地铁站支护结构失效分析与抗干扰极限理论
摘要:鉴于发生多起地铁车站支护结构失效的重大事故,分析其支护结构失效机理与控制方法,采用空间建模研讨地铁车站深基坑开挖过程中支护结构对外界干扰的承受极限。
关键词:地铁车站;地下连续墙;钢管支撑;结构失效;空间整体分析;抗干扰极限
1 地铁的发展现状、出现问题及研究
随着中国城市交通的发展,地面交通越来越不境的影响,地铁站的支护系统多采用地下连续墙与能满足需要,地下轨道交通的作用越显重要。中国大型钢管的组合支护系统。地连墙每一槽段宽的不少大中城市都在积极建造或筹建地下铁路。6m , 钢管支撑一般采609 钢管。
2 地铁站结构失效的机理与控制方法
软土地层中建设地铁及地铁车站,难度更大, 置4～6 道支撑。每一槽段的各道支撑根据需要选要求更高,问题也出现不少。有人形象地把修地择单根钢管或双榀支撑。基坑内设置支承立柱。铁比喻成在豆腐中打洞,足见其难度之大,挑战性从现有的一些工程案例来看,地铁站的支护之高。在发展地铁过程中曾发生多起地铁车站支结构破坏主要由基底与放坡面交角附近的几榀钢护结构失效的重大事故,其中还包括人民广场站、管支撑破坏开始的。首先土坡的土方由于边坡坡杨高路站、鲁班路站等重点工程和窗口工程。因度过大或其他外界因素(如暴雨) 影响而导致土体此,很有必要对地铁车站的支撑维护系统的结构失稳,土体的转动、下滑或是坑底隆起将土坡和基失效问题进行研究。坑底面交线附近的几根钢管支撑破坏。这种土方边坡失稳对支撑体系主要产生两种影响:1) 钢管支撑的失效,导致钢管支撑系统的内力重分布。2) 地连墙之间土坡的下滑导致两地连墙间的土体抗力减弱。其中以前一种作用为主。其产生的结果根据所破坏的支撑数量而不同:其一、如果下滑土方不多,破坏的钢管支撑为数很少,支撑系统内力重分布以后各支撑的轴力仍未达到破坏临界, 地连墙的位移和内力也没有超过环境限制和设计要求,整个结构仍然有效。其二、破坏的支撑数量超过一定临界值,支撑系统内力重新分配以后,那些原本没有被土方冲坏的钢管支撑也纷纷达到或超出单根钢管的承载极限而失效。随着这些支撑的相继破坏,地连墙的位移和内力也越来越大,直至超出环境限制和设计要求,支护结构最后失效。
一般说来,每个支护结构都有一定的安全储备,在偶然的外界干扰下,特定支护结构是建立起新平衡还是导致结构失效取决于一个干扰的临界。针对土质情况和地铁车站建设过程中的共性,以空间建模分析的方法找出这个破坏的临界。对今后同类工程的建设有所帮助,并对将小事故控制在结构不至失效的范围内防止事故恶化提出普遍的分析和控制方法。
3 支护结构空间建模
空间建模的方法为这种分析提供了可能。取两地下连续墙间距22m , 地连墙总高28m , 开挖深度16m 。开挖放坡坡度为1/ 2 。地连墙厚0. 8m , 每一槽段6m 。结构共设支撑4 道。每一槽段一、二道支撑为单根609 ×11 钢管, 三、四道为双榀609 ×11 钢管。地下水位为地面以下1m 。采用水土分算(偏安全) 。主动区土压力按朗肯主动土压力计算,计算出来的负压力在加载过程中均取零。场地土主要物理力学指标见表1 。
表1 场地土主要物理力学指标
土压力加载图式为Pi = Cizi+ Di, 其中zi 为距离地面的的垂直距离。各土层C 、D 值见表2 。
表2 各土层C 、D 值
水压力的加载为Pw = Cwz + Dw, Cw = -10. 0 , Dw = -10. 0 基坑的支撑布置与土压力加载简图见图1 。
图1 基坑的支撑布置与土压力加载简图
地连墙墙前朗肯被动土压力区采用M 法用土弹簧模拟。坑内土体用水泥土抽条加固,置换率约为35 % 。基坑底面以上土体水泥掺量为8 % , 坑底以下土体水泥掺量为13 % , m 分别取3000kN/m4 、5000kN/ m4 。每2m ×2m 竖向面积取一土弹簧。土弹簧刚度计算公式为Ki = ms Zj
其中m —取值根据其位置在基坑底平面上下分别取3000kN/ m4 、5000kN/ m4 s —为所取土弹簧的土体竖向面积,这里为4m2 Zj —为土弹簧到开挖面的竖向距离。
通过以上步骤建立的空间模型三维图见图2
图2 空间模型三维图
施加t = aEA = 1. 25 ×10-5 ×2 ×105 ×2. 065 ×104 = 19. 4 ℃ 的温度荷载加以模拟。
也即当单根钢管支撑的轴力达到4090. 8kN 时支撑达到承载极限,钢管支撑退出工作。从现场来看,钢管支撑的失效表现为两种形式:一是钢管支撑在接头处断裂;二是钢管支撑测向失稳破坏。在模型中我们以4000kN 为单根钢管轴压极限承载力来判断支撑是否失效。基坑位移控制等级为二级,要求墙顶位移≤ 0. 2 % H ,墙内最大水平位移≤0. 3 % H( H 为基坑最终开挖深度) 。当结构的位移超过限定值或是地连墙断裂,即可认为结构失效。
根据模型计算结果,结构模型在没有外界干扰,也就是没有发生滑坡等事故,支撑尚未破坏
4 模型数据处理时,结构的数据指标如表3 。
单根609 ×11 钢管的极限轴压承载力
π
A= 4 (D2 -d2) = 3. 14 ×(6092 -5872) =
表3 结构模型无外界干扰时结构数据指标
力达到4568. 4kN , 根据我们的判定原则,该根钢管支撑也已失效。去掉该支撑,继续运行模型,结果第4 道支撑中与之相邻的另一根钢管的轴力又达到了4448. 3kN 。类似的逐一拿掉被破坏的钢管支撑,第4 道钢管支撑有如多比勒骨牌,一根接一根被破坏。在钢管支撑破坏的同时地连墙的弯矩和位移也逐渐变大。这表示大偏压构件配筋不足,受拉钢筋被拉断,随后受压区混凝土压碎,地连墙多处断裂。随着地连墙的断裂,墙体内力和位移进一步扩大并开始无序混乱,剩余支撑也以各种形态纷纷破坏, 支护结构的功能丧失,结构失效。根据以上分析可以得出:该支护结构的抗干扰极限是最靠近放坡面的第3 道支撑和第4 道支撑的两处双榀支撑同时破坏,这正是最容易被下滑土体冲坏的支撑, 也是对整个结构起着至关重要的支撑之一。
5 研究分析结论、建议与期望
从以上研究分析可以得出,地铁站深基坑支护结构少数支撑的破坏并不一定会导致这个支护结构失效。结构本身具有一定的抗干扰能力,在外界干扰较少的情况下可以达到新的平衡。只有支撑破坏的数量超出一定的临界值,才会导致结构的最终失效。一些大型工程在建设过程中会出现一些不可预见的情况。譬如在下暴雨等恶劣天气下,土体经雨水浸泡后抗剪强度降低,重度增大,就算设计上没有什么问题的工程也可能会发生土方量较小的局部滑坡。一般说来这种小范围的滑坡对结构的破坏是有限的、局部的。当然我们要尽量避免哪怕是类似小滑坡的小的事故发生。但如果已经发生了,我们可以在结构本身提供给我们的宝贵时间内修复这种小滑坡造成的破坏。使这种干扰破坏不超过结构所能承受的干扰极限。一方面我们不可太过慌张而手足无措;另一方面我们也不可小觑这种局部的小破坏。小事故不及时补救积累起来超过一定临界即可酿成重大事故。
作为设计人员在地铁车站等深基坑的设计中采用空间模型计算出结构对外界干扰的承受极限是很有必要的。同时作为现场的管理人员也要对自己所负责的工程的抗干扰极限做到心中有数。很多工程案例表明,重大工程事故都是由一些小的诱因引发的,如果我们对结构有足够的了解与把握,相当一部分的重特大事故是完全可以避免的。
目前,对于地铁车站等深基坑的设计与管理一般是通过控制工况实现的,期待这种求得结构的抗干扰极限的设计与管理理念逐渐融入今后同类工程的设计与管理之中。
