城市地铁车站PBA工法施工力学效应的数值模拟研究

论文摘要

近年来随着我国地下铁道建设的发展,地铁车站施工技术不断进步,提出了许多新工法和新工艺。PBA工法(洞桩法)即是在传统浅埋暗挖法的基础上吸收了盖挖法的技术成果,通过小导洞、扣拱、桩等成熟技术的有机组合而形成的一种新的施工方法。该方法在北京地铁建设中得到多次实践,取得了显著的经济和社会效益。本文以工体北路车站实际工程为依托,运用大型通用有限元软件(ANSYS)建立车站主体结构PBA工法标准断面的二维弹塑性有限元模型,通过施工全过程的数值模拟得到了主拱和灌注桩的内力,导洞回填混凝土和冠梁的应力,以及地表沉降值,并对其变化规律进行了讨论。同时,本文还对PBA工法不同施工方案进行了比较分析,并对比了PBA工法与CRD工法在不同围岩条件下的施工效果,得到以下主要结论:①PBA工法施工过程中,主拱、冠梁、桩组成了整体的受力体系,上部土压力由主拱和回填混凝土传递至冠梁,再由冠梁传递给桩。随着开挖的深入,桩身轴力和弯矩不断增大,但主拱内力保持相对稳定,且在站厅层二衬封闭后几乎不再变化,上部结构及围岩的稳定性因此得到保证。②及时施作的站厅板增大了整体支承体系的横向刚度,地表沉降得到一定程度控制。对比分析结果表明,PBA逆筑法地表及拱顶累计沉降值最小,半逆筑法次之,顺筑法较大。③CRD工法施工过程中随着临时中隔壁及临时仰拱的架设和拆除,支护结构受力途径不断变化,围岩扰动较大。相比之下PBA工法传力明确,在浅埋且地质条件较差时具有沉降小的优势,但该优势随着围岩级别的提高而退化,即PBA工法更适合于浅埋土质围岩中洞室的开挖。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外地铁车站常用工法概述
• 1.2.2 PBA 工法的发展及研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 研究方法和技术路线
• 2 岩土工程有限元方法与计算软件选择
• 2.1 概述
• 2.2 岩土工程问题的边界条件
• 2.3 弹塑性有限元基本理论
• 2.3.1 弹塑性基本理论
• 2.3.2 本构模型的选择
• 2.4 有限元分析过程
• 2.5 有限元程序选择
• 3 地铁车站主体结构PBA 工法标准断面施工力学分析
• 3.1 隧道施工力学基本原理
• 3.1.1 隧道施工力学基本概念
• 3.1.2 隧道施工力学基本原理
• 3.1.3 隧道施工力学效应
• 3.2 工体北路站工程概况
• 3.2.1 工程地质概况
• 3.2.2 工程设计概况
• 3.2.3 施工方法及步骤
• 3.3 标准断面有限元模型建立
• 3.3.1 有限元模型计算范围及边界条件
• 3.3.2 单元类型选取及网格划分
• 3.3.3 模型计算参数的确定
• 3.3.4 标准断面开挖过程模拟
• 3.4 标准断面施工全过程分析
• 3.4.1 初期支护及边桩内力分析
• 3.4.2 导洞回填混凝土及冠梁应力分析
• 3.4.3 主洞二衬应力分析
• 3.4.4 地表及拱顶沉降分析
• 3.5 本章小结
• 4 地铁车站主体结构PBA 工法施工方案优化
• 4.1 PBA 顺筑法标准断面施工力学分析
• 4.1.1 PBA 顺筑法标准断面有限元模型建立
• 4.1.2 PBA 顺筑法标准断面开挖过程模拟
• 4.1.3 初期支护及边桩内力分析
• 4.1.4 冠梁应力分析
• 4.1.5 地表及拱顶沉降分析
• 4.2 PBA 半逆筑法标准断面施工力学分析
• 4.2.1 PBA 半逆筑法标准断面有限元模型建立
• 4.2.2 PBA 半逆筑法标准断面开挖过程模拟
• 4.2.3 初期支护及边桩内力分析
• 4.2.4 冠梁应力分析
• 4.2.5 地表及拱顶沉降分析
• 4.3 PBA 工法各方案施工效果比较分析
• 4.3.1 初期支护及边桩内力比较
• 4.3.2 冠梁应力比较
• 4.3.3 地表及拱顶沉降比较
• 4.4 本章小结
• 5 地铁车站主体结构施工方法比较
• 5.1 CRD 工法标准断面施工力学分析
• 5.1.1 CRD 工法标准断面有限元模型建立
• 5.1.2 CRD 工法标准断面开挖过程模拟
• 5.1.3 初期支护内力分析
• 5.1.4 地表及拱顶沉降分析
• 5.2 PBA 工法与CRD 工法施工效果比较分析
• 5.2.1 初期支护内力比较
• 5.2.2 地表及拱顶沉降比较
• 5.3 不同围岩级别下CRD 工法与PBA 工法施工效果比较分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论及建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录