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2009年12月Vol.,20N0o9
JournalofEastChinaJiaotongUniversityDec
文章编号:1005-0523(2009)06-0016-05
管棚法施工中格栅支护机理分析
赵 佳
(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804)
摘要:以杭州机场路人行过街地道为背景,为研究管棚荷载传递规律,建立双参数弹性地基梁模型,选取受力最危险的一榀
格栅,通过有限元软件建立荷载-结构模型分析开挖对该榀格栅内力的影响。研究结果表明:紧邻开挖面的第一榀格栅所
承担的荷载能占到开挖荷载的70%左右,是开挖荷载的主要承受构件;相对格栅拱架底部和横向支撑,拱架顶部和竖向支
撑承受了相当大的应力为主要的受力部分,以便控制掌子面向内部净空的挤压变形。
关 键 词:浅埋暗挖;管棚法;格栅;应力
中图分类号:91 文献标识码:
TUA
随着城市用地的紧缺,对于商业区、住宅区等人口密集的地方,人们采用地下过街通道的形式来解决
交通拥挤问题。管棚以其及时、有效地防止掌子面坍塌及地层过量变形的优势被广泛使用在浅埋暗挖法
中。
文献[1]提出棚架原理,将管棚、格栅和注浆体作为完整体系,围岩压力通过管棚扩散到格栅拱架之
上,管棚和格栅以鱼骨刺形式共同支撑着围岩,以形成谷筛效应。文献[2,3]立足于棚架体系视角,建立了
用来分析管棚荷载传递规律的双参数弹性地基梁模型,通过在支护段和未开挖来段选取不同的基床弹性
系数来考虑支护结构、土体与管棚的相互作用,同时,用增量法考虑了施工开挖过程。文献[4]以北京地铁
4号线西单站为例,建立管棚受力的双参数弹性地基梁模型,推导出管棚的挠度及转角、弯矩微分方程并
进行求解,根据管棚两侧支撑条件分析其变形和内力特征。文献[5]在前面基础上,建立了棚架的空间分
析模型。该模型考虑了施工过程、管棚与支护之间相互作用以及网喷混凝土早期弹性模量随时间逐渐变
化特性。
本文基于以前的理论基础建立双参数弹性地基梁模型,求得各榀格栅所承担的荷载分担比从而选取
受力最危险的一榀格栅,再利用有限元软件建立荷载-结构模型进一步分析开挖对该榀格栅内力的影响,
从而为管棚法施工提供一些新的方法和依据。
1 工程背景
工程简介
杭州机场路人行过街地道位于机场路与闸弄口横
路交叉口北侧,东边为闸弄口农副产品综合市场及闸
弄口新村,西边为京惠花园及江干区消防大队艮山中
队,地道呈“”字型布置,设置4个出入口,总长
T
171畅39,,如图1所示。
mm
地道埋深3左右,,净高
mm
,通道横断面采用直墙有仰拱的马蹄形内轮廓形
m
式。采用在拱部纵向打入ф108钢管并注浆加固。地图1 过街通道平面设计图
道初期支护为2榀/格栅钢架+30厚20双层网
mcmC
收稿日期:2009-09-11
作者简介:赵 佳(1985-),女,汉族,河南洛阳人,硕士研究生,研究方向为地基处理与地下工程。
第6期赵 佳:管棚法施工中格栅支护机理分析17
喷砼进行联合支护;临时支护采用2榀/工字钢+20厚20双层网喷砼进行联合支护。管棚采用
mcmC
ф1088无缝钢管,,沿主通道拱顶环状布置,纵向通长,环状间距40,共20道,如图2所
Xmmmcm
示。
图2 过街通道横断面图
地质资料
本场地位于钱塘江第四纪冲海积沉积平原区。场地地形简单,地貌单一。~。
m
该范围内自上而下土层分别为粘质粉土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土,土层主要物理力学性质见表1。
表1 土层主要物理力学性质表
竖向基床
土层厚度压缩模量天然容重粘聚力C摩擦角静止侧Φ
土层名称-3比例系数泊松比
///(·)//(°)-3压力系数z
mMPakPa/(·)
kNmkNm
[,父いu
[,父いu
质粘土梃构妸[,父いu
2 数值计算
格栅荷载分配
该人行地道上覆土平均厚度为3,·-3,因此管棚上部的覆土荷载为
mkNm
·-2。假设每根承受相同的上部荷载,
kNmm
·-3。
kNm
由于传递荷载的影响范围有限,先选取8榀格栅进行分析,对其进行编号,如图3所示。管棚采用梁
模拟,未开挖段和支护段对管棚作用用弹簧模拟,管棚两端固定约束以考虑套拱作用,未开挖段的
Winkler-3
弹簧系数k1根据地下过街通道所在的土层参数取值,取为11000·,对于支护段的弹簧系数k2需
kNm
按照荷载结构模型进行计算取值。、
m
、。管棚在荷载作用会发生向下的弯曲变形,而在向下弯曲变形附近会产生
mm
向上的突起变形,对于起荷载传递作用的弹簧在向上突起的地方是处于受拉状态,这样管棚就会受到向下
的作用力。随着格栅间距的变化,管棚变形存在着略微的差异,各榀格栅所承担的荷载也会存在着差异,
结果如表2所示。
18华 东 交 通 大 学 学 报2009年
图3 格栅编号图
表2 格栅荷载表
荷载/
号数kN
mmm
1 ;┅
2---;┅
3-;┅
;┅
;┅
;┅
;┅
;┅
注:+表示力的方向朝上;-表示力的方向朝下。
、、,如图4所示。从图中可以看到紧邻开挖
mmm
面的第一榀格栅所承担的荷载占到开挖荷载的70%左右,之后的其他榀格栅所承担的荷载分担比均较小
,、。由此可见,当开挖单位步长时,通过
mm
管棚传递到格栅的开挖荷载主要是由紧邻开挖面的第一榀格栅承担,、,荷
mm
载分担状况基本一致。
图4 各号格栅荷载所占比例图
格栅内力
根据管棚所传递的荷载分担比可以知道开挖后紧靠开挖面的格栅最危险,因此取出该榀进行内力分
析。利用有限元软件建立格栅模型,如图5所示。在模型中管棚采用ф1088钢管模拟,
Xmmm
在格栅顶部分布。由于管棚两端有套拱作用,管棚两端则采用固定端约束。格栅采用22工字钢模拟,分
I
为6个导洞。未开挖段对管棚的作用采用弹簧系数为11000·-3的弹簧模拟,支护段管棚与格栅的相
kNm
互作用采用刚度为100000·-3的二力杆件模拟。格栅底部两端采用固定铰约束,其余部分采用弹簧
kNm
模拟格栅与土层的接触。
第6期赵 佳:管棚法施工中格栅支护机理分析19
每榀格栅受力按荷载-结构模型计算,模型如图6所示。对于每榀格栅的受力,上部荷载取支护结构
上方土柱自重,水平压力取静止土压力,。,通道边墙上
kPa
,。
kPakPa
图5 格栅拱架模型图图6 荷载结构计算模型
图中,P为竖向压力;q为水平土压力;h为拱顶到边墙计算点的距离。
3 数值模拟结果分析
采取上述格栅荷载-结构模型计算开挖步长分别
、、
mmm
内力,在格栅拱架上选取11个点,点位布置如图7所
示。
、、
mmm
得的格栅内力列表,其结果如表3所示。通过数值模
拟结果首先可以看到除了格栅底部存在受拉段,其余
部分都处于受压状态。相对格栅拱架底部和横向支
,,
撑拱架顶部以及竖向支撑承受了相当大的应力是格图7 格栅内力点位布置图
栅拱架的主要承力部分,用来阻止格栅拱架在荷载作
用下发生向内部净空挤压变形。
表3 格栅内力表
测点应力/
格栅间距MPa
/1234567891011
mDDDDDDDDDDDz铑b种J揪2Ζ/#
-)膊吵倐後U缮R
-)膊吵倐後U缮R
-)膊吵倐後U缮R
注:+表示受压-表示受拉,D表示取点。
为了进一步地说明在格栅间距变化时格栅拱架各点的变化趋势,将其结果列图说明,如图8所示。
,拱架顶部尤其是顶部的弯曲部分以及竖向支撑上的应力增加
mm
了50%,而拱底和横向支撑上的应力却减小到接近于坐标轴;,
mm
格栅拱架上各点应力未发生明显的变化。,为了阻止掌子面
mm
发生向内部净空挤压变形,格栅拱架的承力部分向拱架顶部和竖向支撑转移,成为了主要的受力部分。因
此,在架立格栅时需要选择合理的格栅间距,使之既满足了格栅拱架本身的稳定,又兼顾了施工的效率和
便利。
20华 东 交 通 大 学 学 报2009年
图8 间距变化时格栅应力变化图
4 结论
(1)紧邻开挖面的第一榀格栅所承担的荷载占到开挖荷载的70%左右,而之后的其他榀格栅所分担
的荷载比均较小。说明当开挖单位步长时,通过管棚传递到格栅的开挖荷载主要是由紧邻开挖面的第一
榀格栅承担。这就需要确保施工、设计中紧邻开挖面的第一榀格栅的强度和稳定性。
(2)在格栅间距一定时,相对格栅拱架底部和横向支撑,拱架顶部和竖向支撑承受了相当大的应力。
,格栅拱架的承力部分向拱架顶部和竖向支撑转移,来阻止掌子面向
mm
内部净空发生的挤压变形。因此,在架立格栅时需要选择合理的格栅间距。
参考文献:
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D
[7]李 []..
D
AnAnalysisofSupportMechanismofGratinginPipe_roofReinforcement
ZHAOJia
(,,201804,)
KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducationTongjiUniversityShanghaiChina
Abstract:,
BasedonundergroundpassageofHangzhouAirportRoadthedouble_parameterelasticfoundationbeam
.
modelisestablishedtostudythelawsoftheloadredistributionofpipe_roofingChoosingtheload_bearinggratingthatis
,.
themostdangerousthefiniteelementmodelisestablishedtoanalyzetheinfluenceontheinternalforcesofgratingThe
70%,
resultsindicatethatthefirstgratingadjacenttotheexcavationsurfaceaccountsforaboutofexcavationloads
.-
whichisthemainload_bearingcomponentforthebottomgratingandlateralsupportThetopandverticalsupportswith
.
standconsiderablestressinordertocontrolthecompressivedeformationoftheinternalclearance
Keywords:;;;
shallow_buriedexcavationpiperoofthesupportreinforcementstress
(责任编辑:王建华)