地铁车站洞桩法施工引起的地层变形与力学效应研究
作者单位：兰州交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：梁庆国
授予年度：2018年
主 题：洞桩法 地铁车站 施工力学效应 围护桩优化 数值模拟
摘 要：随着国家经济的迅猛发展,城市轨道交通建设进入繁盛时期,地下工程的暗挖施工工法也逐渐兴起。作为城市轨道交通的枢纽,地铁车站因跨度大、埋深超浅等原因而难以建设,因此逐步提出了PBA(Pile Beam Arch)洞桩法,该方法结合了暗挖法和盖挖法的技术成果,将小导洞、桩、柱、扣拱等成熟的技术结合起来,形成协同支护体系,确保施工安全,并已成功运用到以北京地铁为首的多个地铁车站等实际项目之中。然而如今洞桩法的理论远跟不上工程实践,对其作用机理的研究还不够详细,这对其在地下工程施工中的进一步推广与应用带来了难度。本文在分析国内外研究成果的基础上,以新疆乌鲁木齐地铁一号线某地铁车站工程为背景,总结了PBA洞桩法的施工工艺和关键步骤,通过数值模拟、理论分析等方法,结合现场实测地表沉降数据,对洞桩法施工过程中的地层变形、围岩应力、结构受力以及围护桩优化几个方面进行研究,为浅埋暗挖地下工程洞桩法施工提供科学的技术指导。研究的主要内容和创新性成果如下:⑴依托该地铁车站工程资料,介绍了该车站的水文地质条件、车站结构型式、施工步骤等,同时对洞桩法应用到地下工程中依旧存在的关键问题进行了探讨;⑵针对工程特点,采用Midas-GTS-NX有限元模拟软件建立三维空间模型,对洞桩法施工下地铁车站的主要建设工序进行了模拟,得到各个施工阶段的地层变形、围岩应力和结构受力的发展规律。结果表明小导洞和扣拱施工阶段为洞桩法施工的关键阶段,地层沉降较为明显,但整个车站的结构及地层的位移与应力均小于允许值,车站处于安全状态;⑶洞桩法开挖过程中,由拱部结构、围护桩、中部钢管柱组成整体受力体系,且围护桩承受了绝大部分的荷载,主要受到轴力作用。随着施工的进行,轴力峰值随着开挖土体的加深而向下移动,由于桩身侧摩阻力的作用,整个桩的轴力分布从上而下逐渐减小。通过计算,最不利截面安全系数为10.20,大于规范要求安全系数2.4,表明衬砌受力整体上满足规范要求。⑷由于围护结构桩最终在框架体系受力中占主导地位,因此针对围护桩的桩径与桩间距两种参数,本文设计了9种工况进行对比分析,结果表明,桩径与桩距的不同配比对轴力与弯矩的最终值及变化规律有较大影响,对横向位移影响较小。通过对最终阶段的最大轴力值、最大弯矩值、最大水平位移值、最大地表沉降值、最大拱顶沉降值和最大地表隆起值等6个指标的综合分析,得出该地铁车站的围护桩最佳理论配比方案为桩径1m、桩间距3m。
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