花鹏
中铁二院华东勘察设计有限责任公司， 310000
摘要：拱盖法工艺是结合明挖法、盖挖法和PBA洞桩法多工法为一体的新型施工工艺。为了减小拱盖法施工的风险，本文结合有限元计算，对拱盖法工艺进行数值模拟，来探讨研究拱盖法在地铁施工中沉降控制、初支及临时支撑受力变化情况，供相关工程借鉴参考。
关键词：有限元、数值模拟、拱盖法、地铁车站
1 前言：随着城市地铁建设，线网加密，周边建设环境越来越苛刻，车站明挖及盖挖等常规工法实施较为困难，一种新工艺“拱盖法”施工在建设水平及施工工艺的不断更新提升中应运而生。对于地层条件较好、管线迁改和交通疏解有困难的车站可考虑此工艺，可有效的节省投资，减小环境影响。
2研究路线：
1）依据勘察报告及相关规范文献给出的参数，建立有限元计算模型；
2）根据施工步骤对计算模型进行计算；
3）由计算结果对地面沉降进行分析，研究在开挖过程中地面沉降的变化，分析地面沉降对结构的影响；
4）中洞一次开挖土体后，加支撑和初支并分析支撑及初支的受力变化情况，分析支撑和初支在施工过程中的作用，验证初支的尺寸是否满足要求，支撑在施工中的必要性。
3 有限元算法：
3.1 结构材料及尺寸
3.1.1 结构材料
初支及支撑：C30混凝土；
二衬及中柱：二衬C40、中柱C50混凝土；
拱顶加固区：水平AJP旋喷加固；
桩体：AJP旋喷桩。
3.1.2 结构尺寸
衬砌、支护及加固区采用的参数见下表：
表3.1 暗挖段支护及衬砌参数
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3.2 计算模型
3.2.1 模型概述
模型计算采用MIDAS-GTS 有限元计算软件，建立二维模型。车站站覆土厚度取6.8m，模型计算范围长度X方向取145m，宽度Y向取80m。
土层、拱二衬、侧墙及底板二衬采用平面板单元，拱初支、混凝土柱及开挖支撑采用梁单元，地应力场按自重应力场考虑。
3.2.2 模型参数
土层及加固区采用摩尔库仑模型，结构采用弹性模型，具体材料参数见下表。
表3.2模型材料参数表
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3.3.3 约束及荷载
X向：法向约束，Y向：顶地面为自由面，底为垂向约束；
4 结果及分析
4.1 计算结果
4.1.1沉降云图
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图4.1 主体结构完成竖向位移
4.1.2 内力云图
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图4.2 加支撑-支撑及初支剪力图 图4.3 加支撑-支撑及初支弯矩图
4.2 结果分析
4.2.1 位移沉降
由计算结果可以得出小导洞在开挖过程中，洞顶最大沉降达到了3.05cm，底部隆起达到了4.55cm。发生的变形较大，所以在开挖导洞后应及时施作小导洞初支。
在主体开挖过程中对地表和加固区处造成的不均匀沉降，沉降量随着开挖的过程不断的累积，最终造成模型正中地表最大沉降4.85cm，拱顶处最大沉降5.93cm。
4.2.2 内力分析
1）拱初支斜截面受剪复核
去支撑后初支受到的最大剪力Vmax=240.34KN,
，满足要求。
2）受拉、受压区钢筋截面复核
去支撑后初支受到的最大弯矩出现在拱角部附近为Mmax=119.2KN·m，对应的轴力FN=1210KN。
计算模型拱初支是取每延米进行计算的，根据每延米对应两榀格栅架设，每榀格栅采用4根C25的钢筋，截面面积Aso=1962.5mm2。
在基本组合情况下最大弯矩Mmax=119.2×1.1×1.2=157.34KN·m，对应轴力为FN=1210×1.1×1.2=1597.2KN，根据混凝土规范在最不利的情况下算出受压、受拉区纵向钢筋截面面积As=2702.6mm2>Aso，又拱初支轴力最大处出现在拱顶初支角部，最大轴力为FNmax=1643KN ，所以拱顶初支的角部较危险。
3）临时支撑的受力
从计算结果看，初支加支撑时，临时支撑的轴力为956.77KN，初支的轴力相对临时支撑的受力较小，而去除临时支撑后，拱顶初支的受力明显加大，此时承担了上部的开挖荷载，所以加了临时支撑后，临时支撑分担了上部传递的较大荷载，利于上部开挖。
5、结语
1）地表和拱顶沉降量随着开挖步序逐渐增大。沉降量值沿地表中心由大到小向结构两侧展开。地表最大沉降量为4.85cm，拱顶最大沉降量为5.93cm；
2）拱盖下部无柱区，一次开挖沉降明显，需结合临时支撑分块开挖，分三部先两边后中间，待拱顶支护达到一定强度时再进行后序施工；
3）计算分析发现拱初支角部受力偏大，拱初支断面做渐进优化改善整体受力。本方案优化为拱初支角部为500mm，过渡渐变做到拱顶处为350mm；
4）施工过程中应加强对重点部位的监测，与预测的变形和受力进行对比，并及时调整相关部位的参数和施做时间，提前做好施工风险应急预案。
参考文献：
[1]刘罡.蒲黄榆地铁车站施工力学行为研究[D].西南交通大学,2014.1-118.
[2]吕波.暗挖地铁车站拱盖法关键施工技术[J].现代隧道技术，2014（3）：181-187.
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