地鐵車站暗挖施工結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究

焦仁杰

（中鐵十八局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，天津 300222）

地鐵車站施工應(yīng)根據(jù)隧道斷面大小、斷面形狀、隧道埋深、地質(zhì)情況、地下水情況等選擇最優(yōu)的施工方法和開挖順序，減少開挖對地層的擾動和導(dǎo)洞施工過程中的相互影響。一次扣拱暗挖逆作法作為一種新的地鐵車站施工方法，該方法相對PBA工法減少了施工環(huán)節(jié)，及早形成了完整、穩(wěn)定的主要受力結(jié)構(gòu)，減少了施工過程中結(jié)構(gòu)的受力轉(zhuǎn)換次數(shù)和施工對地層的擾動，提高了作業(yè)效率和施工質(zhì)量。

一次扣拱暗挖逆作法是將車站主體結(jié)構(gòu)分10個導(dǎo)洞進(jìn)行開挖施工，而主體導(dǎo)洞施工采用則CD法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，導(dǎo)洞的大小對導(dǎo)洞應(yīng)力、應(yīng)變的影響較大，合理的導(dǎo)洞大小能有效的控制地表沉降變形［1］。而合理的開挖形式則能有效降低地表沉降和減小對建筑物損害，開挖形式的確定要根據(jù)實際工程條件不同而定。在確定導(dǎo)洞的開挖大小后，模擬實際的地層環(huán)境下開挖施工過程，綜合地表沉降變形的影響及工程造價多方面因素最終確定最優(yōu)的導(dǎo)洞開挖形式。本文以某地鐵車站一次扣拱暗挖逆作法施工為依托，在確定導(dǎo)洞的開挖大小后，模擬實際的地層環(huán)境下開挖施工過程，綜合地表沉降變形的影響及工程造價多方面因素，最終確定最優(yōu)的導(dǎo)洞開挖形式［2］。

1 工程概況

某地鐵車站主體為島式站臺，有效站臺寬14.5m，為標(biāo)準(zhǔn)雙層、三跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，采用一次扣拱暗挖逆作法施工，暗挖主體車站總長191m，凈寬21.8m，車站從西向東設(shè)有2‰的下坡，車站覆土為8.8～9.8m，車站底板埋深為24.77～25.77m。

2 導(dǎo)洞開挖研究分析

車站主體導(dǎo)洞施工采用CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，根據(jù)隧道斷面大小、斷面形狀、隧道埋深、地質(zhì)情況、地下水情況等選擇最優(yōu)的施工方法和開挖順序，減少開挖對地層的擾動和導(dǎo)洞施工過程中的相互影響。

（1）導(dǎo)洞大小的確定。

導(dǎo)洞的大小是淺埋暗挖逆作法施工前首要確定的因素。導(dǎo)洞的大小對導(dǎo)洞應(yīng)力、應(yīng)變都有很大的影響，合理的導(dǎo)洞大小能有效控制地表沉降變形。本次實際工程解放大路車站設(shè)計：上部導(dǎo)洞橫跨長度為10.8m，高度為6m；下部導(dǎo)洞橫跨長度為10.6m，高度為6m。

（2）導(dǎo)洞開挖形式確定。

目前導(dǎo)洞開挖的形式有多種，包括CRD法、CD法、雙側(cè)壁法等，合理的開挖形式能有效降低地表沉降和減小對建筑物損害，開挖形式的確定要根據(jù)實際工程條件不同而定。在確定導(dǎo)洞的開挖大小后，模擬實際的地層環(huán)境下開挖施工過程，綜合地表沉降變形的影響及工程造價多方面因素最終確定最優(yōu)的導(dǎo)洞開挖形式［3］。根據(jù)車站施工環(huán)境及地層條件，設(shè)計導(dǎo)洞開挖采用：上部導(dǎo)洞開挖采用CD工法，下部導(dǎo)洞開挖采用雙側(cè)壁法。

（3）導(dǎo)洞開挖工序分類。

為方便分析，本次研究選擇典型的4種開挖工序：工序1：先開挖上導(dǎo)洞，后開挖下導(dǎo)洞（對稱開挖）；工序2：先開挖上導(dǎo)洞，后開挖下導(dǎo)洞（不對稱開挖）；工序3：先開挖下導(dǎo)洞，后開挖上導(dǎo)洞（對稱開挖）；工序4：先開挖下導(dǎo)洞，后開挖上導(dǎo)洞（不對稱開挖），見圖1。

圖1 各工序示意圖

（4）加固措施。

本次工程土體加固措施分為超前預(yù)支護(hù)、初級支護(hù)、二次襯砌、灌注樁等支護(hù)形式。在開挖施工前在巖土內(nèi)置入超前小導(dǎo)管和超前大管棚進(jìn)行土體預(yù)加固；在導(dǎo)洞開挖過程中邊開挖邊支護(hù)，采用鋼格柵和噴射混泥土的初期支護(hù)；二次襯砌采用鋼筋混泥土，并設(shè)置防水層；另外車站開挖土體周圍設(shè)置灌注樁，主要承受開挖過程中周圍土體的側(cè)壓力和下層土體的上拱應(yīng)力。

3 建立模型

本模型采用MIDAS/GTS三維實體單元進(jìn)行模擬。模型長度為100m，高度為50m。模擬地層共分為4層，其中雜填土厚度為1.2m，粘土層厚度為14m，粗砂為3.4m，泥巖層厚度為34.8m。地層土體本構(gòu)模型均采用摩爾-庫倫［4］，導(dǎo)洞初期支護(hù)（噴射混凝土）采用彈性本構(gòu)模型，噴混厚度取0.35m，材料參數(shù)取值見表1。模型總共劃分了7122個節(jié)點，共4553個單元，見圖2。

圖2 計算模型圖

4 計算結(jié)果分析

4.1 地表沉降值對比分析

由計算結(jié)果可得4種工序引起地表沉降規(guī)律基本相同。地鐵開挖軸線正上方地表沉降量最大，隨著距開挖軸線的距離增大，沉降量越來越小，最終形成一個地表沉降槽。圖3為工序1施工引起地表沉降的計算云圖。4種工序開挖引起的地表沉降曲線見圖4。

圖3 先上后下對稱開挖地層最終沉降云圖

圖4 4種工序開挖引起地表沉降曲線圖

根據(jù)計算結(jié)果可以看出：先開挖下部導(dǎo)洞時地表最終沉降量普遍略大，先開挖上部導(dǎo)洞與先開挖下部導(dǎo)洞的沉降最大值相差在5.0mm左右。地下施工對地層產(chǎn)生的擾動是引起地表變形和地層應(yīng)力場重新分布的根本原因。當(dāng)先開挖上部導(dǎo)洞時，產(chǎn)生對巖體的第一次擾動，在完成支護(hù)結(jié)構(gòu)后，洞內(nèi)就會形成一個封閉的保護(hù)結(jié)構(gòu)，再開挖下部導(dǎo)洞時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)能避免或者大幅度減小對巖體的第二次擾動；當(dāng)先開挖下部導(dǎo)洞時，對巖體產(chǎn)生第一次擾動，再開挖上部導(dǎo)洞時，又會對巖體產(chǎn)生第二次擾動，這樣對巖體應(yīng)力場和地層應(yīng)變都產(chǎn)生了2次影響，增大了地表沉降變形。

由圖4可知，車站導(dǎo)洞開挖時對稱開挖和不對稱開挖對地表沉降的影響差異不大。但研究分析對稱開挖時，導(dǎo)洞距離較遠(yuǎn)，減小了相鄰導(dǎo)洞開挖帶來的相互影響，對洞內(nèi)施工和地層擾動都有積極有利的效果，并且能有效的控制地表沉降。綜合考慮，在一次扣拱暗挖逆作導(dǎo)洞施工中，“先上后下，對稱開挖”是對控制地表沉降最優(yōu)的方案。

4.2 土體加固影響分析

為研究分析開挖前加固土體對控制地表沉降的影響，本文模擬了開挖前不加固土體的情況，通過分析2種情況下的地表沉降值，進(jìn)而研究開挖前加固土體對控制地表沉降的影響。本次研究采用工序1（先上后下，對稱開挖）的開挖順序［5］，并且開挖前對土體不采取加固措施進(jìn)行模擬。圖5為開挖前不加固土體情況下模擬計算的地表沉降云圖。工序1在土體加固和不加固土體時最終地表沉降對比見圖6。

圖5 不加固土體先上后下對稱開挖引起地表沉降云圖

圖6 加固土體和不加固土體時地表沉降對比圖

由圖6可以明確看出，超前支護(hù)對地表沉降的影響很明顯。在開挖導(dǎo)洞前施做管棚和小導(dǎo)管注漿等超前支護(hù)時，地表最大沉降值為56.963mm；在開挖導(dǎo)洞前不加固土體情況下，地表最大沉降值達(dá)到101.775mm。加固土體后開挖引起的地表沉降值減小了44.812mm，減小約44%。說明開挖導(dǎo)洞前對土體采取預(yù)支護(hù)對控制地表沉降有明顯的效果，由此可見在淺埋暗挖法中采用預(yù)支護(hù)的重要性。

4.3 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)比較分析

本文根據(jù)工程實際，在計算模型上選取相應(yīng)位置分析點作為數(shù)值模擬監(jiān)測點，進(jìn)而與實際監(jiān)測點進(jìn)行對比分析（見圖7）。

圖7 數(shù)值模擬與實際監(jiān)測數(shù)值對比圖

從數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果的對比來看，模擬計算結(jié)果偏大，但兩者在地表沉降數(shù)值大小差距不大及整體趨勢均基本一樣，因為數(shù)值模擬考慮的情況較為理想，所以沉降曲線沿著中軸線對稱，而實際工程較為復(fù)雜，沉降數(shù)據(jù)要離散一些，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)也驗證了數(shù)值模擬的正確性。

5 結(jié)束語

導(dǎo)洞開挖順序的選擇是影響車站整個施工過程中地表沉降的重要因素。經(jīng)過對某地鐵車站主體導(dǎo)洞開挖順序進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出結(jié)論：工序1為車站主體導(dǎo)洞開挖最優(yōu)方案，即：先開挖上導(dǎo)洞，后開挖下導(dǎo)洞（對稱開挖），上部導(dǎo)洞開挖采用CD工法，下部導(dǎo)洞開挖采用雙側(cè)壁法。開挖導(dǎo)洞前用超前小導(dǎo)管和管棚對土體進(jìn)行加固，能更好的控制地表沉降。

［1］ 黃美群. 一次扣拱暗挖逆作法修建地鐵車站新技術(shù)［J］. 都市快軌交通，2009，22（6）：66-71.

［2］ 黃美群. 地鐵十字交叉換乘車站全暗挖同步建造技術(shù)［J］. 都市快軌交通，2010，3.

［3］ 李松梅. 北京黃莊換乘站新型暗挖施工地表沉降綜合控制技術(shù)［A］. 中國土木工程學(xué)會第十五屆年會暨地鐵工程分會第十七屆年會論文集［C］，2012.

［4］ 苗春剛. 一次扣拱暗挖逆作法導(dǎo)洞施工步序調(diào)整模擬分析［A］. 技術(shù)探討，2015，6（17）.

［5］ 李春奎. 長春地鐵1號線解放大路站一次扣拱暗挖逆作法施工地表沉降分析與控制［J］. 隧道建設(shè)，2014，3（3）.