箱涵顶进对下方管幕的力学作用分析
张俊儒,严丛文,叶 伦,王安会,赵自静,冯冀蒙
111221,∗
(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都 610031;
2.中铁四局集团有限公司,安徽合肥 230002)
摘要:采用管幕—箱涵法施工的超浅埋连接通道跨越运营地铁时,施工前对场地的土堆清理及基坑开挖工作已使地铁隧道产生较大变形,为确保地铁的安全运营,对后续管幕、箱涵的施工进行严格控制。利用解析计算的方法,根据箱涵相对原状土等效重力大小的不同,建立2种力学模型,分别按照弹性地基梁和普通梁2种模型对管幕的受力进行研究;推导出2种计算模型下的力学公式,分析在箱涵顶进的过程中,箱涵下方管幕受力和变形的变化规律,为进一步研究管幕下方地铁隧道的受力情况提供参考。关键词:管幕;箱涵法;解析计算;箱涵顶进;地铁DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2019.S1.011
中图分类号:U451+.2 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2019)S1-0073-07
AnalysisofMechanicalEffectofBoxCulvertJackingonBottomPipeCurtain
(1.KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,MinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,
ZHANGJunru,YANCongwen,YELun,WANGAnhui,ZHAOZijing,FENGJimeng
1
1
1
2
2
1,∗
Abstract:Whentheultra-shallowburiedunderpassconstructedwiththemethodofpipecurtain-boxculvertstridesover
Chengdu610031,Sichuan,China;2.ChinaTiesijuCivilEngineeringGroup,Hefei230002,Anhui,China)
theoperationsubway,themoundcleaningandexcavationoffoundationpitbeforeconstructionoftencausesubwaytunneldeformation.Inordertoensurethesafeoperationofsubway,thesubsequentconstructionofpipecurtainandbox
culvertsmustbestrictlycontrolled.Inthispaper,basedonanalyticalcalculationmethod,twomechanicalmodelsare
establishedaccordingtothedifferencebetweentheequivalentgravityofboxculvertandundisturbedsoil.Theforceofpipecurtainisstudiedwithelasticfoundationbeammodelandordinarybeammodel,andthetwokindsofforcesare
derivedrespectively.Themechanicalformulaunderthetwocalculationmodelsisusedtoanalyzethevariationlawofthe
forceanddeformationofthepipecurtainduringjackingprocessofboxculvert,whichprovidesabasisforfurtherstudy
oftheforceofsubwaytunnelunderpipecurtain.
Keywords:pipecurtain;boxculvertmethod;analyticalcalculation;boxculvertjacking;subwaytunnel
0 引言
郑州综合交通枢纽东部核心区地下空间综合利用
工程位于郑东新区东南部,七里河南路、商鼎路、圃田西路和博学路之间围合区域。总建筑面积约47万m2,主要建设内容包括地上空中廊道、附属设施、公共服务设备用房、地下附属设施及车库等。本次连接通道部分由6个人行通道组成。通道沿南北走向,并跨越郑州地铁1号线,其中1~4号连接通道跨越郑州东站—博学路站区间,5~6号连接通道跨越博学路站—市体育中心站区间,均处于地铁保护限界之内。连接通道工程采用管幕—箱涵法施工,管幕底部到地铁隧
收稿日期:2018-09-15;修回日期:2018-10-25
0.8m。管幕、箱涵、地铁隧道的位置关系如图1所示。
道顶部最小距离仅有2.1m,箱涵顶部最小覆土厚度
因场地堆积弃土(3~18m厚度)的清理以及基坑的开
挖,造成地铁隧道的上覆压力卸载,地层和隧道随着超载的减少发生回弹变形,已使得地铁区间产生严重的管片变形和隧道整体上浮,管片变形值和隧道隆起变形值均已接近临界值。施工时,先在地铁隧道的上方土体中顶进管幕,两端的基坑内预制箱涵,挖除箱涵前方土体,沿着管幕顶部,将箱涵由两侧对称向中间顶进。顶进箱涵时可视为逐步把管幕上方原状土置换为箱涵,当箱涵自重比原状土更轻时,会造成进一步的压
第一作者简介:张俊儒(1978—),男,山西神池人,1999年毕业于西南交通大学,桥梁与隧道工程专业,博士,副教授,主要从事隧道建筑材料及其支护理论的研究工作。E-mail:jrzh@home.swjtu.edu.cn。∗通信作者:冯冀蒙,E-mail:fengjimeng@qq.com。
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隧道建设(中英文)
第39卷
力卸载,使得地铁隧道产生更大的变形和上浮,如果不加以控制,会危及地铁的行车安全,所以要求后续的施工尽量减少对下方既有地铁的扰动。
(a)位置关系
图1 管幕箱涵结构与地铁隧道位置关系示意图
(b)A-A剖面
Fig.1 Diagramculvertstructureofthelocationandsubwayrelationtunnel
betweenpipecurtain,box
管幕法作为一种辅助工法,在软土地层的浅埋工程中已得到应用[1-4]物的变形控制要求严格,这些工程都对地表或周围建筑。2005年,上海市北虹路地下通道工程位于淤泥质软黏土地层中,施工时对地面环保要求较高,该工程为当时国内首次采用管幕法施工的地下工程。针对该工程,肖世国等[5]分析了顶部管幕的承载作用。李向阳[6]研究了管幕的力学作用与开挖面的稳定性研究。2007年,苟德明等[7]对管棚的刚性固定端Winkler弹性地基梁模型进行改进,建立浅埋暗挖隧道管棚受力的弹性固定端双参数弹性地基梁模型,推导出上部及两侧管棚的扰度方程及应力、应变计算公式。2008年,北京首都国际机场飞机滑行道下穿越工程,要求在飞机不停航的条件下进行施工,对地表沉降控制严格,是当时国内最长管棚支护下箱涵顶进工程,围绕该工程,蒋坤等[8]对箱涵顶进施工过程进行了研究,研究对象同样是顶部管棚的承载作用。
2015年,董雪娇[9]以上海外滩源公共绿地及地下空间利用项目为工程依托,对管幕法施工的地下通道施工过程进行了数值模拟研究,其中关于管幕承载作用的分析也是以顶部管幕为研究对象。
通过调研发现,在研究管幕的力学作用和承载机理时(如图2所示),重点都在顶排管幕的研究上,这是因为其依托工程本身要求控制顶部管幕上方的地表沉降、隆起。而本工程所处的环境较为特殊,施工过程中要尽量减少对下方既有地铁隧道的影响,所以研究重点是箱涵对下方管幕的力学作用。既有研究在模拟
管幕时,大多将管幕视为弹性地基梁,并按照长梁或半无限长梁考虑[6]分别简化为普通梁和弹性地基梁。本文按照受力方式的不同2种模型,且在弹性,将管幕地基梁模型中按更符合实际受力状态的短梁考虑,可以避免简化为长梁或半无限长梁时因假设边界条件产生的系统误差。本文在计算管幕承载作用的同时,提出了管幕简化计算的新方法。
图2 既有研究中箱涵上方管幕分析示意图[8]
1 Fig.2 计算假定
Diagramofpipecurtainaboveboxculvertinexistingresearch[8]
铁隧道的物理状态1)将管幕施作之后(位移、、箱涵顶进之前内力等)视为初始状态,地层以及地
,即只研究箱涵顶进时下方管幕的力学行为。
成门框梁2)实际工程中,相当于为钢管两端提供固定约束,管幕纵向端点采用整体浇筑,管幕纵向,形
长度范围设有抗拔桩,与管幕形成刚性节点后,视为固定约束。
结构埋深浅3)结构简化示意图如图,箱涵顶部的最小覆土厚度只有3所示。由于管幕箱涵
0.8顶进过程中为两侧对称顶进,不考虑推进过程中箱涵m,且
与周围土体以及管幕底部的摩擦,所以在箱涵的顶进过程中,将已顶进的箱涵段和前方未顶进的土体段视为作用在管幕上大小不同的均布荷载,荷载的大小分别对应箱涵的重力和管幕上方的土体重力。
图3 结构简化示意图
幕的变形指向地层时4)假定管幕下方土体满足Fig.3 Diagramofsimplified,则考虑地层弹性抗力Winklerstructure
条件,即按局部,当钢管
弹性地基梁考虑;当钢管幕的变形背离地层时,则不考虑地层弹性抗力5)相邻钢管间锁扣细部构造如图,即按普通梁考虑[10]。
4所示。相邻
增刊1 张俊儒,等: 箱涵顶进对下方管幕的力学作用分析
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钢管之间采用焊接的槽钢与工字钢相互锁扣,构成管幕的横向连接,连接处的抗弯刚度较钢管本身较小,在分析单根钢管的挠曲变形时不计左右钢管对其的影响,计算宽度b取相邻钢管的圆心距[8]。
q=q箱涵-q原状土>0,弹性地基梁模型如图5所示。
图5 弹性地基梁模型
Fig.5 Elasticfoundationbeammodel
管幕的变形表现为沉降,方向指向地层,考虑地层弹性抗力,此时受力简化为两端固定的弹性地基梁,梁全长为2l,由于结构和荷载的对称性,对上述模型取半
图4 相邻钢管间锁扣细部构造(单位:mm)
结构进行分析,以原结构的中点C为半结构的坐标原
Fig.4
Lockingdetailstructurebetweenadjacentsteelpipes(unit:mm)
点建立坐标系,箱涵BB′从右往左顶进,计CB′长度为c,如图6所示。
2 力学模型的建立以及求解
2.1 工况1
长范围的作用力是原状土重力q原状土,而随着箱涵由两端向中间的对称顶进,已顶进箱涵段AA′、BB′的管幕上方作用力变成箱涵的等效重力q箱涵,其值为箱涵的质量除以箱体宽度。当q箱涵>q原状土时,与初始状态相比,相当于在箱涵顶进段施加向下均布荷载q,其中
图6 弹性地基梁半结构
Fig.6 Halfstructureofelasticfoundationbeam
在管幕施作完成后、箱涵顶进之前,作用在管幕全
ìïy(x)=y0·ϕ1(βx)+θ01ϕ2(βx)-M01ϕ3(βx)-Q0·1ϕ4(βx)‖c+q{1-ϕ1[β(x-c)]}
βkïEIβ2EIβ3
。í
dy114qβïθ(x)==-y·4βϕ(βx)+θ·ϕ(βx)-Mϕ(βx)-Q0ϕ3(βx)‖c+ϕ[β(x-c)]04010ïdxEIβ2k4EIβ2î
式中:ϕ1(βx)=chβx·cosβx;ϕ2(βx)=
分布荷载作用下弹性地基梁的初参数方程为[10]:
(1)
1
sinβx+shβx·cosβx);ϕ3(βx)=shβx·sinβx;
2
1
ϕ4(βx)=·(chβx·sinβx-shβx·cosβx);EI为管幕
4
的刚度;β为弹性地基梁的特征系数,量纲为[长度]-1,
1
(chβx·2
ìïy(l)=y0ϕ1(βl)-M01ϕ3(βl)+q{1-ϕ1[β(l-c)]}=0
kïEIβ2
。í
14βqï
ïθ(l)=-4βy0ϕ4(βl)-M0EIβϕ2(βl)+kϕ4[β(l-c)]=0î
(3)
程,解方程得:
式(4)可视为关于初参数y0和M0的二元一次方-+ìïy=q·ψ1ϕ2ϕ24ϕ3ϕ4
0ïkϕ1ϕ2+4ϕ3ϕ4ï
。(4)í
-+ϕψϕϕψqï41414
ïM0=β2·ϕϕ+4ϕϕî1234
为了书写简便,式中ϕi=ϕi(βl),ψi=ϕi[β(l-c)]把解得的y0和M0带入式(2)中,得到半结构的y(x)=
ψ1ϕ2-ϕ2+4ϕ3ϕ4q4q·ϕ1(βx)-·kϕ1ϕ2+4ϕ3ϕ4k
q
{1-ϕ1[β(x-c)]}。(6)k
(5)
k(其中,k=k0b,k0为地基系数,kN/m3;b(m)为4EI
计算宽度);y0、θ0、M0、Q0分别为截面x=0的挠度、转β=
4
角、弯矩、剪力;‖c表示当x>c时才有的附加项[10]。
左端为滑动支座约束,管幕端部只能发生上下平移且不承担剪力,其转角和剪力为零,即初参数θ0=0,Q0=0。带入式(1)可简化为:ìïy(x)=y0ϕ1(βx)-M01ϕ3(βx)‖c+q{1-ϕ1[β(x-c)]}
kïEIβ2
。(2)í
14βqï
ïθ(x)=-4βy0ϕ4(βx)-M0EIβϕ2(βx)‖c+kϕ4[β(x-c)]î
右端为固定约束,挠度和转角为零,即yl=0,θl=0,令x=l,得:
(i=1,2,3,4)。挠度方程
ϕ4-ψ1ϕ4+ϕ1ψ4ϕ1ϕ2+4ϕ3ϕ4
转角方程
ϕ3(βx)‖c+
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隧道建设(中英文)
第39卷
θ(x)=
4βqk{
-ψ1ϕϕ2-ϕ2+4ϕ3ϕ4
ϕ1ϕ2+4ϕ3ϕ4ϕ4
(βx)-ϕ4-ψ1ϕ4+ϕ1ψ41ϕ2+4ϕ3ϕ4
ϕ2(βx)‖c+ϕ4[β(x-c)]}
。
(7)再由式(8)、(9)可求得弯矩和剪力
M(x)=-EId2dy(x2x)
;
(8)Q(x)=-EId3y(最后利用正对称性质,可求得全梁的挠度dx3
x)
。
(9)
、转角、弯矩方程,利用反对称性质,可求得全梁的剪力方程。
2.2 当工况q2
箱涵 不考虑地层弹性抗力,此时受力简化为图7所示的两端固定的普通梁。以原结构的左端点A为半结构的 坐标原点建立坐标系,箱涵AA′从左往右顶进,计AA′长度为a,如图8所示。 图7 普通梁模型Fig.7 Ordinarybeammodel 图8 普通梁半结构 Fig.8 Halfstructureofordinarybeam 用力学公式求解此结构。忽略杆件的轴向变形, 去掉图8中C端的多余约束,转而施加附加弯矩MC图9示出半结构求解的基本结构。下面求附加弯矩,MC的大小,梁的半结构在荷载q′和右端弯矩MC的共同作用下,由于在普通梁模型中,管幕上方的两侧箱涵同步顶进,结构和荷载都是对称的,在中点处的转角为零,即C处转角θC=0。 图9 半结构求解的基本结构 Fig.9 Basicstructure 由图乘法得C转角θC= EI1(1) 图10),由以上分析可知θC=0,3于是解得·12 q′a2 : ·a-MCl(见MC=q′a6l 3 。 (10) 图10 图乘法求解MC Fig.10 SolvingMCbydiagrammaticmultiplicationmethod 基础结构可以视为在荷载q′和MC作用下的静定结构,箱涵对称顶进距离为a时,利用图乘法求任意截面x处的竖向位移为1)当计算截面x 图11 xwhilextosolvey1(x) 解得: y1(x)= EI1{1q′(a-x)21} ·1x2+1x·1 [q′a2-q′(a-x)2x2-1·1x22]q′a3 32 ·简化得4EI: 2·6l。yq′x2222a3 2)当计算截面1(x)=24xEI>a(3时x,-计算模型如图6ax+6a-l )。12所示(11)。 图12 x≥a时图乘法求解yFig.12 Usingdiagrammaticmultiplicationmethod2(x) tosolvewhileyx≥a 2(x) 增刊1 张俊儒,等: 箱涵顶进对下方管幕的力学作用分析 77 解得: y2(x)=EI1éêêë121·12q′a3 (4x-a)-12x2· q′a6l3ùúúû 。简化得: y2(x)=24q′aEI3(4x-a-2x2l )。 (12) 求得普通梁的半结构挠度方程 ìïq′x2y(x)=ïí(3x2-6ax+6a2-2a3)(ï24EI顶进段施加了均布荷载q′,其中q′=q箱涵载方向向上,管幕的变形表现为隆起,方向背离地层-q原状土<0,荷,