十导洞CRD工法地铁风道结构流固耦合数值分析

孙明志，戴文亭，郝佰洲，武 皓

(吉林大学交通学院，吉林 长春 130022)

0 引言

随着我国城市规模的不断扩大，城市交通负担日益严重。城市轨道交通依靠其安全、快速、准时的优点，在改善城市交通环境、打造城市快速立体交通网络方面发挥着越来越大的作用。而地铁大多在城市中心区修建，不可避免地会对周围的道路、管线、建筑物、绿地及地面的各种设施造成影响。尤其是地铁车站的修建，地铁车站开挖范围大，施工步序多，频繁对地层进行扰动，会引起车站开挖一定范围的地层沉降［1－3］。

目前隧道开挖引起地层变形的计算方法大致有经验公式法、理论解析法、数值分析法、模型试验法、随机介质方法和神经网络方法等［4－5］。由于数值方法能考虑不同地层环境的变形、复杂的边界条件及施工工艺，所以数值分析法越来越广泛地应用于地下工程中。黄明利等［6］采用三维有限元方法对厦门海底暗挖洞口段CRD法施工的不同工序进行弹塑性数值模拟，分析各工序间变形分配比例和施工工序对沉降的影响。刘慧敏等［7］利用有限元软件ANSYS，优化分析了2种不同的导洞开挖及3种不同的拆撑顺序。但目前的研究大多针对四导洞或六导洞CRD工法进行计算，对于十导洞拱顶直墙CRD工法结构尚无具体的针对性分析。

本文依托长春地铁解放大路站十导洞CRD工法施工风道结构工程，在总结前人研究经验的基础上采用数值模拟与现场监测相结合的方法，确定最优化的导洞开挖顺序，并对整个施工过程进行风险预测，结合工程实践提出具体的改进措施。

1 工程概况

长春地铁解放大路站位于人民大街与解放大路交汇处，为地铁1号线和2号线换乘车站，在区间配有联络线和单渡线。解放大路站1，2，3，4号风道均采用十导洞CRD法施工，具体施工方案如图1所示。

图1 十导洞CRD风道施工顺序图Fig.1 Construction sequence of 10-pilot-heading CRD method

如图1所示，首先在竖井内施作超前管棚及超前小导管，注浆加固地层，先后开挖10个导洞洞室土体，施作初期支护及锁脚锚管，并根据现场情况及时封闭掌子面，各洞室纵向间距保持15 m左右。导洞完成后采用逆作法进行二次衬砌结构施工，分段凿除临时支撑，由下至上分别施作防水层，底板、中板及顶拱，完成二次衬砌浇筑。

工程范围内地层由第四系全新统人工填土层、第四系中更新统冲洪积黏性土和砂土、白垩系泥岩组成;地层存在3层地下水，第1层为孔隙性潜水，第2层为浅层承压水，第3层为岩石裂隙水，无稳定地下水位。

2 模型建立

数值计算分析采用 FLAC3D有限差分程序［8］。根据地质勘测结果，模型简化为4个土层，填土厚2 m，黏土层厚8 m，粗砂层厚2 m，最下为泥岩层。假定地表和各土层均匀水平分布，土体材料采用摩尔－库仑本构模型，混凝土材料采用弹性模型。导洞超前支护管棚和小导管注浆根据经验简化为2 m厚的注浆加固层。地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化，地应力场由自重应力自动生成。考虑空隙性潜水与浅层承压水的影响，两者相互联通，承压水主要由潜水补给。采用fluid流体模块与力学模块耦合分析整个施工过程，其中流体模块选择fl-isotropic均质流体模型进行计算，假定固体颗粒骨架是不可压缩的。含水层中取粘土渗透系数为3×10－8m/s、粗砂渗透系数为4 ×10－5m/s。

由于建模范围考虑到尺寸效应，两侧至少2倍风道宽度，所以整个模型取宽60 m，高40 m，纵向取45 m。模型力学边界上表面为自由表面，对其他5个表面进行法向约束，渗流边界将模型侧方边界孔隙压力固定。具体模型如图2所示。

图2 CRD风道模型图Fig.2 Model of ventilation passage constructed by CRD method

依据勘测单位提供的土工实验数据及原位实验结果，并结合本地经验，确定材料如表1所示。

表1 模型参数Table 1 Model parameters

3 结果分析

3.1 CRD 风道导洞开挖顺序研究

在工程实践中，十导洞CRD工法施工风道结构较为常见的导洞开挖顺序有2种，如图3所示。

图3 不同开挖顺序导洞施工方案Fig.3 Sequence of pilot heading

3.1.1 地表沉降

参照实际地表沉降监测点布置情况，以模型中间断面为基准选择10个地表沉降监测点，各监测点位置布置情况如图4所示。

图4 地表监测点布置图Fig.4 Layout of ground surface monitoring points

导洞开挖完成时地表沉降对比如图5所示。

图5 导洞开挖完成时地表沉降对比图Fig.5 Curves of ground surface settlement when pilot heading is completed

分析图5可知，方案2地表沉降整体上较方案1大，与方案1相比，方案2开挖中轴线位置地表沉降要大10%，距离中轴线较远处2方案地表沉降值更为接近。

3.1.2 地表最大沉降历时变化

选择地表最大沉降值点作为分析点，2方案中轴线地表沉降最大值点的沉降历时变化如图6所示。

图6 地表最大沉降值点沉降历时对比图Fig.6 Time-dependent ground surface settlement at the point with the maximum settlement

分析图6可知，相对于方案1，方案2在2号导洞开挖支护时，地表最大沉降值增加很快，对上部土体的造成的扰动较大，这在一定程度上削弱了土体的抗变形能力，造成后序的施工步骤引起的沉降也相应增大，使方案2的各沉降值均大于方案1的沉降值。

3.1.3 侧壁水平收敛

由于风道结构高跨比较大，风道结构中下部边墙会受到较大的侧向土压力的影响，所以在开挖风道结构内部土体时，会产生比较明显的向内水平位移，甚至比竖向位移更需要得到重视。在风道结构周围布置18个水平位移监测点，监测点布置图如图7所示。

图7 水平位移监测点布置图Fig.7 Layout of horizontal displacement monitoring points

当10个导洞开挖完成时，水平相对的2个监测点均向风道内部偏移。考虑到2个方案的不同导洞开挖顺序，选取十导洞开挖完成时，水平相对的2个监测点整体水平收敛值进行对比分析。2方案的各监测点水平收敛对比如图8所示。

分析图8可知，风道结构上方的7个位置处的监测点水平收敛是方案1优于方案2，风道结构下方的2个位置处的监测点水平收敛是方案2优于方案1。

图8 不同埋深处各监测点侧壁水平收敛对比图Fig.8 Horizontal convergence at monitoring points at different depths

3.1.4 土体塑性区分布

图9为2种方案导洞开挖完成时塑性区分布。

图9 2种方案塑性区分布Fig.9 Distribution of plasticized zone

分析图9可以看出，与方案1相比，当10个导洞开挖完成后，方案2洞室周围土体的塑性区分布范围要大一些。

3.1.5 水平应力和竖向应力

选择图7所示的监测点17和监测点18作为分析点1和分析点2，不同的开挖顺序时水平压应力图和竖向压应力图如图10和图11所示。

分析图10和图11可知，与方案1相比，当10个导洞开挖完成后，方案2在分析点1和2处的水平压应力较大，而当10个导洞开挖完成后，2个方案在分析点1和2处的竖向压应力相差不大。

综合分析以上数据，在控制地表沉降、侧壁收敛及土体塑性区分布上，方案1要优于方案2，水平应力比较方案1也要优于方案2，只有从竖向应力比较方案2略优于方案1，所以根据对比结果综合考虑，导洞开挖顺序应优先选择方案1。

图10 水平压应力对比图Fig.10 Horizontal stress

图11 竖向压应力对比图Fig.11 Vertical stress

3.2 CRD风道施工过程模拟研究

3.2.1 沉降分析

图12为风道整体完成竖向沉降云图。

图12 CRD风道整体完成竖向沉降云图Fig.12 Contour of vertical settlement of ventilation passage constructed by CRD method when the construction is completed

图13为通过数值模型计算后，典型监测断面施工各阶段地表沉降的变化情况。

施工完成后中轴线最大沉降点沉降值达到60.3 mm，CRD风道10个导洞开挖完成时该点沉降值为35.1 mm，与实际监测数据吻合(目前工程已完成10个导洞开挖，10导洞完成各断面实际监测数据显示最大地表沉降值为32～37 mm)，10导洞完成时地表沉降大约占总沉降值的58%。

底二次衬砌施工时会先破除底部初期支护，此工序引起极大的受力转换，该工序完成时地表最大沉降值达到54 mm，较上一步增加18.9 mm，占总沉降量的31.3%。可见，拆除底部初期支护要采取相应的加强措施，建议底初期支护拆除完成后及时换撑，换撑可选用工字钢，1.5 m一道，同时加强拱顶注浆，及时监测反馈施工。后序的二次衬砌施工引起的变化比较小。

图13 施工各阶段地表沉降曲线图Fig.13 Curves of ground surface settlement in different construction stages

3.2.2 水平位移分析

图14为CRD风道整体完成时水平位移云图。

图14 CRD风道整体完成时水平位移云图Fig.14 Contour of horizontal displacement of ventilation passage constructed by CRD method when the construction is completed

根据计算得到数据，做出风道结构收敛变化历时曲线如图15所示。

由图15数据分析可知:

1)导洞全部开挖完成后，由于土体的开挖引起风道两侧的土体向内侧收敛移动，最大水平收敛出现在监测点15和16之间，达到38.6 mm，由于土压力的作用，风道下层的水平收敛要大于上部。

2)拆除底部初期支护，施作二次衬砌结构，风道侧壁失去水平初期支护的支撑会发生较大的向内侧收敛，风道水平监测点13和14向内侧收敛达到45.7 mm，较导洞开挖完成时增长了39%，变形较大。所以此过程需要严格控制每步的开挖距离，增加临时横向支撑结构。

图15 风道水平收敛历时曲线Fig.15 Time-dependent curves of horizontal convergence of ventilation passage

3)中板施作结束后下方二次衬砌形成了封闭结构，中板下侧水平收敛基本稳定。

4)顶部二次衬砌施工时拆撑部位水平位移变化明显，监测点1和2间水平收敛达到34.5 mm，较拆撑前增加78%;监测点3和4间水平收敛达到39.8 mm，较拆撑前增加80%;监测点5和6间水平收敛达到42.5 mm，较拆撑前增加57%。此阶段拆撑位置水平收敛明显增加，需要特别注意，增加临时支护，减小施工步距。已经施作二次衬砌的结构处水平位移稍有增加，风道结构整体完成后，最大水平收敛发生在监测点13和14之间，达到52.6 mm，较上一阶段增加2.7%，基本处于稳定状态。

4 现场监测数据与模拟结果对比

4.1 监测点布置情况

测点布置是以满足现场安全管理管理和监控为前提，在保证施工监测与第三方监测同点同时段监测的基本要求下，综合施工图监测设计、第三方监测设计图优化而成。地表沉降各监测点断面布置如图4所示，每隔5 m布置1个监测断面。

4.2 监测值与模拟值对比

本工程已经完成10个导洞开挖，地表沉降现场监测数据与模拟数据对比如图16所示。

图16 10个导洞开挖完成地表沉降监测值与模拟值对比图Fig.16 Measured ground surface settlement when pilot heading is completed Vs simulated values

由图16可知，风道结构导洞开挖支护完成地表沉降曲线数值模拟值与实际监测数据基本吻合，同样，侧壁收敛监测数据与模拟结果也较为吻合。表明前文对导洞开挖顺序研究的正确性，也为后续对拆撑施作二次衬砌结构的风险预测提供了支持。

5 结论与讨论

5.1 结论

以长春地铁解放大路站十导洞CRD法地铁风道为工程背景，采用FLAC3D数值模拟与现场实测相结合的方法，得出以下结论:

1)对比分析2种不同的导洞开挖方案，最终得出本文4.2节方案1为最优的导洞开挖方案。

2)施工完成后中轴线最大沉降点沉降量达到60.3 mm，CRD风道10个导洞开挖完成时该点沉降值为35.1 mm，与实际监测数据吻合。

3)拆除底层初期支护施工底板二次衬砌为该工法的薄弱环节，建议底初期支护拆除后及时换撑，换撑可选用工字钢，每1.5 m布置一道，同时加强拱顶注浆，及时监测反馈施工，可保证工程安全有序进行。

4)风道结构整体完成后最大水平收敛达到52.6 mm，下侧的水平收敛要大于上侧，拆除临时仰拱时会另临近侧壁产生较大的水平收敛，建议拆除临时仰拱时要及时换撑，要减小风道结构下侧每段破除支护距离，增加下侧临时水平支撑数量。

5)从目前的施工效果看，此工法可以较好地适应长春地层环境，具有一定的推广价值。

5.2 讨论

1)本研究计算内容并没有考虑工前的降水作业，现场监测数据显示降水过程后地表沉降可达到1 cm以上，后续的研究应考虑得更加全面来使计算更接近于实际。

2)对于工后沉降目前还没有系统完善的研究，而工后沉降是地铁工程运营过程中发生的，这方面的工作具有重要意义。

［1］ 施仲衡.地下铁道设计与施工［M］.西安:陕西科学技术出版社，1997.(SHI Zhongheng.The underground railway design and construction［M］.Xi’an:Shanxi Science and Technology Press，1997.(in Chinese))

［2］ 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.(WANG Mengshu.The general theory of shallow-cover mining method in underground engineering［M］.Hefei:Anhui Education Press，2004.(in Chinese))

［3］ 崔小鹏，孙韶峰，王广宏，等.CRD工法及三台阶七步开挖工法的对比和改进［J］.隧道建设，2010，30(2):131 －133.(CUI Xiaopeng，SUN Shaofeng，WANG Guanghong，et al.Comparison and contrast between CRD excavation method and 3-bench 7-step excavation method and their optimization ［J］.Tunnel Construction，2010，30(2):131 －133.(in Chinese))

［4］ 李新军.武汉长江一级阶地铁深基坑渗流应力耦合研究［D］.成都:西南交通大学土木工程学院，2010.(LI Xinjun.Seepage and stress coupling research of deep subway foundation pit at Wuhan first YANGZE river’s terrace［D］.Chengdu:School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，2010.(in Chinese))

［5］ 韦京.复杂环境条件下PBA工法地铁车站结构和施工方案优化研究［D］.北京:北京交通大学土木建筑工程学院，2013.(WEI Jing.The study of optimization of structure and construction schemes of subway station excavated by Pile-Beam-Arch method under complex environmental conditions［D］.Beijing:School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，2013.(in Chinese))

［6］ 黄明利，徐恒国，张树利.CRD法施工工序对沉降的影响模拟分析［C］//隧道、地下工程及岩土破碎理论与应用:隧道、地下工程及岩石破碎学术研讨论文集.洛阳:中国土木工程学会隧道及地下工程分会，2007.(HUANG Mingli，XU Hengguo，ZHANG Shuli.Simulation analysis of construction process of settlement of CRD method［C］//Theory and Application of Tunneling，Underground Engineering and Rock Fragmentation:Paper Compilation on Theory and Application of Tunneling，Underground Engineering and Rock Fragmentation.Luoyang:Tunnel and Underground Works Branch of China Civil Engineering Society，2007.(in Chinese)

［7］ 刘慧敏，赵月，吴波.CRD法不同施工工序的比较与分析［J］.隧道建设，2005，25(5):6 －14.(LIU Huimin，ZHAO Yue，WU Bo.The comparison and analysis of different construction process in CRD method［J］.Tunnel Construction，2005，25(5):6 －14.(in Chinese))

［8］ 彭文斌.FLAC 3D实用教程［M］.北京:机械工业出版社，2007.(PENG Wenbin.FLAC 3D practical course［M］.Beijing:China Machine Press，2007.(in Chinese))

［9］ 白明洲，许兆义，时静.复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车站施工期地面沉降量FLAC3D分析［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(S2):4254 － 4260.(BAI Mingzhou，XU Zhaoyi，SHI Jing.Under complicated geological conditions the shallow tunnel of the subway station construction ground subsidence analysis by FLAC3D［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(S2):4254 －4260.(in Chinese))

［10］ 宋建，樊赟赟.复杂条件下地铁车站施工关键技术［J］.现代隧道技术，2012，49(1):143 － 147.(SONG Jian，FAN Yunyun.Key construction technologies for a subway station under complex conditions［J］.Modern Tunnelling Technology，2012，49(1):143 －147.(in Chinese))

［11］ 邱浩浩.铁路隧道CRD法施工引起的地表变形及其监控量测研究［D］.长沙:长沙理工大学土木与建筑学院，2010.(QIU Haohao.Researchongroundsurface deformation induced by CRD method in railway tunnel and its monitoriong［D］.Changsha:School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University ofScience ＆Technology，2010.(in Chinese))