北京地鐵5 號線蒲天區間施工階段計算與分析

摘　要:簡要介紹了蒲天區間的工程概況和采用的施工方法,采用有限元通用結構分析程序ANSYS 軟件和地下結構專用程序2D -σ軟件對區間主體結構施工全過程進行模擬計算,并對計算結果進行了比較分析。
關鍵詞:地鐵;施工方法;臺階法;彈塑性分析;支護彎矩;支護變形
1 　工程概況
蒲天區間南起蒲黃榆北端,沿蒲黃榆路向北,經玉蜓立交橋穿過南二環路、京廣鐵路、南護城河,終至天壇東門站。該區段線路長1744. 4m , 區間隧道覆土厚度為14～18m , 為兩個單洞單線區間。根據蒲天區間所處位置的工程地質及水文地質條件、周圍環境、地面及地下構筑物、道路、地下管線等條件,本區間采用淺埋暗挖法施工,采用有限元結構分析程序ANSYS 軟件對區間主體結構施工全過程進行模擬計算,并采用地下結構專用程序2D -σ軟件對計算結果進行了比較。地鐵5 號線由南向北橫穿永定河沖洪積扇,本區間位于該沖洪積扇的中部地帶。場址的土層依次為: 人工堆積層:粉土填土① 層,局部為雜填土①1 層及爐灰①2 層。第四紀全新沖洪積層:粉土③ 層(夾粉質粘土、粘土③1 層), 粉細紗③2 層,粉土④1 層,中粗砂④3 層。第四紀晚更新世沖洪積層:卵石圓礫⑤ 層,粉細紗⑤2 層,粉質粘土、粘土⑥ 層,細中砂⑥2 層,卵石圓礫⑦ 層,粉質粘土、粘土⑧ 層(夾粉土⑧1 層及細中砂⑧2 層),卵石圓礫⑨ 層(夾細中砂⑨1 層),粘土⑨3 層,粉質粘土、粘土⑩ 層,細中砂⑩2 層,卵石圓礫層(夾細中砂 1 層) 。

2 　采用的施工方法
目前淺埋暗挖區間常用的工法主要有臺階法、中隔壁法、雙側壁導坑法等。施工方法的選定對初期支護參數的確定和二次襯砌的設計密切相關。由于開挖順序不同,其支護內力和地面沉降也不同。因此,選擇一個支護受力好、結構安全可靠、經濟合理的施工方法是極為重要的。根據沿線工程地質、水文地質、地鐵埋深、臨近高大建筑物和地下構筑物下沉允許量、施工進度、混凝土拆除量小、造價低等綜合因素,本區間主體結構采用臺階法施工,折返線段根據斷面的大小分別采用中隔壁法和雙側壁導坑法。

3 　模型的選取
施工階段的計算模式為取一定邊界范圍的土體作為分析對象,采用ANSYS 有限元分析程序模擬施工開挖、支護、襯砌全過程。計算模型簡圖見圖1 。
計算假定:
(1) 平面應變。
(2) 彈塑性分析。
(3) 假定計算邊界處不受隧道開挖的影響,即該處為靜止的原始應力狀態,變形為零,用約束來模擬。
(4) 計算寬度取隧道邊墻處2. 5 倍的隧道寬度。
(5) 計算深度為隧道底下3. 0 倍的隧道高度。
(6) 錨桿、超前小導管等措施加固土后力學參數可適當的提高。

圖1 　施工階段網格劃分圖
4 　計算參數的選定
有限元計算中,采用莫爾-庫侖屈服準則對結構的開挖過程進行彈塑性分析。也即采用Drucker -Prager(DP) 模型計算結構非線形的變形特性。
計算時將地層以巖性和地質特點劃分為6 個不同的類別,各層土層的物理力學指標依據《勘察報告》選取,具體參數見表1 。

5 　施工階段計算過程
5. 1 　ANSYS 計算結果
計算模擬實際施工過程分步進行計算:在重力作用下進行初期狀態分析;開挖上部土體并施做初期支護;開挖下部土體并封閉支護;施作二次襯砌,完成主體結構。計算拱頂最大位移為23mm , 地面沉降值為17mm 。

表1 　各土層物理力學參數
壓縮模量Es 容重ν 內聚力C 內摩擦角
土層類別(MPa) 泊松比(kN/ m2) (kPa) φ(°)

5. 2 　2D -σ計算結果
為了驗證計算結果是否正確,用地下結構專用分析軟件2D -σ有限元分析程序進行分析計算,計算結果見圖2 、圖3 。

圖2 　土體及支護變形圖

圖3 　初襯彎矩圖(kN·m)

6 　計算結果分析
(1) 拱頂最大位移為23mm , 地面沉降值為17mm , 滿足規范要求地面沉降≤30mm 的規定。
(2) 在結構拱腳和拱頂處土體產生塑性變形,施工中需采取超前小導管、注漿加固等措施。
(3) 初襯在仰拱處產生最大彎矩為117kN·m , 相應的軸力為1050kN , 襯砌承受拉應力,因此,必須采取注漿加固地層、格柵支護等工程措施。
(4) 通過用兩種不同的程序進行分析,計算結果基本相同,計算精度可滿足工程需要。

7 　結語
計算表明,采用合理的初期支護厚度及筑漿加固、格柵支護等措施,完全可以將地面沉降保證在30mm 以內,且整體結構受力合理,穩定性滿足要求。