北京地铁区间开挖工法的可行性研究

冀少鹏，葛克水，孙立超，陈　松

（1.中国地质大学<北京>工程技术学院，北京100083；2.北京筑信达工程咨询有限公司，北京100043）

北京地铁区间开挖工法的可行性研究

冀少鹏*1，葛克水1，孙立超2，陈松1

（1.中国地质大学<北京>工程技术学院，北京100083；2.北京筑信达工程咨询有限公司，北京100043）

开挖工法的选择对控制浅埋地铁隧道引起的地表沉降起着重要的作用。以北京地铁14号线某地铁站区间为依托，运用工程实际参数，结合有限元分析软件Midas/GTS对地铁区间开挖进行数值模拟，通过比对地表沉降实测结果与模拟结果，明确数值模拟具有重要参考价值，进而对台阶法、核心土法、导坑法3种方法进行模拟，通过对施工完成后地表测点的沉降数据、变形曲线的对比分析，明确不同开挖工法对地表沉降影响的差异，为后续工程提供参考和借鉴。

浅埋暗挖；数值模拟；开挖方法

1　概述

随着城市化进程的加快，地铁建设已经成为缓解城市压力的一种重要手段。经过多年的工程实践，北京已经完成了多条地铁线路的建设，很大程度上改善了人们的工作和生活。但是由于城市地下工程复杂的地质条件、种类繁多的施工工艺、复杂的围岩与支护相互作用等原因，使得施工方法的选择起着越来越重要的作用。本文根据北京地铁14号线某区间段的实际施工情况，通过Midas/GTS有限元分析软件分别对台阶法、核心土法、导坑法3种不同开挖工法进行模拟分析，通过对模拟结果的对比讨论，分析不同开挖工法对地表沉降影响的差异，提出减小沉降的具体措施，为后续工程实践提供一定的参考价值。

2　工程概况

北京地铁14号线某车站为北京市轨道交通重点线路上的大型换乘车站，主体采用双柱三跨拱形结构，采用上下8导洞的开挖方式，两换乘站呈“T”型换乘，共设1、2号2条换乘通道。区间左线起止里程：左K14+ 504.386～K15+043.934，区间长度539.548m；区间右线起止里程：右K14+504.386～K15+043.934，区间长度539.548m；区间隧道覆土16.1～24.6m，采用矿山法施工。区间中部右K14+681.000处设置施工竖井及横通道，施工过程中由横通道双向开挖，站端设置迂回风道及人防段。区间沿线需下穿2处人行天桥及Ø500mm中压燃气、Ø500mm高压燃气、Ø1000mm上水、Ø600mm上水等大型市政管线。

3　工程、水文地质条件

本工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层（Qm）l、第四纪全新世冲洪积层（Q4al+pl）、第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl）3大层。区间隧道穿过的土层为中粗砂⑤1层、粉质粘土⑥层、粉土⑥2层、粘土⑥1层、圆砾卵石⑦层、中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层。隧道围岩分级为Ⅵ级，主要土层参数见表1。在本次勘察深度范围内，未见上层滞水，但由于大气降水、管道渗漏等原因，沿线不排除局部存在上层滞水的可能性。勘查结果显示，地下水主要类型为潜水和承压水。

4　数值模拟

表1　主要土层参数

根据实际施工参数，利用有限元分析软件Midas/ GTS建立模型，选取埋深16.1～24.6m的区间段为研究对象。模型整体高度50m，模型区间开挖长度为60m，上边界为地表面，下边界为3倍洞室跨度，左右线洞距为实际洞室间距。上边界为自由边界，侧面限制水平位移，模型底部限制垂直位移，模型网格如图1所示。洞室开挖方向上10m、20m处设置断面一、二，每个断面各设13个监测点，断面一测点编号为DB-01～DB-13，断面二测点编号为DB2-01～DB2-13，测点布置如图2所示。

土层、衬砌的参数为施工实际参数，区间正线开挖过程中，隧道拱部采用超前小导管注浆加固地层，超前小导管规格为DN25×3.25水煤气管，长为2m，纵向间距为0.5m，环向间距为0.25m或0.3m，锁脚锚杆为DN25×3.25水煤气管，长为2m，对于超前支护，数值模拟采用适当调整围岩c、φ值来等效。

图1　模型网格划分

5结果分析

图2　测点布置图

5.1工程实测数据与模拟结果的对比分析

区间正线的实际开挖方法为核心土法，通过实测数据与模拟结果的对比分析，验证数值模拟的可参考价值，为后续3种不同开挖工法的模拟分析奠定基础。区间正线开挖过程中，左线先开挖，左、右线开挖错距15m。取断面一为研究对象，断面一测点沉降数据表如表2所示，沉降曲线图如图3所示。

由数据表及曲线图可知，在左线先开挖过程中，最大沉降量发生在左线拱顶对应地表测点DB-05，断面一模拟曲线与实测曲线变形趋势基本相同。测点DB-05对应模拟沉降值为5.912mm，实测沉降值为8.217mm，沉降差为2.305mm，是沉降变化最大位置，洞室两侧随着距开挖洞室距离的增大，开挖对土体的扰动减小，沉降差呈减小趋势，沉降差产生的原因主要是由于实际施工过程中影响因素较多，如施工中降水、开挖进尺较长、施工过程中没有及时施作初期支护、洞室的开挖没有及时封闭成环、测量中交通对测量精度的影响等原因造成的。由于左右线洞室间距为1.4倍洞径，为近间距隧道，区间双线开挖时，洞室周围土体的扰动会相互叠加，开挖完成后，取断面二为研究对象，断面二测点沉降数据表如表3所示，沉降曲线图如图4所示。

表2　断面一沉降数据表

图3　断面一沉降曲线图

表3　断面二沉降数据表

由数据表及曲线图可知，近间距隧道施工完成后，由于左右线开挖对隧道中间土体影响的相互叠加，沉降槽曲线不是双峰沉降槽曲线，而是单峰沉降槽曲线。双线开挖过程中，最大沉降量由左线拱顶对应地表测点DB2-05逐渐向右移动，开挖完成后，最大沉降位置为两隧道中线偏左的DB2-06点，主要是由于受到左线先开挖的影响。模拟曲线与实测曲线的横向变形趋势近似相同，DB2-06测点对应的沉降差最大，模拟沉降值为14.884mm，实际测量值为18.513mm，沉降差为3.639mm，测点对应沉降值均满足规范要求。DB2-06测点两边沉降差有减小趋势，由于曲线的变形趋势基本相同，沉降差变化范围较小，说明数值模拟有重要的参考价值。

5.2不同开挖工法的对比分析

模拟区间的开挖方法分别为：台阶法、核心土法、导坑法，3种方法的开挖工序如图5所示，模拟开挖工序与实际施工工序保持一致。取断面二为研究对象，开挖完成后，断面二对应的沉降数据表如表4所示，沉降曲线图如图6所示。

根据断面二不同开挖工法对应的沉降数据表及沉降曲线图可得如下结论：

（1）由于该地铁区间隧道为近间距隧道，区间双线开挖过程中，3种开挖方法对应的断面沉降槽曲线均为单峰状，说明沉降槽曲线的形式主要受隧道间距的影响。沉降最大点为左右线中间位置偏左的DB2-06测点，主要是由于左线先开挖，周围土体较先受到扰动引起的，所以在左线开挖过程中要加强监测，通过缩短开挖进尺、合理注浆施工、及时封闭成环等措施来控制周围土体变形及地表沉降。

图4　断面二沉降曲线图

图5　不同开挖方法施工工序图

表4　断面二模拟沉降数据表

图6　断面二模拟沉降曲线图

（2）从图6中可以看出，导坑法开挖引起的地表沉降最小，台阶法开挖引起的地表沉降最大，核心土法开挖引起的地表沉降介于导坑法和核心土法之间。3种开挖方法对应地表沉降最大测点DB2-06的沉降值分别为：导坑法为10.632mm，核心土法为14.884mm，台阶法为27.532mm。地表沉降最大位移处，核心土法开挖引起沉降是导坑法的1.40倍，台阶法开挖引起的沉降是导坑法的2.59倍，台阶法开挖引起沉降是核心土法的1.85倍。最大沉降测点DB2-06两侧，随着扰动影响的减弱，3种开挖方法引起的沉降差呈减小趋势。

（3）对于软弱地层，导坑法和核心土法能够有效的控制了地表的沉降，导坑法开挖将开挖断面分为3个小型断面，拱部开挖后，及时施作支护结构能够有效地控制了拱部土体的变形，临时支撑的施工能够使小断面及时封闭成环，有效地减小拱顶和侧墙的变形。对于核心土法，环形土体开挖后拱顶支护结构控制拱顶沉降，预留核心土抑制了土体对掌子面的应力作用，减小掌子面的变形，下台阶土体不仅对掌子面的变形起到抑制作用，而且对洞室侧壁土体的变形起到抑制作用。对于该工程对应的软弱土层，台阶法施工地表最大沉降为27.532mm，由于数值模拟结果略小于实际施工引起的沉降结果，台阶法实际施工中引起的地表沉降很可能大于设计值30mm。所以，对于该工程台阶法建议谨慎使用。导坑法和核心土法引起的最大沉降量明显小于设计值30mm，理论上都可以应用，但是导坑法施工成本较高、进度较慢、洞室开挖后期导坑拆除困难、工序复杂、工期延长、施工成本进一步增加。相比较而言，核心土法不仅工序简单，施工进度较快，而且成本较低。所以，对于该工程，区间正线的开挖推荐使用核心土法。

6　结论

本文利用有限元软件Midas/GTS模拟实际施工工况并与实际测量数据进行对比分析，所取断面处的模拟横向变形趋势与实际变形趋势基本相同，沉降差较小，说明数值模拟具有重要参考价值，沉降差主要是由于施工过程中降水、台阶开挖进尺较长、开挖后没有及时支护等原因引起的。根据对3种工法的模拟分析，由于模拟沉降值小于实际沉降值，台阶法开挖引起的实际地表沉降很可能大于控制值30mm，所以要谨慎使用。导坑法和核心土法都可以有效地控制洞室周围土体的变形及地表的沉降。导坑法成本较高，工序繁琐，工期较长，核心土法成本较低，工序简单，进度较快。

综上所述，建议该工程的开挖方法为核心土法。对于沉降要求严格的部位，施工过程中可以采取减小开挖步长、及时施作支护、合理注浆、尽早封闭成环等措施来有效控制洞室周围土体变形和地表沉降。

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U455.4

A

1004-5716（2016）01-0191-04

2015-09-01

冀少鹏（1988-），男（满族），河北张家口人，中国地质大学（北京）工程技术学院在读硕士研究生，研究方向：地下建筑设计与施工。