地铁车站pba洞桩法施工数值模拟探究

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1、地铁车站PBA洞桩法施工数值模拟探究　　摘要：基于北京一地铁车站PBA洞桩法施工的工程实例，运用有限元分析软件MIDAS-GTS进行PBA洞桩法三维模型数值分析，研究PBA工法施工过程中土体扰动、主要构件内力变化、地面沉降变化的规律和特点，提出洞桩法的施工建议，为后续车站设计施工提供参考。关键词：地铁车站；暗挖车站；PBA工法；数值模拟中图分类号：U231+.4文献标识码：A洞桩法是利用小导洞和桩在对地层不产生大的扰动的情况下,在地下形成梁、柱纵向支撑体系,一旦扣拱完成,即全面形成纵横向框架空间支撑体系,在此支撑体系保护下可安全地开挖站厅层和

2、站台层。洞桩法不仅具有施工安全，用材节省等优点，而且圬工废弃量小，断面利用率高，不受跨度、层数的限制，对地面周边环境及交通要求较小，因此在现代地铁建设中得到广泛应用。采用数值方法计算模型进行地铁施工引起周围土体和地铁结构的内力变化规律研究，可以考虑多步开挖过程中的结构力学响应及土体的非线性性质,简便易行,在参数选择合理时,可以达到相当的精度。结合北京地区某地铁车站具体工程利用MIDAS-GTS进行PBA工法的分析研究。81概述1.1工程概况北京某地铁暗挖车站垂直于双向8车道的道路布置。该道路规划后属于交通要道，车流量很大，大街周边有银行，商场

3、等重要高层建筑物，场地地下燃气、给水、污水等市政管线密集，为了不影响地面交通及地下管线，采用PBA法(洞桩法)工艺。车站为14m岛式站台车站，全长205.35m，采用路外明挖+路下暗挖的施工方案，车站暗挖断长度117.05m，宽度23.1m，暗挖段地下2层。场地地基土主要由表面素填土、砂石土、碎石类土及卵石组成。车站横断面如图1所示。图1车站横断面示意图2有限元模型及参数2.1车站模型为分析开挖车站结构对周围土体的影响以及车站结构各部位的受力、变形特性，建立三维模型如图2、3。模型中，分别自车站外缘向外拓展1.5D（D为车站跨度）取得左右边界

4、，自车站下缘向外拓展2D取得下边界，上边界取至地表。该模型共有单元135526个。8图2整体模型网格图图3车站结构模型网格图2.2模型计算参数根据地质勘察报告，车站所处地层简化为两层考虑，并假定符合Mohr-Coulomb强度准则，注浆加固圈和初衬支护结构则按弹性材料考虑。表1和表2分别给出了计算中所采用的土层参数和支护结构力学参数。表1土层计算参数表2结构计算参数2.3材料的力学模拟(1)管棚与小导管超前注浆力学模拟为了防止软弱地层中隧道施工时极易出现的不均匀沉降和失稳坍塌问题，施工中常采用管棚超前支护和小导管超前注浆等预支护技术。预支护能

5、显著改善开挖轮廓1m左右范围内围岩的力学参数，增强其稳定性，因此在计算分析中，超前预支护效果可以简化考虑为在动周围岩中形成了一道加固圈，采用提高该部分的围岩参数来模拟。(2)格栅钢架与网喷混凝土的模拟8格栅钢架与网喷混凝土是不可分割的统一整体，共同承受来自围岩的压力，对围岩稳定起着非常重要的作用，计算分析中可将格栅钢架与网喷混凝土按作用等效的原则，简化为混凝土，而提高混凝土的弹性模量，折算后混凝土的弹性模量可用如下公式计算：式中：为折算后混凝土的弹性模量；为混凝土的弹性模量；为钢筋的弹性模量；为一榀格栅钢架范围内的混凝土截面积；为一榀格栅钢架

6、钢筋的截面积。(3)边桩的简化导洞内施工的灌注桩由于间距不大，其实际受力情况近似于地下连续墙。下一步序的施工中，边桩属于压弯构件，因此可以按抗弯刚度等效的原则，把钻孔灌注桩模拟为地下连续墙。由：可得：式中：D为钻孔桩直径；d为桩间距；t为地下连续墙的折算厚度。2.4施工过程的模拟为模拟地铁车站开挖过程，计算过程主要分为以下步骤：（1）形成初始应力场；（2）开挖导洞；（3）施作围护桩、中柱及初支扣拱。并开挖土体至中板标高，施作中板；8（4）开挖土体，施作底板。3计算结果及分析通过模型计算，分析车站主要结构内力及地表位移变化情况。车站埋深、跨度、

7、地质条件及开挖与支护的步序数是影响着车站周围土体和衬砌结构的稳定的主要因素，初期支护扣拱阶段，受力、变形更为复杂。3.1地表沉降为清楚显示车站开挖引起的周围土体变形，选择距离破挖面10m处的开挖面作为监测断面，选取该断面上位于车站结构中轴线正上方的地表点作为监测点。以下是对监测断面和监测点的沉降分析。图4测点变形曲线图图5表沉降槽曲线图由图4可看出，采用洞桩法施工时，地表监测点随掌子面向前开挖的沉降曲线沉降明显分为3个区：前期沉降区、急剧沉降区、沉降收敛区。1)前期沉降区（1-5步）。开挖尚未到达测点时，开挖已经使地面产生一定范围的沉降。该沉

8、降量大约占总沉降量的10％左右。这种沉降主要是由于开挖引起的地层应力场变化引起的；82)急剧沉降区。当开挖面越过监测点后，地层受到开挖的直接影响，发生急剧变形沉降，