地鐵站支護(hù)結(jié)構(gòu)失效分析與抗干擾極限理論

摘要:鑒于發(fā)生多起地鐵車(chē)站支護(hù)結(jié)構(gòu)失效的重大事故,分析其支護(hù)結(jié)構(gòu)失效機(jī)理與控制方法,采用空間建模研討地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)外界干擾的承受極限。
關(guān)鍵詞:地鐵車(chē)站;地下連續(xù)墻;鋼管支撐;結(jié)構(gòu)失效;空間整體分析;抗干擾極限
1 　地鐵的發(fā)展現(xiàn)狀、出現(xiàn)問(wèn)題及研究
隨著中國(guó)城市交通的發(fā)展,地面交通越來(lái)越不境的影響,地鐵站的支護(hù)系統(tǒng)多采用地下連續(xù)墻與能滿(mǎn)足需要,地下軌道交通的作用越顯重要。中國(guó)大型鋼管的組合支護(hù)系統(tǒng)。地連墻每一槽段寬的不少大中城市都在積極建造或籌建地下鐵路。6m , 鋼管支撐一般采609 鋼管。
2 　地鐵站結(jié)構(gòu)失效的機(jī)理與控制方法
軟土地層中建設(shè)地鐵及地鐵車(chē)站,難度更大, 置4～6 道支撐。每一槽段的各道支撐根據(jù)需要選要求更高,問(wèn)題也出現(xiàn)不少。有人形象地把修地?fù)駟胃摴芑螂p榀支撐?；觾?nèi)設(shè)置支承立柱。鐵比喻成在豆腐中打洞,足見(jiàn)其難度之大,挑戰(zhàn)性從現(xiàn)有的一些工程案例來(lái)看,地鐵站的支護(hù)之高。在發(fā)展地鐵過(guò)程中曾發(fā)生多起地鐵車(chē)站支結(jié)構(gòu)破壞主要由基底與放坡面交角附近的幾榀鋼護(hù)結(jié)構(gòu)失效的重大事故,其中還包括人民廣場(chǎng)站、管支撐破壞開(kāi)始的。首先土坡的土方由于邊坡坡楊高路站、魯班路站等重點(diǎn)工程和窗口工程。因度過(guò)大或其他外界因素(如暴雨) 影響而導(dǎo)致土體此,很有必要對(duì)地鐵車(chē)站的支撐維護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn),土體的轉(zhuǎn)動(dòng)、下滑或是坑底隆起將土坡和基失效問(wèn)題進(jìn)行研究。坑底面交線附近的幾根鋼管支撐破壞。這種土方邊坡失穩(wěn)對(duì)支撐體系主要產(chǎn)生兩種影響:1) 鋼管支撐的失效,導(dǎo)致鋼管支撐系統(tǒng)的內(nèi)力重分布。2) 地連墻之間土坡的下滑導(dǎo)致兩地連墻間的土體抗力減弱。其中以前一種作用為主。其產(chǎn)生的結(jié)果根據(jù)所破壞的支撐數(shù)量而不同:其一、如果下滑土方不多,破壞的鋼管支撐為數(shù)很少,支撐系統(tǒng)內(nèi)力重分布以后各支撐的軸力仍未達(dá)到破壞臨界, 地連墻的位移和內(nèi)力也沒(méi)有超過(guò)環(huán)境限制和設(shè)計(jì)要求,整個(gè)結(jié)構(gòu)仍然有效。其二、破壞的支撐數(shù)量超過(guò)一定臨界值,支撐系統(tǒng)內(nèi)力重新分配以后,那些原本沒(méi)有被土方?jīng)_壞的鋼管支撐也紛紛達(dá)到或超出單根鋼管的承載極限而失效。隨著這些支撐的相繼破壞,地連墻的位移和內(nèi)力也越來(lái)越大,直至超出環(huán)境限制和設(shè)計(jì)要求,支護(hù)結(jié)構(gòu)最后失效。
一般說(shuō)來(lái),每個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)都有一定的安全儲(chǔ)備,在偶然的外界干擾下,特定支護(hù)結(jié)構(gòu)是建立起新平衡還是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效取決于一個(gè)干擾的臨界。針對(duì)土質(zhì)情況和地鐵車(chē)站建設(shè)過(guò)程中的共性,以空間建模分析的方法找出這個(gè)破壞的臨界。對(duì)今后同類(lèi)工程的建設(shè)有所幫助,并對(duì)將小事故控制在結(jié)構(gòu)不至失效的范圍內(nèi)防止事故惡化提出普遍的分析和控制方法。
3 　支護(hù)結(jié)構(gòu)空間建模
空間建模的方法為這種分析提供了可能。取兩地下連續(xù)墻間距22m , 地連墻總高28m , 開(kāi)挖深度16m 。開(kāi)挖放坡坡度為1/ 2 。地連墻厚0. 8m , 每一槽段6m 。結(jié)構(gòu)共設(shè)支撐4 道。每一槽段一、二道支撐為單根609 ×11 鋼管, 三、四道為雙榀609 ×11 鋼管。地下水位為地面以下1m 。采用水土分算(偏安全) 。主動(dòng)區(qū)土壓力按朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算,計(jì)算出來(lái)的負(fù)壓力在加載過(guò)程中均取零。場(chǎng)地土主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1 。
表1 　場(chǎng)地土主要物理力學(xué)指標(biāo)

土壓力加載圖式為Pi = Cizi+ Di, 其中zi 為距離地面的的垂直距離。各土層C 、D 值見(jiàn)表2 。

表2 　各土層C 、D 值

　　水壓力的加載為Pw = Cwz + Dw, Cw = -10. 0 , Dw = -10. 0 基坑的支撐布置與土壓力加載簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1 。

圖1 　基坑的支撐布置與土壓力加載簡(jiǎn)圖
地連墻墻前朗肯被動(dòng)土壓力區(qū)采用M 法用土彈簧模擬?？觾?nèi)土體用水泥土抽條加固,置換率約為35 % 。基坑底面以上土體水泥摻量為8 % , 坑底以下土體水泥摻量為13 % , m 分別取3000kN/m4 、5000kN/ m4 。每2m ×2m 豎向面積取一土彈簧。土彈簧剛度計(jì)算公式為Ki = ms Zj
其中m —取值根據(jù)其位置在基坑底平面上下分別取3000kN/ m4 、5000kN/ m4 s —為所取土彈簧的土體豎向面積,這里為4m2 Zj —為土彈簧到開(kāi)挖面的豎向距離。
通過(guò)以上步驟建立的空間模型三維圖見(jiàn)圖2

圖2 　空間模型三維圖
施加t = aEA = 1. 25 ×10-5 ×2 ×105 ×2. 065 ×104 = 19. 4 ℃ 的溫度荷載加以模擬。
也即當(dāng)單根鋼管支撐的軸力達(dá)到4090. 8kN 時(shí)支撐達(dá)到承載極限,鋼管支撐退出工作。從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看,鋼管支撐的失效表現(xiàn)為兩種形式:一是鋼管支撐在接頭處斷裂;二是鋼管支撐測(cè)向失穩(wěn)破壞。在模型中我們以4000kN 為單根鋼管軸壓極限承載力來(lái)判斷支撐是否失效?；游灰瓶刂频燃?jí)為二級(jí),要求墻頂位移≤ 0. 2 % H ,墻內(nèi)最大水平位移≤0. 3 % H( H 為基坑最終開(kāi)挖深度) 。當(dāng)結(jié)構(gòu)的位移超過(guò)限定值或是地連墻斷裂,即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效。
根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,結(jié)構(gòu)模型在沒(méi)有外界干擾,也就是沒(méi)有發(fā)生滑坡等事故,支撐尚未破壞

4 　模型數(shù)據(jù)處理時(shí),結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)指標(biāo)如表3 。
單根609 ×11 鋼管的極限軸壓承載力
π
A= 4 (D2 -d2) = 3. 14 ×(6092 -5872) =

表3 　結(jié)構(gòu)模型無(wú)外界干擾時(shí)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)指標(biāo)

力達(dá)到4568. 4kN , 根據(jù)我們的判定原則,該根鋼管支撐也已失效。去掉該支撐,繼續(xù)運(yùn)行模型,結(jié)果第4 道支撐中與之相鄰的另一根鋼管的軸力又達(dá)到了4448. 3kN 。類(lèi)似的逐一拿掉被破壞的鋼管支撐,第4 道鋼管支撐有如多比勒骨牌,一根接一根被破壞。在鋼管支撐破壞的同時(shí)地連墻的彎矩和位移也逐漸變大。這表示大偏壓構(gòu)件配筋不足,受拉鋼筋被拉斷,隨后受壓區(qū)混凝土壓碎,地連墻多處斷裂。隨著地連墻的斷裂,墻體內(nèi)力和位移進(jìn)一步擴(kuò)大并開(kāi)始無(wú)序混亂,剩余支撐也以各種形態(tài)紛紛破壞, 支護(hù)結(jié)構(gòu)的功能喪失,結(jié)構(gòu)失效。根據(jù)以上分析可以得出:該支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗干擾極限是最靠近放坡面的第3 道支撐和第4 道支撐的兩處雙榀支撐同時(shí)破壞,這正是最容易被下滑土體沖壞的支撐, 也是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)起著至關(guān)重要的支撐之一。
5 　研究分析結(jié)論、建議與期望
從以上研究分析可以得出,地鐵站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)少數(shù)支撐的破壞并不一定會(huì)導(dǎo)致這個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。結(jié)構(gòu)本身具有一定的抗干擾能力,在外界干擾較少的情況下可以達(dá)到新的平衡。只有支撐破壞的數(shù)量超出一定的臨界值,才會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的最終失效。一些大型工程在建設(shè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些不可預(yù)見(jiàn)的情況。譬如在下暴雨等惡劣天氣下,土體經(jīng)雨水浸泡后抗剪強(qiáng)度降低,重度增大,就算設(shè)計(jì)上沒(méi)有什么問(wèn)題的工程也可能會(huì)發(fā)生土方量較小的局部滑坡。一般說(shuō)來(lái)這種小范圍的滑坡對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞是有限的、局部的。當(dāng)然我們要盡量避免哪怕是類(lèi)似小滑坡的小的事故發(fā)生。但如果已經(jīng)發(fā)生了,我們可以在結(jié)構(gòu)本身提供給我們的寶貴時(shí)間內(nèi)修復(fù)這種小滑坡造成的破壞。使這種干擾破壞不超過(guò)結(jié)構(gòu)所能承受的干擾極限。一方面我們不可太過(guò)慌張而手足無(wú)措;另一方面我們也不可小覷這種局部的小破壞。小事故不及時(shí)補(bǔ)救積累起來(lái)超過(guò)一定臨界即可釀成重大事故。
作為設(shè)計(jì)人員在地鐵車(chē)站等深基坑的設(shè)計(jì)中采用空間模型計(jì)算出結(jié)構(gòu)對(duì)外界干擾的承受極限是很有必要的。同時(shí)作為現(xiàn)場(chǎng)的管理人員也要對(duì)自己所負(fù)責(zé)的工程的抗干擾極限做到心中有數(shù)。很多工程案例表明,重大工程事故都是由一些小的誘因引發(fā)的,如果我們對(duì)結(jié)構(gòu)有足夠的了解與把握,相當(dāng)一部分的重特大事故是完全可以避免的。
目前,對(duì)于地鐵車(chē)站等深基坑的設(shè)計(jì)與管理一般是通過(guò)控制工況實(shí)現(xiàn)的,期待這種求得結(jié)構(gòu)的抗干擾極限的設(shè)計(jì)與管理理念逐漸融入今后同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)與管理之中。