況下，明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)采用拱形斷面形式比采用矩形斷面形式受力更加合理，結(jié)構(gòu)安全富裕度更大。拱形結(jié)構(gòu)為推力結(jié)構(gòu)，當(dāng)明挖區(qū)間采用拱形結(jié)構(gòu)時，建議采用圍護(hù)樁支護(hù)形式，對區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平向彈性抗力，更有利于拱形結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，給工程帶來良好的社會、經(jīng)濟效應(yīng)。