盾构隧道基础上修建三连拱地铁车站结构参数研究

摘　要: 以广州地铁3 号线林和西路站为工程背景,采用有限元法数值模拟分析手段对在单线区间盾构隧道的基础上,采用矿山法直接扩挖单层三连拱地铁车站进行了研究,得出了主体结构的参数和整个施工过程结构的内力、变形和位移分布与大小,为今后实际工程的设计和施工提供有价值的参考。

关键词: 地铁车站; 盾构隧道; 结构参数; 有限元法

　　国外许多城市不仅用盾构法修建地铁区间隧道, 还用盾构法修建地铁车站等特殊断面结构。直接采用盾构法或配合盾构法修建地铁车站等特殊断面结构已成为世界各国地下铁道施工的最新技术前沿之一[ 1～3 ] 。
      目前由于我国设备能力及设计施工技术经验不足,仅在区间隧道的修建时采用盾构法,而车站及特殊断面的隧道尚未采用。一般为了给盾构机提供场地, 在区间隧道修建前必须先修建区间隧道两端的地铁车站,并且相邻的区间隧道不能连续修建,这无疑限制了盾构法的大规模采用。为寻求盾构法在城市地铁工程中大规模应用的突破口,结合我国实情,作者以广州地铁3 号线林和西路站为工程背景,在国内首次对在区间盾构隧道的基础上修建地铁车站的方案进行了研究[ 4 ] ,列出了两连拱岛式站台车站、四条平行隧道岛式站台车站、四条平行隧道侧式站台车站、三条平行隧道岛式站台车站和三连拱岛式站台车站等基本方案形式,本文采用有限元法模拟手段就最具可能性的区间隧道基础上修建三连拱岛式站台地铁车站的方案进行了研究。
1 　三连拱地铁车站方案概况
1. 1 　车站基本情况
      林和西路站位于天河北路与林和西路交叉口,呈南北向。车站周围超高层建筑较多,道路较窄,交通繁忙;站两侧建筑物距离较近,站位东、西向调整幅度非常有限;站位所处位置两旁建筑物的地下室已超出道路规划红线,造成出入口及风亭的布置困难;客流量较小;地下管线密集。
      本站地形平坦,为珠江一级阶地,第四系覆盖层以人工堆积、冲洪积、残积为主,厚5. 1～14. 5 m , 局部可见淤泥质土和细砂透镜体。强风化岩面埋深5. 1～ 14. 5 m 。地质构造简单,未发现有断层通过。部分地段有砂层孔隙水, 及风化岩裂隙水,稳定地下水位埋深1. 90～5. 70 m 。
1. 2 　设计原则和技术标准
      根据《广州市轨道交通3 号线工程总体策划纲要(讨论稿) 》中的车站施工方法及综合情况一览表,林和西路站为3 级车站、客流4 365 人/h、线路轨面埋深15 ～20 m 、岛式站台、站台宽8 m 、线间距13. 2 m 、施工方法为盾构过站后采用矿山法扩挖。林和西路地铁车站的主要技术标准以《地下铁道设计规范》( GB50157 -92) 为准。
1. 3 　车站结构型式
      根据对林和西路站的具体情况分析,结合现阶段国内施工装备和能力,提出车站为单层三连拱岛式站台车站,站厅设在地面或两端地下,站台两端可设辅助用房,站台与站厅之间由楼梯和自动扶梯连接(车站断面图见图1) 的车站结构型式。

 
2 　有限元数值模拟
      采用两种平面应变数值模拟方法对在区间盾构隧道基础上采用矿山法扩挖的单层三连拱岛式站台地铁车站进行数值模拟研究。首先采用荷载2结构模式对三连拱岛式站台地铁车站在不同埋深条件下最终主体结构的高跨比和厚度进行研究;再采用考虑施工效应的数值模拟方法对车站的整个施工过程进行模拟,对施工中的临时支护和主体结构的适应性进行研究。
2. 1 　荷载2结构模式
2. 1. 1 　基本假设和计算模式
      荷载2结构模式的基本假设为:主体结构为小变形弹性梁,将主体结构离散为足够多个等厚度直梁单元; 用布置于全周各节点上的弹簧单元来模拟围岩与结构的相互作用;弹簧单元不承受拉力,受拉力的弹簧自动脱落;拱底作用相同的竖向反力来平衡地面荷载、土压、水压及结构的自重。具体计算模式如图2 所示。

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