地鐵站支護結構失效分析與抗干擾極限理論

摘要:鑒于發生多起地鐵車站支護結構失效的重大事故,分析其支護結構失效機理與控制方法,采用空間建模研討地鐵車站深基坑開挖過程中支護結構對外界干擾的承受極限。
關鍵詞:地鐵車站;地下連續墻;鋼管支撐;結構失效;空間整體分析;抗干擾極限
1 　地鐵的發展現狀、出現問題及研究
隨著中國城市交通的發展,地面交通越來越不境的影響,地鐵站的支護系統多采用地下連續墻與能滿足需要,地下軌道交通的作用越顯重要。中國大型鋼管的組合支護系統。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 　地鐵站結構失效的機理與控制方法
軟土地層中建設地鐵及地鐵車站,難度更大, 置4～6 道支撐。每一槽段的各道支撐根據需要選要求更高,問題也出現不少。有人形象地把修地擇單根鋼管或雙榀支撐。基坑內設置支承立柱。鐵比喻成在豆腐中打洞,足見其難度之大,挑戰性從現有的一些工程案例來看,地鐵站的支護之高。在發展地鐵過程中曾發生多起地鐵車站支結構破壞主要由基底與放坡面交角附近的幾榀鋼護結構失效的重大事故,其中還包括人民廣場站、管支撐破壞開始的。首先土坡的土方由于邊坡坡楊高路站、魯班路站等重點工程和窗口工程。因度過大或其他外界因素(如暴雨) 影響而導致土體此,很有必要對地鐵車站的支撐維護系統的結構失穩,土體的轉動、下滑或是坑底隆起將土坡和基失效問題進行研究。坑底面交線附近的幾根鋼管支撐破壞。這種土方邊坡失穩對支撐體系主要產生兩種影響:1) 鋼管支撐的失效,導致鋼管支撐系統的內力重分布。2) 地連墻之間土坡的下滑導致兩地連墻間的土體抗力減弱。其中以前一種作用為主。其產生的結果根據所破壞的支撐數量而不同:其一、如果下滑土方不多,破壞的鋼管支撐為數很少,支撐系統內力重分布以后各支撐的軸力仍未達到破壞臨界, 地連墻的位移和內力也沒有超過環境限制和設計要求,整個結構仍然有效。其二、破壞的支撐數量超過一定臨界值,支撐系統內力重新分配以后,那些原本沒有被土方沖壞的鋼管支撐也紛紛達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,地連墻的位移和內力也越來越大,直至超出環境限制和設計要求,支護結構最后失效。
一般說來,每個支護結構都有一定的安全儲備,在偶然的外界干擾下,特定支護結構是建立起新平衡還是導致結構失效取決于一個干擾的臨界。針對土質情況和地鐵車站建設過程中的共性,以空間建模分析的方法找出這個破壞的臨界。對今后同類工程的建設有所幫助,并對將小事故控制在結構不至失效的范圍內防止事故惡化提出普遍的分析和控制方法。
3 　支護結構空間建模
空間建模的方法為這種分析提供了可能。取兩地下連續墻間距22m , 地連墻總高28m , 開挖深度16m 。開挖放坡坡度為1/ 2 。地連墻厚0. 8m , 每一槽段6m 。結構共設支撐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) 。主動區土壓力按朗肯主動土壓力計算,計算出來的負壓力在加載過程中均取零。場地土主要物理力學指標見表1 。
表1 　場地土主要物理力學指標

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圖見圖1 。

圖1 　基坑的支撐布置與土壓力加載簡圖
地連墻墻前朗肯被動土壓力區采用M 法用土彈簧模擬。坑內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。土彈簧剛度計算公式為Ki = ms Zj
其中m —取值根據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 —為土彈簧到開挖面的豎向距離。
通過以上步驟建立的空間模型三維圖見圖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。
也即當單根鋼管支撐的軸力達到4090. 8kN 時支撐達到承載極限,鋼管支撐退出工作。從現場來看,鋼管支撐的失效表現為兩種形式:一是鋼管支撐在接頭處斷裂;二是鋼管支撐測向失穩破壞。在模型中我們以4000kN 為單根鋼管軸壓極限承載力來判斷支撐是否失效。基坑位移控制等級為二級,要求墻頂位移≤ 0. 2 % H ,墻內最大水平位移≤0. 3 % H( H 為基坑最終開挖深度) 。當結構的位移超過限定值或是地連墻斷裂,即可認為結構失效。
根據模型計算結果,結構模型在沒有外界干擾,也就是沒有發生滑坡等事故,支撐尚未破壞

4 　模型數據處理時,結構的數據指標如表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 　結構模型無外界干擾時結構數據指標

力達到4568. 4kN , 根據我們的判定原則,該根鋼管支撐也已失效。去掉該支撐,繼續運行模型,結果第4 道支撐中與之相鄰的另一根鋼管的軸力又達到了4448. 3kN 。類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地連墻的彎矩和位移也逐漸變大。這表示大偏壓構件配筋不足,受拉鋼筋被拉斷,隨后受壓區混凝土壓碎,地連墻多處斷裂。隨著地連墻的斷裂,墻體內力和位移進一步擴大并開始無序混亂,剩余支撐也以各種形態紛紛破壞, 支護結構的功能喪失,結構失效。根據以上分析可以得出:該支護結構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破壞,這正是最容易被下滑土體沖壞的支撐, 也是對整個結構起著至關重要的支撐之一。
5 　研究分析結論、建議與期望
從以上研究分析可以得出,地鐵站深基坑支護結構少數支撐的破壞并不一定會導致這個支護結構失效。結構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到新的平衡。只有支撐破壞的數量超出一定的臨界值,才會導致結構的最終失效。一些大型工程在建設過程中會出現一些不可預見的情況。譬如在下暴雨等惡劣天氣下,土體經雨水浸泡后抗剪強度降低,重度增大,就算設計上沒有什么問題的工程也可能會發生土方量較小的局部滑坡。一般說來這種小范圍的滑坡對結構的破壞是有限的、局部的。當然我們要盡量避免哪怕是類似小滑坡的小的事故發生。但如果已經發生了,我們可以在結構本身提供給我們的寶貴時間內修復這種小滑坡造成的破壞。使這種干擾破壞不超過結構所能承受的干擾極限。一方面我們不可太過慌張而手足無措;另一方面我們也不可小覷這種局部的小破壞。小事故不及時補救積累起來超過一定臨界即可釀成重大事故。
作為設計人員在地鐵車站等深基坑的設計中采用空間模型計算出結構對外界干擾的承受極限是很有必要的。同時作為現場的管理人員也要對自己所負責的工程的抗干擾極限做到心中有數。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的,如果我們對結構有足夠的了解與把握,相當一部分的重特大事故是完全可以避免的。
目前,對于地鐵車站等深基坑的設計與管理一般是通過控制工況實現的,期待這種求得結構的抗干擾極限的設計與管理理念逐漸融入今后同類工程的設計與管理之中。