盾构井环框梁等效侧向刚度计算及对基坑的影响分析

刘　亮

(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津　300133)

摘要:为研究在地铁明挖基坑计算中由于忽略盾构井开孔导致的结构侧向刚度削弱问题对基坑受力和变形的影响,以武汉地铁11号线未来三路站标准2层盾构井基坑为例,建立荷载-结构模型,根据k=F/l计算盾构井环框梁结构等效侧向刚度,并将其作为基坑逆工况换撑刚度;利用Plaxis有限元软件,建立土层-结构模型,对在基坑逆工况回筑过程中采用环框梁等效侧向刚度和整板刚度2种不同换撑的刚度进行对比分析,结果显示:2种换撑刚度造成围护结构最大位移相差4.8%,最大弯矩相差2.7%,最大剪力

相差1.3%,总体差别不大。

关键词:地铁;明挖基坑;盾构井;环框梁;等效侧向刚度DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2019.10.009中图分类号:U45　　　　　文献标志码:A

文章编号:2096-4498(2019)10-1620-07

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

CalculationofEquivalentLateralStiffnessofShieldShaftRingFrame

BeamandItsInfluenceonFoundationPit

Abstract:Thestudyontheinfluenceofstructurallateralstiffnessreductioninducedbyignoranceofshieldshaftopening

(ChinaRailwayLiuyuanGroupCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

LIULiang

incalculationofopen-cutmetrofoundationpitonthestressanddeformationofthefoundationpitisofgreatsignificance.

11isestablished,andtheequivalentlateralstiffnessoftheshieldshaftringframebeamstructureiscalculatedbythe

Aload-structuremodelforthestandardtwo-layershieldshaftfoundationpitofWeilaisanluStationofWuhanMetroLineformulaofk=F/l,whichisusedasthefoundationpitreversesupportcondition.Andthenthesoil-structuremodelisestablishedbasedonfiniteelementsoftwarePlaxis,andthecomparisonismadebetweentheequivalentlateralstiffnessoftheringframebeamandthewholeplatestiffnessinthereverseconstructionofthefoundationpit.Theresultsshow

thatthemaximumdisplacementdifferenceoftheretainingstructurebetweenthetwokindsofstiffnessis4.8%,thedifferences.

Keywords:metro;open-cutfoundationpit;shieldshaft;ringframebeam;equivalentlateralstiffness

maximumbendingmomentdifferenceis2.7%,andthemaximumshearingforcedifferenceis1.3%,whicharesmall

0　引言

分析;文献[4]对深基坑平面支撑框架等效刚度进行了研究,根据两支撑间腰梁的平均位移,给出了均布荷载作用下平面支撑框架等效刚度计算方法;文献[5]分析了支撑刚度变化对支撑轴力及支护桩桩身内力的影响;文献[6]对比分析三维立体模型和平面模型计算结果,结合工程经验总结认为可以通过考虑侧墙刚度、弯矩调幅、弯矩削峰的方法优化平面数值计算,并介绍考虑侧墙作为翼缘的盾构井环梁刚度增大系数计算方法;文献[7]利用空间梁-板单元模型对车站端头

为了保证明挖地铁车站两端盾构井施工期间结构

的安全稳定,通常在底板以上各层盾构孔周边设置环框梁以提高侧墙水平抗弯刚度。文献[1-11]针对明挖基坑支撑刚度计算和盾构井结构的受力、变形做了大量分析研究。文献[1]探讨了支撑不动点调整系数和支撑圈梁间夹角对支撑弹性支点刚度的影响;文献[2]讨论了单独的桩顶圈梁水平刚度系数计算方法;文献[3]对深基坑内支撑等效刚度的影响因素进行了

收稿日期:2019-03-08;修回日期:2019-06-19

作者简介:刘亮(1982—),男,河北高碑店人,2009年毕业于河北工业大学,结构工程专业,硕士,高级工程师,现主要从事隧道及地下工程设计

研究工作。E-mail:402677272@qq.com。

第10期

刘　亮:　盾构井环框梁等效侧向刚度计算及对基坑的影响分析

1621

井结构受力和变形进行了分析;文献[8]探讨了端头井结构的计算方法,提出端头井结构不适宜采用平面框架方法进行计算;文献[9]采用弹性地基杆系有限元模型和荷载总量法计算车站端头井围护结构在基坑施工过程中的内力和变形;文献[10]结合现场施工过程内力测试分析坑外加固、盾构进出洞对围护结构内力的影响;文献[11]利用主体结构环板作为水平支撑,通过三维荷载结构模型进行了地铁深基坑分析。

以往研究主要针对基坑开挖工况支撑刚度计算、盾构井环框梁结构受力分析和优化设计。由于地铁基坑多为狭长形,基坑计算通常采用二维软件进行,支撑及板撑刚度可以通过公式[12]计算得到,但是对于盾构井环框梁如何计算侧向刚度未见文献有说明,设计中往往忽略盾构孔的存在而直接采用板撑代替。本文通

过对比分析盾构井环框梁与板撑因换撑刚度不同对基坑围护结构的受力、变形的影响,并给出环框梁等效侧向刚度的计算方法。

1　工程概况

武汉地铁11号线范湖站位于高新大道与未来三

路交汇处,横跨路口沿高新大道敷设,与规划9号线通道换乘。车站总长371.8m,采用明挖法施工,标准段基坑宽23.1m、深17.8m,盾构井位置基坑深20.4

m,围护结构采用ϕ1200mm钻孔灌注桩加内支撑方案,竖向设置3道支撑,其中第1道为钢筋混凝土支撑,其他为钢支撑。车站两端分设盾构接收井,左右线盾构井开孔尺寸均为11.5m×7.5m,结构尺寸顶板厚

900mm,中板厚400mm,底板厚1100mm,混凝土等级为C35。盾构井横剖面见图1。

2　工程地质和水文地质情况

Fig.1　Cross-sectionofshieldshaftofWeilaisanluStation(unit:mm)

图1　未来三路站盾构井横剖面图(单位:mm)

岩为白垩-下第三系的泥质砂岩、石炭系的灰岩、志留系坟头组的砂岩和构造挤压揉皱带。

上层滞水主要赋存于场区内的填土层中,孔隙承压水主要赋存于黏土夹碎石层和含黏性土碎砾石层中,因含水层上部有一定厚度的黏土层覆盖,主要接受侧向地下水的补给,与周边的水库、湖泊有一定的水力联系。各土层岩土物理力学性质见表1。

江三级阶地),车站所处地势东高西低,最大高差3m。场地土层除上部为杂填土和素填土层外,其下主要为第四系全新统湖积的淤泥质土,第四系全新统冲、洪积的黏性土层,第四系上更新统冲、洪积的黏性土层、黏性土夹碎石层和含黏性土碎砾石层,残积土层,下伏基

拟建车站场区地貌单元属于剥蚀堆积垅岗区(长

1622

隧道建设(中英文)

表1　土层物理力学参数

Table1　Physico-mechanicalparametersofsoils

第39卷　

土体名称杂填土素填土粉质黏土黏土残积土

弱胶结-泥质砂岩中等弱胶结-泥质砂岩

厚度/m0.62.72.86.5

压缩模量/MPa2.52.59.014.08.546.2近不可压缩

c/kPa683242

φ/(°)2271516152730

γ/

渗透系数/(m/d)395.5×10-31.6×10-42.9×10-45.8×10-39.5×10-29.5×10-2

侧压力

基床系数/(MPa/m)垂直

水平

(kg/m3)21.018.519.319.418.422.022.5

系数0.70.7

0.460.400.43

385614520530

395311519033

2.33.910.0

3580

180

3　计算分析

以本站盾构井段基坑设计为例,采用有限元软

件SAP2000和Plaxis进行计算,通过对比采用环框梁和板撑不同刚度的换撑计算结果,定性分析盾构井环框梁作为换撑对明挖地铁基坑受力和变形的3.1　换撑刚度计算

1)板撑刚度可根据文献[12]公式kR=影响。

αREAbaλl0s

求

图2　环框梁结构模型

Fig.2　Structuremodelofringframebeam

得(kR为单位宽度弹性支点刚度系数,kN/m2;αR为不预加轴力钢支撑取0.8~1.0;E为支撑材料弹性模

支撑松弛系数,混凝土支撑及预加轴力钢支撑取1.0,量,kPa;A为支撑截面面积,m;ba为单位计算宽度,

2

m;λ为支撑不动点调整系数,分层对称开挖取0.5;

l0为受压构件长度,m;s为支撑水平间距,m)。经计

算,各层板换撑刚度为2108MN/m2(顶)、936MN/m2(中)、2576MN/m2(底)。

本节参照文献[4],采用SAP2000有限元软件,建立荷载-结构模型,通过对环梁的受力和变形进行计算,得出环框梁等效侧向刚度,即为基坑计算所需的换撑刚度。对于明挖基坑来说,逆工况换撑回筑过程中关于侧墙的刚度是否考虑和如何考虑问题,文献[6]中提出了采用刚度增大系数法进行梁截面设计的方法和原则,按照等刚度计算环框梁等效截面以考虑侧墙的刚度影响。

2)规范中对于环框梁刚度选取未做相关说明,

图3　环框梁位移计算

Fig.3　Displacementcalculationofringframebeam

3.2　基坑计算模型

盾构井周边环框梁计算模型见图2和图3,根据对称性只取一侧进行计算。

通过对顶板、中板环框梁受力变形计算,取一侧框梁平均位移,根据文献[4]框架等效刚度公式k=F/l

ϕ1200mm钻孔灌注桩,桩长26m。计算模型尺寸

盾构井段基坑宽26.9m、深20m,围护采用

(k为单位宽度环框梁等效侧向刚度;F为单位宽度水土侧向荷载;l为环框梁平均侧向位移)计算框梁等效侧向刚度,结果见表2。

10m,地面超载取20kPa。本构模型采用摩尔-库仑

取30m(宽)×30m(高),结构距离右侧20m、左侧模型,围护桩按照等刚度原理采用板单元模拟(折合板厚900mm),支撑及换撑均采用锚杆单元模拟,土

与结构之间采用界面单元模拟。计算单元采用15

第10期

刘　亮:　盾构井环框梁等效侧向刚度计算及对基坑的影响分析

1623

节点三角单元,在结构与土层接触部位采取局部加密处理,计算模型见图4。分析过程按照实际工序采

取分步开挖,随挖随撑,开挖过程通过冻结土体单元处理,考虑地下水渗流影响,材料类型为不排水。

表2　环框梁等效侧向刚度计算

Table2　Calculationofequivalentlateralstiffnessofringframebeam

名称顶板环框梁

是否考虑侧墙刚度

是否是否

等效截面尺寸/(mm×mm)

　900×1850

侧向荷载/kN

229229831831

跨中最大位移/m

0.0015

平均位移/m0.0009

刚度/(MN/m2)

254229

　900×1650

0.0020.001

中板环框梁

1000×2140

1000×1850

0.0039

0.0055

0.0022

0.0030

378273

17.95mm位于第2道和第3道支撑之间,这与现场基坑监测结果最大位移出现在11m位置相符,在中

板附近。

Fig.4　Computationalmodelmesh(unit:m)

图4　计算模型网格(单位:m)

3.3　计算参数

化范围为0.1~0.25,PLAXIS

Brinkgreve[13]研究发现土体加载卸载泊松比的变

[14]

图5　基坑开挖回填后变形的网格

Fig.5　

中建议值为0.20。

根据文献[15]所述,计算中土体弹性模量取压缩模量的3倍,界面强度折减因子取0.7,其他参数详见表1。

3.4　分析结果

本文针对基坑正工况(基坑开挖过程)和逆工况

Deformedmeshafterexcavationandbackfillingof

foundationpit

(主体结构回筑过程)整个过程进行了模拟分析,针围护结构嵌固深度保持不变,模型网格变形情况见图5。

3.4.1　土层位移分析

土层位移结果见图6和图7。由图可知:由于基

对逆工况换撑刚度的不同进行对比,基坑土层条件、

坑计算遵循“先变位、后支撑”的原则进行,在计算下阶段内力和变形时计入了上阶段的先期位移值和支撑变形,即“增量法”,实际的受力变形状态为以前各阶段内力与位移的叠加[4],基坑侧向水平位移在正工况基坑开挖至基底时基本完成,水平位移极值

极值-17.95×10-3m

图6　正工况水平位移云图

Fig.6　Horizontaldisplacementnephogramofpositiveworking

condition

1624

隧道建设(中英文)

第39卷　

　极值-20.40×10-3m(板撑);-21.04×10-3m(环框梁,不考虑侧墙刚

度-21.37×10-3m)。

图7　逆工况水平位移云图

Fig.7　Horizontalcondition

displacementnephogramofreverseworking

在正确合理的逆工况拆撑回筑过程中,水平位移极值有所增长但增长幅度不大,板撑作为换撑,水平位移极值为20.40环框梁考虑侧墙刚度mm,作为相比正工况增大换撑,水平位移13.极值6%;

为21.换撑04,水平位移极值为mm,增大17.2%;21.环框梁不考虑侧墙刚度作为

37换撑刚度位移极值最大相差4.mm,8%,增大环框梁考虑侧向19.1%,3种

刚度与否差别仅1.6%。位移极值出现位置并没有因为换撑工序发生较大偏移,主要因为换撑过程中并没有施加预加力,不会对基坑变形提供主动干预而发生较大改变。

3.4.2　围护结构受力、变形分析

护结构水平位移与土层位移分析结果一致1)围护结构位移计算结果见图8。由图可知。正工况桩:围

顶水平位移5.507.9mm,增加43.6%,mm,逆工况板撑换撑桩顶水平位移mm(11.环框梁换撑桩顶水平位移10.5

是与实际相符的5mm),增加,因为顶板位于第90.9%(109%)。1道支撑以下这种情况出现,逆工况换撑相当于支撑下移,造成桩顶水平位移相比正工

况增加较多;正工况围护桩最大水平位移17.95逆工况板撑换撑围护桩最大水平位移20.41mm,

13.(21.7%,环框梁换撑围护桩最大水平位移21.mm,05增加

mm

成围护结构位移极值最大相差38mm),增加17.3%(19.1%),34.8%,种换撑形式造且最大位移均

位于11考虑侧墙刚度的计算结果m,即中板位置(上述括号内数值为环框梁不,下同)。

　图例中环框梁(是)考虑侧墙刚度;环框梁(否)不考虑侧墙刚度。

图8　围护结构位移图

Fig.8　Displacementcurvesofretainingstructure

结构最大弯矩为2)围护结构弯矩见图-790.27kN·m9。由图可知/m,逆工况板撑换撑

:正工况围护

最大弯矩为-808.812.3%,环框梁换撑最大kN弯·矩m为/m,-795.相比57正kN工况·增m/加((-787.70kN·m/m),相比正工况增m

大相差-0.3%)。加0.7%

2.7%。

3种换撑形式造成的围护结构弯矩极值最　图例中环框梁(是)考虑侧墙刚度;环框梁(否)不考虑侧墙刚度。

3)围护结构剪力见图Fig.9　Bending图9　moment围护结构弯矩图

10。ofretaining由图可知structure

:正工况围护结构最大剪力为417.22大剪力为491.42kN/m,梁换撑最大剪力为kN493./m,相比正工况增加逆工况板撑换撑最

39kN/m(497.9217.比正工况增加18.3%(19.3%)。3种换撑形式造成的kN8%,/m),环框相

围护结构剪力极值最大相差1.3%。

第10期

刘　亮:　盾构井环框梁等效侧向刚度计算及对基坑的影响分析

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　图例中环框梁(是)考虑侧墙刚度;环框梁(否)不考虑侧墙刚度。

图10　围护结构剪力图

Fig.10　Sheardiagramofretainingstructure

3.4.3　换撑轴力对比见表换撑轴力分析

3。由表可知:顶板和中板位

置,由于环框梁刚度小于板撑刚度,在换撑位置位移相差不大的情况下,环框梁承受的侧向力小于板撑轴力。为了保证受力平衡,底板轴力环框梁换撑大于板撑换撑,但换撑轴力差别均在10%以内。

表3　换撑轴力对比

Table3　Comparisonofaxialforceofsupportreplacement

换撑位置换撑轴力/(kN/m)板撑环框梁对比/%顶板-453.3-423.2(-422.9)-6.6(-6.7)中板-402.3-389.9(-368.6)-3.1(-8.4)底板

-395.2

-406.9(-419.3)

+3.0(+6.1)

4　结论与讨论

通过建立有限元模型,以武汉地铁未来三路站盾

构井段基坑为例,计算分析由于盾构开孔引起换撑刚度变化对基坑受力和变形的影响,得出如下结论:构模型1),采用引入平均位移SAP2000有限元软件,利用受力与变形关系计算环框,通过建立荷载-结

梁的等效侧向刚度,使得三维整体问题简化为平面计算并且给予量化,能够直接应用于二维基坑受力、变形计算。

进行基坑逆工况计算2)采用板撑和环框梁换撑,虽然侧向刚度相差较大2种不同的换撑刚度

(一个数量级),但是在正确合理的逆工况拆撑回筑下,2种换撑刚度对基坑结构的受力和变形影响差别较小;环框梁等效侧向刚度是否考虑侧墙刚度的影响对计算结果影响不大。

以上结论适用于盾构井、竖井这种开孔尺寸不是很大(一般15尺寸30m以内)的情况,对于地铁轨排井采用肋板结构或锚索结构m左右)考虑到结构受力状态及经济性(开孔

。另外,本文基于理论计算,建议

结合二维荷载-结构模型得出环框梁等效侧向刚度,下一步将通过三维基坑计算进一步验证框梁等效侧向刚度取值的合理性。

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大成建设将“VR”用于混凝土喷射作业

喷射作业的安全性,还能减轻作业人员的工作负担。在山岭隧道施工中,为了防止刚开挖的岩体坍塌,需要喷射混凝土稳固开挖面。通常操作员手持混凝土喷射机,站在靠近开挖面的地方进行操作,同时目视检查喷射情况。对于操作工人来说,面临开挖面坍塌的风险、回弹喷射材料和灰尘的伤害,工作环境恶劣且危险。

大成建设开发了一种名为“T-iROBORemoteShotcreting”的远程遥控操作系统,用于山岭隧道混凝土喷射作业,不仅可以提高

业。该技术已经应用于山岭隧洞工程,证实了利用HMD(头戴式显示设备)的远程混凝土喷射作业操作不仅安全,而且高效。道、LED投光灯构成,使用这套设备,无需修改喷射机,也无需添加其他设备。

导入“T-iROBORemoteShotcreting”的远程遥控操作系统后,操作员可以在远离开挖面的位置,如身临其境般远程操作喷射作该系统由HMD(头戴式显示设备)、2台配备鱼眼镜头(超广角镜头)的摄像机、摄像机保护箱、移动摄像机保护箱的可移动轨运用该系统时,先把配备鱼眼镜头(超广角镜头)的摄像机放入摄像机保护箱中,将其和LED投光灯放置在开挖面附近,在

那里拍摄的超真实图像会传送到HMD设备上;作业人员通过HMD显示的立体图像确认混凝土喷射状况,通过遥控装置控制喷射机。

带有鱼眼镜头的相机放置在摄像机保护箱内可以防止灰尘和喷射材料附着,提高镜头可视度。通过采用鱼眼镜头,可以获得超广角图像,并且不需要频繁地改变相机方向。此外,摄像机和LED投光灯随着喷射位置的改变在轨道上移动,可以轻松改变喷射方向。相机远距离拍摄的图像逼真地显示在头戴式设备上,操作员身临其境,从这个角度看,近似于VR的一种虚拟现实。

今后,大成建设将在日本的山岭隧道工程中运用该系统,并不断完善,旨在实现开挖面前无人化施工。

(中铁工程装备集团有限公司王宁供稿)