地鐵暗挖車站初支拱蓋法開挖工序數(shù)值模擬優(yōu)化

邵長青

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

1 引言

地鐵車站大斷面開挖是車站施工不可避免的難題，相關(guān)的研究案例已經(jīng)有很多。吳波等[1]以有限元分析軟件為基礎(chǔ)，以地表沉降值增量和累計量分別為報酬和目標函數(shù)，通過分析對比，得出施工最佳順序。楊忠年等[2]結(jié)合拱蓋法隧道開挖，通過模型試驗研究隧道開挖圍巖應(yīng)力，提出拱頂沉降是拱頂法判斷圍巖穩(wěn)定性的主要依據(jù)。徐穎等人[3－4]通過數(shù)值模擬側(cè)穿和近接施工，認為先施工遠離建筑物的隧洞方案對鄰近建筑影響最小。周玲芳等人[5－7]采用數(shù)值模擬的方法，優(yōu)化了施工方案，實現(xiàn)了隧道開挖變形安全可控。

上述文獻取得了大量的參數(shù)，對施工具有一定的指導(dǎo)意義，但是考慮到地層地質(zhì)分配的隨機性，有必要對不同地區(qū)的施工情況進行多次分析，本文結(jié)合貴陽地鐵施工案例，系統(tǒng)介紹分析了有限元模擬優(yōu)化工序的全過程，并對優(yōu)化后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行工后分析。

2 工程概況

貴陽地鐵二期15標油榨街地鐵站設(shè)計為地下二層島式車站，共設(shè)置4個出入卡通道、1個消防及疏散通道和2組風(fēng)道。施工采用初支拱蓋法，先分部開挖拱部并及時支護，利用圍巖與初期支護形成整體支護體系，確保車站主體開挖的安全穩(wěn)定，最終一次成型二次襯砌。該方法在硬巖地質(zhì)條件下的地鐵車站中應(yīng)用較多。

3 初支拱蓋法數(shù)值模擬

3.1 建立有限元模型

根據(jù)施工階段劃分，按照拱蓋施工前導(dǎo)洞開挖、拱蓋施作后的支撐拆除、核心土開挖及車站下部土體開挖分三個階段進行有限元分析。地鐵車站三維模型及開挖斷面的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 車站有限元模型

根據(jù)地勘參數(shù)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，模擬采用的各種參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型參數(shù)

3.2 凈空收斂分析

3.2.1 初支凈空收斂

第一個循環(huán)開挖左右導(dǎo)洞時，對導(dǎo)洞的凈空收斂數(shù)據(jù)進行提取分析。根據(jù)模擬結(jié)果，施工時左右導(dǎo)洞兩側(cè)的凈空收斂為0.6 mm，收斂不大，但是中導(dǎo)洞開挖后，收斂迅速增加到2.22 mm，說明中導(dǎo)洞的施工對前方和兩側(cè)土體都有較大影響。從圖2的導(dǎo)洞施工歷時曲線可以看出，中導(dǎo)洞開挖時引起的收斂明顯大于左右導(dǎo)洞的開挖施工[8]，所以在中導(dǎo)洞開挖施工前，需要確認左右導(dǎo)洞的支護已經(jīng)施工完成且強度達到要求，同時根據(jù)要求加強中導(dǎo)洞的超前支護，減輕中導(dǎo)洞向前凸出引起的兩側(cè)土體收斂變形。

圖2 各導(dǎo)洞凈空收斂變化曲線

3.2.2 拱蓋凈空收斂

為了能夠為施工期間拱蓋施工完成后提供圍巖收斂信息，考慮到拱蓋施工完成后，現(xiàn)場無法布點監(jiān)測收斂，模擬時在拱蓋部分增加模擬監(jiān)測點，對拱蓋的凈空收斂進行分析計算。

從圖3可以看出，每個循環(huán)凈空收斂都會因拆除臨時支撐和開挖核心土迅速增大。但是隨著開挖面與監(jiān)測點的距離越來越大，拆撐和開挖對收斂的影響也越來越小。

IR-UWB穿墻雷達實驗系統(tǒng)組成及試驗整機如圖1所示。該實驗系統(tǒng)是由中南大學(xué)航空航天學(xué)院研制的中心頻率為300 MHz的IR-UWB穿墻雷達系統(tǒng)，主要用于穿墻探測以及災(zāi)后救援，該系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是雷達主機，用于實現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生、發(fā)射、接收等功能；另一部分是計算機，主要實現(xiàn)參數(shù)下發(fā)、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等功能，通過USB接口與雷達主機連接。

圖3 拱蓋凈空收斂變化曲線

上部土體開挖一定距離后，進行下部土體開挖時，凈空收斂也有一個迅速上升的臺階，但是隨著下部土體逐步向前開挖，凈空收斂逐步趨于穩(wěn)定。

3.2.3 車站下部側(cè)壁的水平凈空收斂

由于車站高度較大，下部土體開挖分兩部，從圖4的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，上半部分土體開挖時凈空收斂逐步增加，在下半部分土體開挖時收斂有一個明顯的臺階陡降，說明上半部分土體開挖后，圍巖變形的一定量都施加到了下半部分土體上，當下半部分土體開挖時，這部分變形得到了迅速的釋放。

圖4 車站下部側(cè)壁水平凈空收斂變化

3.3 沉降分析

3.3.1 地表沉降

對開挖各工序模擬時的地表沉降數(shù)據(jù)進行提取，如表2所示。拆除施工引起的地表沉降量最大，為9.42 mm，開挖中導(dǎo)洞引起的地表沉降量次之。由此可見，在施工環(huán)節(jié)的控制上，臨時支撐的拆除時機和拆除方式需要通過多方討論，以有效降低支撐拆除引起的地表沉降量；而中導(dǎo)洞開挖作為關(guān)鍵施工工序，需要合理組織開挖施工，嚴格按照設(shè)計和既定施工方案做好各類支護，降低中導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降[9]。

表2 地表沉降監(jiān)測值

3.3.2 拱頂沉降

根據(jù)模擬分析，由于采用了分部導(dǎo)洞開挖，圍巖變形在不同導(dǎo)洞開挖時都得到了一定程度的釋放，導(dǎo)致監(jiān)測到的拱頂變形量最大值為5.5 mm，相對較小。這表明初支拱蓋法把土體總的變形分配在了不同的階段，降低了單個施工階段的總體變形量，拱蓋地施工完成能夠為后續(xù)下放土體施工提供安全的作業(yè)空間。

4 開挖施工參數(shù)優(yōu)化

4.1 縮短開挖進尺

由數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，拆除臨時支撐和中導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降量占總沉降量的80%以上，對其進行優(yōu)化是十分必要的。通過經(jīng)驗分析，結(jié)合地質(zhì)情況和設(shè)計單位意見，擬定實際施工時拱蓋完成6 m后才能拆除下放的臨時支撐并開挖中導(dǎo)洞，后續(xù)形成流水作業(yè)。

優(yōu)化后的施工方案再次進行有限元模擬，結(jié)果顯示，優(yōu)化后的地表沉降量相比優(yōu)化前減少了3 mm，表明了減小進尺可以更好地增加施工過程中圍巖的穩(wěn)定性，降低總體施工沉降。

4.2 增加初支剛度

除考慮縮小開挖進尺外，同樣有人也建議采用增加初支剛度來控制開挖變形，為此，采用增加兩倍后的初支剛度對原方案進行有限元模擬，結(jié)果顯示，增加初支剛度后，地表沉降量降低了2 mm，表明增加剛度也能有效控制施工變形。建議后續(xù)施工采用縮小進尺和增加剛度相結(jié)合的方式進行。

5 施工變形監(jiān)測分析

5.1 初支拱頂沉降

在施工時，按照設(shè)計要求對多個斷面進行布點監(jiān)測，考慮到數(shù)據(jù)采取的隨機性，本文以DK36＋954的斷面數(shù)據(jù)為例，對初支沉降監(jiān)測情況進行分析(見表3)。

表3 典型斷面各施工步序沉降監(jiān)測

從表3可以看出，導(dǎo)洞和拱頂沉降在施工前期的變形量相對較大，說明原始地層的平衡在遭到破壞后，迅速釋放能量，導(dǎo)致變形出現(xiàn)陡變，后期隨著開挖的推進，變形逐漸趨于平緩，最終達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。左、右導(dǎo)洞最先開挖，其對原始地層的影響也最大，左右導(dǎo)洞開挖引起的沉降量占總沉降量的83.10%，說明左右導(dǎo)洞開挖時需要做好加固措施，減少開挖初期變形，為后期變形控制提供一定的余量。

5.2 大拱蓋部分拱頂沉降

現(xiàn)場不同斷面的監(jiān)測結(jié)果表明，各斷面的支撐拆除期間，拱頂沉降變形整體趨勢較為相似，本文以典型斷面DK36＋974部位變形為例，對大拱蓋部分沉降變形進行分析，具體變形情況見圖5。

圖5 拱蓋拱頂?shù)湫蛿嗝娉两禃r態(tài)曲線

從圖5可以看出，拱蓋施工完成后，拱頂仍存在一定的沉降量，沉降量最大值僅為3.3 mm，發(fā)生于拱蓋的中部[10]，相對較小。這表明大拱蓋法施工時拱蓋的安全度是可靠的，能夠滿足下部土體開挖后和后期二襯結(jié)構(gòu)安全施工的需要。

5.3 地表沉降

根據(jù)現(xiàn)場實際，在車站施工上方地表按照設(shè)計要求進行了監(jiān)測點的布置。地表監(jiān)測點布置如圖6所示。

圖6 地表沉降監(jiān)測點布置

地表沉降斷面多，監(jiān)測量也很大，數(shù)據(jù)分析處理復(fù)雜，本文根據(jù)實際情況，以DK36＋994的橫斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，對施工期間的地表變形情況進行分析[11]。從圖7中可以看出該斷面地表沉降量最大的點為DK36＋994－04，表4列出了該點不同施工階段的變形情況。

圖7 地表沉降典型斷面歷時曲線

表4 地表沉降分析

從表4分析得出，實際施工期間左右導(dǎo)洞開挖引起的沉降量占總體沉降量的13.80%，而中導(dǎo)洞開挖和拆除臨時支撐引起的沉降量分別占總體沉降量的25.46%和47.65%[12]，說明中導(dǎo)洞開挖和拆除臨時支撐是大拱蓋法施工的關(guān)鍵工序，這與有限元分析的結(jié)果較為契合。因此，在臨時支撐拆除和中導(dǎo)洞施工時在加強支護的同時，也要加強現(xiàn)場監(jiān)測，做到監(jiān)測結(jié)果能夠?qū)崟r反饋，及時為后續(xù)施工提供參考。

6 結(jié)論

初支拱蓋法地鐵車站施工由于開挖斷面較大，會引起較大的各種變形，通過數(shù)值模擬對各開挖工序引起的變形進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了開挖優(yōu)化措施，取得了良好的效果，最終結(jié)合施工經(jīng)驗，形成以下結(jié)論:

(1)數(shù)值模擬可以在開挖之前提前獲取各開挖步序的關(guān)鍵點，為后期施工時對關(guān)鍵點的優(yōu)化和改進提供了可能，是地下工程施工之前可以有效預(yù)演施工過程的有力助手。

(2)縮短開挖進尺和增加初支剛度能夠有效地減少施工擾動，增加施工過程中周邊巖體的穩(wěn)定，在初支拱蓋法施工時采取該方法可以很好地控制施工變形，保障結(jié)構(gòu)安全。

(3)通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，拆除臨時支撐和開挖核心土體引起的地表累計沉降量占地表總沉降量的47.65%，施工中要格外加強控制。