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基于受力特性的地铁车站施工工法对比分析

时间:2016-08-17 16:59来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是铁路工程论文,本文依托长春地铁解放大路站工程,首先对 PBA 工法地铁车站进行研究,包括 6导洞 PBA 工法和 8 导洞 PBA 工法,从沉降、拱顶应力和塑性区分布 3 个方面分别对两种
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景及意义
随着我国城市化进程的加快,人口数量不断增长,汽车普及率大幅提高,城市交通拥堵问题变得日益突出,已经严重影响到了人们的生活环境和生活质量。由于城市道路资源分配利用的效率低,以及城市道路存在的结构性缺陷,仅仅通过无休止地增加城市道路不能有效地解决城市交通拥堵问题。与传统的城市道路交通不同,城市轨道交通的运行速度快,安全,舒适;运行噪声小,且不妨碍城市景观,对地面无太大影响;不存在复杂的交通组织问题,也不存在地面空间被占用以及人车混流问题。因此在改善城市交通环境方面,城市轨道交通发挥着越来越大的作用。由于城市公共交通需求的急剧增长,各大城市在基础建设中争相发展城市轨道交通,发达的轨道交通也成为现代化大城市的一个重要标志。我国第一条地铁建成于北京,随后广州地铁和上海地铁相继开工,截止到目前,全国已有北京、天津、上海、哈尔滨等 20 余座城市开通和运营地铁,从 2016 开始,我国将进入了“十三五”规划期,期间全国城市轨道交通建设的总里程数将超过 3000 公里,总投资超过 15000 亿元,我国轨道交通的发展已经迎来高峰期,城市建设正在全面进入地铁时代[1]。长春是我国最早有地铁规划的城市,也是建国以后第 5 个建成轨道交通的城市。长春市在 1995 年确定了轨道交通线网一环三线的基本框架。2003 年到 2014 年,有轨电车54、55 路和轻轨 3 号线、4 号线工程已经完成,线路总长 60.28 公里;2015 年到 2019年,将陆续修建地铁 1 号线(南北线)、地铁 2 号线(东西线)和北湖快轨,总运营里程数将达到 134.91 公里;2020 年到远景年(最快 2030 年左右),将修建轨道交通 5 号线、6 号线、7 号线(东北至西南对角线)和其他线路,组成放射式线网(包括 19 条线路),总运营里程将达到 527.24 千米,形成由公共交通和轨道交通共同组成的城市综合交通体系。
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1.2 国内外研究现状
目前城市地铁车站常用的施工方法主要有:明挖法、盖挖法、盾构扩挖法和浅埋暗挖法。不同工法都有各自的开挖原理,每种工法都有其适用条件和特点。明挖法施工作业面大,施工速度快,工程造价较低且工期较短,但对城市生活造成的影响较大,因此只适用于地面交通和环境允许的地方;盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后封闭顶盖,恢复原地貌后,在封闭顶盖保护下完成下部结构的施工,但在城市繁华地带,盖挖法会占用道路从而影响交通;盾构扩挖法可以充分利用盾构设备,机械化程度高,不中断地面交通,不影响地下管线,但工程造价偏高,车站结构型式受限,所以目前尚未在大范围内应用;浅埋暗挖法可以避免大量的地面拆迁工作,对地面交通的干扰较小,对周围环境造成的污染较少,因此浅埋暗挖法越来越多地应用在人口集中,交通量大,建筑物密集的大城市的地铁修建当中[2]。浅埋暗挖法的开挖方式主要有全断面法、台阶法和 CRD 法,以及适用于修建大断面隧道的中洞法、侧洞法、PBA 工法和一次扣拱暗挖逆作法等[3]。长春地铁解放大路站主要采用了 PBA 工法和一次扣拱暗挖逆作法,结合本文具体研究内容,对国内外的研究现状进行以下两方面的归纳总结。
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第 2 章 PBA 工法地铁车站研究
 
2.1 PBA 工法概述
PBA 工法结构的结构型式为直墙多层多跨拱形结构,共有双层单跨结构、单柱双层双跨结构、双柱双层三跨结构以及分离式双层单跨结构 4 种结构型式,其中 6 导洞 PBA工法(单柱双层双跨结构)和 8 导洞 PBA 工法(双柱双层三跨结构)常用于修建跨度不同的地铁车站当中。首先在风道结构内采用超前小导管注浆法加固地层,然后采用台阶法一步一步开挖小导洞,并施做初期支护结构。导洞开挖顺序为先上后下,先边后中,边导洞与中导洞、上导洞与下导洞纵向开挖步距保持 15m 以上。在(A)、(B)导洞内完成防水层和条基的施做,在(1)、(2)导洞内完成挖孔桩及桩顶冠梁的施工,钢管混凝土柱的挖孔护筒连接在上下导洞间,在中间导洞内施做。在横导洞内施作横向条基,布置在车站永久底板下方,与底纵梁、纵向条基及底板结构无钢筋连接,在(C)导洞内敷设防水层并施做底纵梁后,施做钢管混凝土柱,然后在(3)导洞内敷设防水层并施做顶纵梁。在横通道内采用拱顶超前大管棚注浆法及小导管注浆法,加固洞室Ⅰ、Ⅱ上方的地层,然后对称开挖Ⅰ、Ⅱ导洞土体,Ⅰ导洞先挖,与Ⅱ导洞前后错开不小于 15m,导洞中隔壁在施工过程中不可以拆除,同时要完成拱顶初期支护结构的施工。
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2.2 数值模拟分析的模型建立
本文的数值模拟采用有限差分程序 FLAC3D,根据现场工程地质情况,不考虑地下水的影响,并假设地层表面以及不同地层土体均匀水平分布,选取弹性模型模拟混凝土材料,选取摩尔库伦本构模型模拟土体材料[32,33]。材料和地层的应力和应变变化范围均在弹塑性范围内,将地层简化为四个土层,从上到下依次为填土层、黏土层、粗砂层和泥岩层,其中填土层厚 2m,黏土层厚 8m,粗砂层厚 2m,其余为泥岩层。本节的数值模拟分析主要研究不同的施工阶段,开挖过程对地铁车站的影响情况。主要研究因素包括中轴线上方地表沉降、拱顶沉降、拱顶应力以及土体塑性区分布四个方面。针对不同的研究因素选取计算控制点,各研究因素的计算控制点布置情况如下:以模型中断面为基准,选取中轴线上方地表沉降控制点。6导洞PBA工法中轴线上方地表沉降控制点布置设计如图2.4所示,8导洞PBA工法中轴线上方地表沉降控制点布置设计如图2.5所示,以模型中断面为基准,选取车站主体拱顶位置的沉降和应力计算控制点。6导洞PBA工法拱顶沉降和拱顶应力控制点的布置设计如图2.6所示,8导洞PBA工法的拱顶沉降和拱顶应力控制点的布置设计如图2.7所示。
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第 3 章 一次扣拱暗挖逆作法地铁车站研究.....47
3.1 一次扣拱暗挖逆作法概述.....47
3.2 数值模拟分析的模型建立.....48
3.2.1 数值模型建立.........48
3.2.2 计算控制点布置设计......49
3.3 一次扣拱暗挖逆作法数值模拟分析....... 50
3.3.1 沉降数值分析.........51
3.3.2 拱顶应力数值分析..........56
3.3.3 塑性区分布数值分析......59
3.4 一次扣拱暗挖逆作法施工技术研究....... 61
3.5 本章小结..... 62
第 4 章 PBA 工法与一次扣拱暗挖逆作法对比分析............63
4.1 中轴线上方地表沉降对比分析...... 63
4.2 拱顶沉降对比分析........64
4.3 拱顶应力对比分析........65
4.4 塑性区分布对比分析.............67
4.5 现场施工对比分析........67
4.6 本章小结..... 69
第 5 章 结论和建议....... 71
5.1 结论.............71
5.2 建议.............71
 
第 4 章 PBA 工法与一次扣拱暗挖逆作法对比分析
 
以上对 PBA 工法和一次扣拱暗挖逆作法分别进行了详细分析,其中第 2 章得到 8导洞 PBA 工法是 PBA 工法中较优的施工工法。本章选择 8 导洞 PBA 工法与一次扣拱暗挖逆作法进行对比分析,将施工阶段分为导洞开挖、边桩中柱和底板施工、顶部扣拱、上部结构施工和下部结构施工 5 个施工阶段,从中轴线上方地表沉降、拱顶沉降、拱顶应力、塑性区分布以及现场施工 5 个方面对两种工法进行综合对比分析,最终得到最优的施工工法。
 
4.1 中轴线上方地表沉降对比分析
两种工法中轴线上方地表沉降对比如图 4.1 所示,两种工法在各施工阶段沉降量分配比例对比见表 4.1。由图 4.1 和表 4.1 分析得:(1)8 导洞 PBA 工法的沉降主要发生在前期导洞开挖阶段以及顶部扣拱阶段,导洞开挖阶段沉降量占总沉降量的 33%,顶部扣拱阶段沉降量占总沉降量的 41%,最终地表最大沉降量为 81mm。(2)一次扣拱暗挖逆作法的沉降主要发生在前期导洞开挖阶段,沉降量占总沉降量的 51%;一次扣拱暗挖逆作法在顶部扣拱阶段沉降量仅占总沉降量的 21%,远小于 8导洞 PBA 工法。最终地表最大沉降量为 71.37mm,远小于 8 导洞 PBA 工法。因此在中轴线上方地表沉降方面,一次扣拱暗挖逆作法要优于 PBA 工法。选取控制点 1 和控制点 2 处的拱顶沉降作为研究对象,对 8 导洞 PBA 工法和一次扣拱暗挖逆作法的拱顶沉降进行对比分析。两种工法拱顶沉降对比如图 4.2 和图 4.3 所示,两种工法在各施工阶段拱顶沉降量分配比例对比见表 4.2。
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结论
 
本文依托长春地铁解放大路站工程,首先对 PBA 工法地铁车站进行研究,包括 6导洞 PBA 工法和 8 导洞 PBA 工法,从沉降、拱顶应力和塑性区分布 3 个方面分别对两种工法进行研究,并进行对比分析,得到两种工法中较优的工法;然后对一次扣拱暗挖逆作法地铁车站进行研究,从沉降、拱顶应力和塑性区分布 3 个方面进行分析;在 PBA工法和一次扣拱暗挖逆作法数值模拟分析结果的基础上,将一次扣拱暗挖逆作法与较优的 PBA 工法从沉降、拱顶应力、塑性区分布和现场施工 4 个方面进行综合对比分析,最终得到最优的施工工法。研究表明:
(1)与 6 导洞 PBA 工法相比,8 导洞 PBA 工法的中轴线上方地表最终沉降量要小18.84mm;最大拱顶沉降量要小 16.16mm,均出现在拱顶两侧位置;最大拱顶应力值要小 33%,且出现的拱顶位置不同;最大塑性区分布比例要小 1.96%。因此 8 导洞 PBA工法优于 6 导洞 PBA 工法,是 PBA 工法中最优的工法。
(2)与 8 导洞 PBA 工法相比,一次扣拱暗挖逆作法中轴线上方地表最终沉降量要小 9.63mm;最大拱顶沉降量要小 6.16mm,且出现的位置不同;最大拱顶应力值要小16%,均出现在拱顶中部位置;最大塑性区分布比例要小 0.41%。同时一次扣拱暗挖逆作法在现场施工时作业空间较大,现场施工效果要明显优于 PBA 工法。
(3)综合以上分析,在中轴线上方地表沉降、拱顶沉降、拱顶应力、塑性区分布以及现场施工 5 个方面,一次扣拱暗挖逆作法均优于 PBA 工法。因此,在长春地区的地质环境条件下,一次扣拱暗挖逆作法要优于 PBA 工法。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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