盾构井结构空间简化设计

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摘要南京地铁四号线鼓楼站大里程盾构井采用混凝土结构，结构受力具有空间特性，结构计算采用空间受力简化模型进行模拟分析，既弥补了传统二维模型计算精度的不足，又简化了大型三维整体模型的复杂程度，为以后类似的结构计算精简提供了类似参考。

关键词 盾构井简化建模力学分析

中图分类号：U455.8 文献标识码：A

1、工程概况

鼓楼站盾构井位于南京市中山北路、中央路、中山路、北京西路、北京东路五岔路口处、部分结构位于其中心环岛内，所处位置交通流量大。北接新建鼓楼站4号风道，西侧通过矿山法区间连接既有1号线鼓楼站，东侧通过盾构区间连接市政府站。周边主要为江苏省级南京市政府机关及邮政、医院等企业机构，具有十分重要的交通及政治地段。

盾构井主体结构采用矩形框架结构，结构长26.4m,宽16.1m，高12.24m，顶板0.6m，中板0.4m,底板1.1m,侧墙0.8m，顶环框梁1.950×0.6m、中环框梁1.950×1m；顶梁0.9×1m、中梁0.800×1m、底梁1×2m;立柱0.7×1m。

2、工程地质及水文地质

2.1、工程地质

场地填土层厚度为0.7~1.7m。深基坑涉及表层①层松软人工填土（包括①-1杂填土、①-2素填土），晚更新世晚期沉积的新世早期沉积④-2b2层可塑粉质粘土、④-3b1-2层可~硬塑粉质粘土，以及K-0残积土、K-2-2层强风化砂砾岩、K-3-2、K-3-3层中风化砂砾岩。

2.2、水文地质

场地地下水分为孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。潜水补给来源主要为大气降水及管道渗漏补给，以蒸发、侧向径流和逐渐下渗方式排泄。潜水稳定水位在地面以下0.8~2.7m，高程为16.34~22.29m（吴淞高程系），年变化幅度一般在1.0m左右。基岩裂隙水水位（水头）随季节不同有升降变化，年变幅为0.5m左右。

3、计算原理及方法

3.1受力工况

盾构井分为施工阶段和正常使用阶段两种受力工况。盾构井受力工况施工阶段顶板和中板预留盾构机吊装孔，此时侧墙部位水平向环框梁承受水土压力等荷载；正常使用阶段连接区间段侧墙开洞，顶板及中板封闭、凿除环框梁、完成受力转换。

3.2基本假定

（1）盾构井侧墙简化为单片侧墙独立计算。

（2）端墙计算模型同侧墙，取盾构孔未打开工况为计算工况，作用于盾构圆孔上的水土压力等荷载按地下墙竖向板条传递于内衬墙井壁圆孔的上、下周。扶壁柱划分端墙为大板，假设四周为简支，使板产生内侧受拉的正弯矩，板的厚度按总厚度计算。

（3）水平板考虑竖向荷载的不平衡作用，将顶、中、底板连接成空间框架独立计算。板之间竖向以立柱连结，板四周与侧墙的连结模拟为简支座，三层板按作用向上及向下的最不利组合荷载进行内力计算。

（4）结构与土体间相互作用，采用压缩刚度等效的土弹簧模拟。

3.3计算参数选取

施工阶段为满足盾构安装要求，地面超载按30kNPa计；正常运营阶段地下水位按不利条件考虑，水位埋深约为0.8米。计算模型尺寸根据盾构井结构实际尺寸按其中心线确定，结构材料除立柱C50混凝土外，其余结构均为C40混凝土，结构自重程序自动计入。

3.4模型建立

本次计算采用SAP84 v6.5有限元软件，应用荷载-结果数值方法，建立简化三维空间模型分别对盾构井主体板、墙进行模拟计算，结构重要性系数1.1，组合系数恒载：1.35；活载1.4。

4、计算结果及分析

4.1 顶、中、底板、立柱整体建模

板四周采用简支模拟，底板下布置受压弹簧，将恒载及活载均布于上板、中板、底板，均采用2.3节的荷载，结构重要性系数1.1，组合系数恒载：1.35；活载1.4。

计算结果：

a、整体计算结果

b、各构件计算结果

顶板基本组合 中板基本组合底板基本组合

4.2 侧墙、扶壁柱整体建模

板左右侧及下侧采用简支座约束，顶环框梁梁、中环框梁及扶壁柱端部采用简支座模拟约束，侧墙根据地层参数布置受压弹簧，将恒载及活载按土层压力垂直布于侧墙，进行荷载组合受力分析计算。

计算结果：a、环框梁及立柱计算结果

弯矩基本组合

b、端墙受力结果

4.3、侧墙开洞单独建模

a、开洞处建模如下：

为分析盾构井连接两侧区间段端墙正常使用阶段受力情况，开洞板四周采用简支座约束，侧墙根据地层参数布置受压弹簧，将恒载及活载按土层压力垂直布于侧墙，进行荷载组合受力分析计算。

b、计算结果

5、结论

盾构井为空间结构，采用二维模型建模，其分析结果不能反映结构真实受力状况。三维整体建模往往采用MIDAS、FLAC3D、sap2000等大型有限元软件，通过对板、墙、梁、柱建立整体模型，根据不同施工阶段对各构件施加不同约束、荷载，然后计算分析，其结果虽然精确，但过程往往复杂，容易出现错误。采用三维简化建模既能得到空间结构各构件在不同阶段的受力结果，又能节省建模时间，使设计更加直接简化，具有一定的参考价值。

参考文献

[1]北京城建设计研究总院 GB50157-2003 地铁设计规范 [S] 北京：中国计划出版社2003

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部 GB50009-2012建筑结构荷载规范 [S] 北京：中国建筑工业出版社

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部 GB50011-2010建筑工程抗震设计规范[S] 北京：中国建筑工业出版社

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部 GB50010-2010混凝土结构设计规范[S] 北京：中国建筑工业出版社

[5] 上海市隧道工程轨道交通设计院/上海轨道交通学科（专项技术）研究发展中心DGJ08-109-2004 城市轨道交通设计规范[S] 上海:上海市工程建设规范