浅埋暗挖地铁车站双侧壁导坑法施工数值分析

王德峰

(中铁二十三局集团第八工程有限公司，四川成都 610091)

1 工程概况

某地铁车站，采用双侧壁导坑法施工，临时中隔墙采用25 cm的C25喷射混凝土及长2.5 m，φ22普通砂浆锚杆支护，以Ⅰ20a支撑加强，钢支撑标准段每75 cm一榀，加强段50 cm一榀，临时型钢拱架纵向采用φ22钢筋连接，其环向间距1 m。拱部120°范围内设置双层φ42小导管，侧墙设单层φ42小导管。具体车站断面图如图1所示。隧道的施工步序为:1)左侧导洞上台阶开挖;2)左侧导洞上台阶施作初支及底板型钢横撑;3)右侧导洞上台阶开挖;4)右侧导洞上台阶施作初支及底板型钢横撑;5)左侧导洞中台阶开挖;6)左侧导洞中台阶施作初支及底板型钢横撑;7)右侧导洞中台阶开挖;8)右侧导洞中台阶施作初支及底板型钢横撑;9)左侧导洞下台阶开挖;10)左侧导洞下台阶施作初支;11)右侧导洞下台阶开挖;12)右侧导洞下台阶施作初支;13)核心土上台阶开挖;14)核心土上台阶施作初支;15)核心土中台阶开挖;16)核心土下台阶开挖;17)核心土下台阶施作初支;18)拆除支撑;19)二衬混凝土浇筑;20)内部梁、板、柱浇筑;每道工序的纵向间距不应大于6 m，并且应随开挖、随支护。为了有效模拟施工过程中的各个力学参数的变化，及时掌握施工的安全信息，运用有限差分软件对施工过程进行了数值模拟。

图1 某地铁车站双侧壁导坑法施工的断面图

2 计算平台及基本参数

本次三维数值模拟采用地层与结构共同作用的三维地层结构模型，计算平台为大型岩土工程专业有限差分软件Flac3D。地层、初期支护、临时支撑、二次衬砌，均采用实体单元来进行模拟。实体单元的内力状况由应力来表示。由于结构的三维复杂性，为了便于计算，抓住问题的主要矛盾，减少计算时间，提高计算效率，本次数值模拟对原结构模型进行了简化处理，不考虑排水固结问题，并采用荷载释放来体现开挖、支护等的物理力学过程，隧道开挖荷载释放10%，临时支撑荷载释放80%，最终二次衬砌释放10%。本次计算模拟的地层采用传统的摩尔—库仑理想弹塑性本构模型，混凝土衬砌采用弹性模型，根据已有的地勘报告，基本力学参数如表1，表2所示。

表1 地层参数

表2 混凝土结构参数

3 三维有限差分模拟计算

3.1 三维有限差分模型

整体模型总共66 340个节点，62 190个单元，边界条件为在模型底部竖向位移约束，前后、左右位移也约束，如图2所示。

3.2 计算结果

1)左上侧导洞施工完毕后的结果。从图3可以看出地层的最大位移约为12 mm，最大的地表沉降约为10 mm，在计算过程中，没有考虑地下水的渗流固结作用，以及假设施工过程中小导管注浆良好以及临时支撑施工质量效果良好。由图4，图5可以得出，初期支护的最大压应力约为1.6 MPa，最大拉应力约为0.2 MPa，处于安全可控范围之内。

图2 整体三维模型

图3 左上侧导洞开挖完后的整体沉降位移

图4 左上侧导洞开挖完后初期支护的最大主应力

图5 左上侧导洞开挖完后初期支护的最小主应力

2)右侧中导洞施工完毕后的结果。由图6可以得出:隧道的最大拱顶沉降约为12.8 mm，最大地表沉降约为11 mm，说明中导洞的开挖对地表位移的影响不大，位移处于可控状态。由图7，图8可以看出初期支护的最大压应力约为1.77 MPa，最大拉应力约为1.4 MPa，处于可控范围之内。

图6 右侧中导洞施工完毕后的整体Y向位移

图7 右侧中导洞施工后初期支护的最大主应力

图8 右侧中导洞施工后初期支护的最小主应力

3)下侧中导洞施工完毕后的结果。由图9可以得出:隧道的最大拱顶沉降约为16.5 mm，最大地表沉降约为14.5 mm，位移处于可控状态。由图10，图11可以看出初期支护的最大压应力约为4.3 MPa，最大拉应力约为0.5 MPa，说明应力状态进一步重分布了，并且处于可控范围之内。

图9 下侧中导洞施工完毕后的整体Y向位移

图10 下侧中导洞施工后初期支护的最大主应力

图11 下侧中导洞施工后初期支护的最小主应力

4 结语

浅埋暗挖地铁车站，因地层体积损失及排水固结的影响势必会引起既有路面的沉降变形或开裂，为了确保周边建(构)筑物和工程的安全，除在开挖掘进上采取必要的尽量减少地层沉降的措施外，非常有必要对地表沉降进行及时的监测，以及运用数值分析的手段掌握、评估当前施工的安全状态，并采取相应的预防措施，把安全事故杜绝在摇篮里。

［1］Kurihara K.Report on current shield tunneling methods in Japan.In Proceedings of the International Symposium on Underground Construction in Soft Ground，Underground Construction in Soft Ground，Fujita K，Kusakabe O(eds)，New Delhi，India.A.A.Balkema:Rotterdam，1995:111-114.

［2］朱川鄂，叶 敏.盾构隧道防水技术应用［J］.安徽建筑，2004，31(5):94-95.

［3］Nakajima S.New technology of shield tunnel(8).Ⅲ.design and construction section［J］.Tunnel and Undergrounds，1991，22(1):69-78.

［4］Lee，K.M，Ge，X.W.The equivalence of a jointed shielddriven tunnel lining to a continuous ring structure［J］.Canadian Geotechnical Journal，2001，38(3):461-483.

［5］孙宗军，范 涛，朱业飞.地铁区间隧道防水工程实践［J］.建筑技术，2005，36(2):131-132.