地铁车站暗挖法施工中导洞开挖方案比较

2014-06-28霍润科

城市轨道交通研究 2014年11期

霍润科张曼黄佳

(1.西安建筑科技大学土木学院，710055，西安;2.山西省交通科学研究院，030000，太原∥第一作者，教授)

导洞开挖是地铁车站洞桩法施工的关键环节之一。目前国内学者对群洞开挖展开了各类研究，如文献［1］、［2］通过采用破损面积的概念评估群洞施工的最佳方案，提出了群洞施工力学的理论;文献［4］对相邻隧道施工的相互影响做了研究，探讨出相邻隧道相互影响的距离。

本文以北京地铁7号线双井站八导洞开挖为背景，利用大型有限元Ansys 软件模拟计算出2 种不同开挖方案中各个施工工序引起的地表沉降和土层扰动量，结合监测数据进行对比分析，推荐采用先开挖上导洞方案，这样可以有效地控制地表沉降和土层的扰动程度。

1 工程概况

1.1 工程背景

北京地铁7号线双井站位于广渠门外大街、广渠路与东三环中路交叉口东侧，7号线线路沿广渠路东西走向，站位周边建筑已经基本建成，多以高层建筑为主［5］。双井站采用地下两层双柱三跨的形式，采用暗挖法施工。车站主体长度237.60 m，标准段宽 23.10 m，总高 16.15 m，结构底板埋深约31.00 m，顶板覆土厚约13.99 m。现场地质勘测范围为58 m，采用现场勘查和室内土性测试，结果表明现场勘查范围内的土质情况分为3 大层:为人工堆积层(Qml)、第四纪全新世冲洪积层(Q4al +pl)、第四纪晚更新世冲洪积层(Q31al+pl)。

1.2 导洞概况

双井站设有8 个导洞，每个导洞截面长4.00 m，高5.00 m，上下间距7.75 m，左右间距 4.00 m，上排导洞距离地面14.18 m。采用超前管棚对拱部地层超前注浆预加固，管棚选用φ108 的热轧钢管，搭接6 m。钢管沿隧道开挖轮廓倾角2°～3°设置，环向间距300 mm，钢管内灌注水泥砂浆;管棚中间打设 φ42 超前小导管，外插角 10°～12°，长度 2.5 m，环向间距300 mm，纵向间距1 m，压注水泥—水玻璃双液浆;初期支护采用格栅钢架与网喷混凝土联合支护，喷层厚350 mm，格栅钢架纵向间距2 榀/m，钢筋网为 φ6.5 双层钢筋网，网格间距@ 150 mm，参见图1。

2 导洞开挖工序模拟

2.1 模拟假设

由于实际工程情况远复杂于模拟情况，因此采用部分假定:①将岩土体视为连续、均匀、各向同性介质，采用Drucker-Prager 屈服准则;②仅考虑围岩自重应力场，不考虑构造应力的影响;③不考虑地下水位影响和渗流影响。

图1 导洞横断面及监测点布置示意图

2.2 模拟工法设计

根据双井车站主体小导洞的实际情况，提出2 个方案:先开挖上导洞跳跃错挖法(方案一)、先开挖下导洞跳跃错挖法(方案二)。各方案的具体工序如下。

(1)方案一:先施工1号洞6 m 后及时支护，接着施工3号洞6 m 后及时支护，接着施工4号洞最后施工2号洞，各导洞掌子面纵向间距6 m;首排导洞全部施工完成后，先施工5号洞6 m 后及时支护，接着施工7号洞6 m 后及时支护，接着施工8号洞最后施工6号洞，各导洞掌子面纵向间距6 m。导洞施工使用上下台阶循环施工，相互错阶施工3 m。导洞施工流程为①-③-④-②-⑤-⑦-⑧-⑥。

(2)方案二:导洞的开挖进尺和开挖方式同方案一，导洞开挖顺序为⑤-⑦-⑧-⑥-①-③-④-②。

由于小导洞上方覆土厚度约为14.3 m，为了最大限度减小边界约束条件对计算结果的影响，数值模拟分析采用距模型纵截面中心-30 m 处目标面进行分析。

2.3 参数选取

根据实际勘察报告［6］，结合铁路隧道设计规范和隧道工程岩体分级［7-9］将土层分为五层围岩，围岩和支护的参数如表1所示。

2.4 建立模型

根据圣维南原理，模型采用3 倍开挖宽度范围，模型长120 m、宽60 m、高60 m，支护结构采用钢支撑，初衬按等效方法采用等效成混凝土。

表1 模型参数

3 模拟结果分析

由于整个模型较大，考虑到各方案导洞开挖工序较多，为了清晰地显示不同导洞开挖对地表沉降和地下管线沉降的影响，采用4 个关键施工点进行分析:①导洞1(导洞5)开挖至模型中部30 m;②上导洞(下导洞)完全贯通;③导洞5(导洞1)开挖至模型中部30 m;④导洞全部贯通。选取其中差别较大的模拟结果图，如图2 及图3所示。

从图2、图3 可以看出，两种方案模拟出的地表最大沉降都不在模型中线上，首排导洞开挖至中部时，方案一的最大沉降为2.89 mm，出现在距离模型中线-5.80 m 处;方案二的最大沉降为2.70 mm，发生在距离模型中线-4.00 m 处。首排导洞贯通时，方案一和方案二最大沉降点基本回归中线，最大沉降都发生在距离模型中线0.70 m 的位置，方案一最大沉降为9.96 mm，方案二最大沉降为8.27 mm。次排导洞开挖至中部，地表最大沉降点又发生了偏移，方案一最大沉降为12.70 mm，距离模型中线-0.70 m;方案二最大沉降为11.05 mm，距离模型中线-1.78 mm。次排导洞贯通时，导洞开挖完成后地表最大沉降点回归模型中线，方案一最大沉降为18.25 mm，方案二最大沉降为18.45 mm。提取两方案沉降槽数据绘制地表沉降对比图，如图4所示。

从图4 可以看出，采用不同的导洞开挖顺序地表沉降的变化规律不同，每一个开挖工序引起的地表最大沉降点出现的位置也不同。这与导洞的开挖先后顺序和导洞离地表距离有关。采用方案一先开挖1号导洞引起的地表最大沉降量离中心线的最大偏移为-5.8 m，采用方案二先开挖5号导洞引起的最大偏移量为-4.0 m，说明上导洞开挖对地表土层的影响程度要大于下导洞开挖。对比地表沉降对比图，发现方案一的地表沉降槽宽度要小于方案二，但是两种方案沉降槽宽度随着开挖步序的进行差别逐渐缩小。这说明采用方案一施工对土层的扰动范围小，有利于对地表沉降范围的控制。通过提取各施工阶段数据制作地表沉降统计表，如表2所示。

图2 上排导洞开挖至中部土体沉降图

图3 下排导洞开挖至中部土体沉降图

图4 地表沉降对比图

表2 各施工阶段不同施工方案地表沉降统计表

从表2 可以看出，首排导洞开挖占最终地表沉降的百分比，方案一为54.5%，方案二为44.8%。说明采用方案一施工时前期沉降大、后期沉降小，采用方案二施工时前期沉降小、后期沉降大。

4 现场监测数据分析对比

双井站车站导洞开挖实际采用的是方案一，现通过对比模拟和监测数据来分析模型的合理性。从双井桥开始纵向布设5 个主要监测断面，断面之间分为4 个小断面实施监控。车站横向监测范围为50 m，每个断面布设15 个监测点，其中车站中线左右两边15 m 范围内采用每3 m 布设一个监测点，同时在每个导洞上方布设一个监测点，在距离中线15 m范围外采用每5 m 布设一个监测点，具体监测点布设如图5所示。

图5 监测点对比分析图

根据现场监测实际情况，挑选监测数据完整的D4断面监测点纵向沉降值进行分析。由于结构是关于车站中线对称，本文选取L4、L1、M 3 个监测点数据进行分析。图5 中竖向表示导洞开挖通过断面的时间，分析如下。

(1)从图5a)中可知，L4监测点在1号导洞施工通过断面时引起的地表沉降量为7.60 mm，沉降速率最快，沉降量也为最大，从L4监测点的位置来看，监测点位于1号导洞正上方，对地表监测点沉降影响最大。3号导洞通过断面时，地表沉降量和沉降速率要远小于1号导洞。说明导洞开挖引起的最大地表沉降发生在导洞正上方的监测点，同时离导洞越远，导洞开挖引起的地表沉降越小。

(2)从图5b)中可以看出，在1号导洞和3号导洞开挖至断面时地表持续沉降，到4号导洞开挖时地表沉降量较小，在2号导洞开挖至断面时地表沉降量最大。从监测点布设图可以看出1号导洞和3号导洞关于L1监测点对称，2号导洞在L1监测点正下方，1号导洞和3号导洞开挖时地表沉降量分别为 3.32 mm、3.01 mm。1号导洞和 3号导洞对地表沉降的贡献基本上相同。2号导洞开挖时地表沉降量为5.13 mm，远大于1号导洞和3号导洞开挖引起的地表沉降，说明在1号导洞和3号导洞开挖所引起的土层扰动叠加区域内开挖2号导洞引起的地表沉降要远大于单独开挖导洞引起的地表沉降。

(3)从图5c)中可知，上排导洞开挖引起的地表沉降比下排导洞开挖引起的地表沉降要大。从图中可知，在2号导洞开挖之前，地表沉降曲线比2号导洞开挖后沉降曲线要陡峭，上排导洞开挖完成后地表沉降量为14.98 mm，下排导洞开挖完成后地表沉降量为8.89 mm。2号导洞和6号导洞的开挖对地表沉降的影响最大，从监测点布设图可以看出2号导洞和6号导洞都是在土层扰动区域，而且2号导洞引起的地表沉降要大于6号导洞，2号导洞开挖引起的地表沉降量为10.25 mm，6号导洞开挖引起的地表沉降量为5.37 mm。

(4)从图5 可以看出，上排导洞开挖经过断面时，现场监测数据和模拟分析数据的差异比较小，主要的差异大部分发生在下导洞的开挖，而且滞后导洞开挖引起的差异大于先前导洞开挖，说明在模拟中上排导洞开挖对土层扰动比较小，应力释放比较小。