斜撑拆除对地表沉降和管幕竖向变形的影响分析

张 峻 铭

(沈阳地铁集团，辽宁 沈阳 110011)

1 概述

随着城市的快速发展，交通拥堵是急需解决的问题之一，而修建地铁等地下设施是解决这个问题的有效途径之一[1]。但随着地铁施工面临风险源的逐渐增多，在一些复杂地段下，传统改的暗挖工法已不能满足施工的需要[2]。

沈阳地铁某车站采用一种新型管幕工法结合洞桩法进行修建超浅埋暗挖车站。此工法是将带翼缘板的钢管顶入土体，然后对相邻钢管进行连接使其成为整体管幕结构，最后管幕的支护下开挖土体，形成主体结构[3,4]。在开挖管幕下方土体时，为了保持管幕的整体稳定性，在管幕的两侧架设斜撑。

本文以沈阳地铁某工程为工程背景，建立三维有限元模型，研究拆撑数对地表沉降和管幕竖向变形的影响规律，为后续施工提供工程经验。

2 有限元数值模型

2.1 模型建立

本文应用MIDAS软件建立模型并计算，考虑到隧道开挖3倍～5倍跨度的影响范围，本模型水平方向取80 m，竖向取40 m，开挖纵向取全部长度43 m，所以模型尺寸为80 m×43 m×40 m。模型中，水平向右为X轴正向，取车站开挖方向为Y轴正向，垂直地面向上为Z轴正向。本模型共有网格单元22 590个，节点24 800个。

计算模型外边界x=0,x=80和y=40四个垂直面仅约束边界面法向约束，平面内无约束；模型底部z=0仅约束法向位移，平面内无约束；模型上表面z=40为自由表面。力学计算模型、整体计算模型及支护结构模型网格，见图1，图2。

2.2 施工步序

结合Midas-GTS数值分析软件，根据现场施工真实情况采取下列计算步骤：

1)根据实际施工情况和试验得到具体参数建立模型，为安全起见，材料二的横向刚度按照0.5倍的折减；

2)激活所有单元，进行地应力平衡；

3)采取不拆撑情况下进行计算，此结果用来与拆撑的结果进行对比，得到拆撑对地面和结构的影响；

4)拆撑运算，得到具体结果。

3 模拟结果分析

3.1 拆除中间3根斜撑

根据对比得到:拆除右跨中间3根撑(11,12,13)，地面沉降方面，管幕在拆除中间3根斜撑下沉0.6 mm，纵向影响范围至临近的10号和14号斜撑，横向影响半个开挖面，但影响值微小可忽略不计，见图3。管幕沉降方面，拆撑后下沉1.4 mm；管幕水平位移方面，拆撑后变化值1.0 mm，见图4。

3.2 拆除中间6根斜撑

根据对比得到:拆除右跨中间6根撑，斜撑所在位置地表沉降下沉1.6 mm，纵向影响范围至进一步扩大，但影响值微小可忽略不计，见图5。管幕沉降方面，管幕在拆除中间6根斜撑沉降差值为2.4 mm；管幕水平位移方面，拆撑后变化值1.6 mm，见图6。

3.3 拆除中间9根斜撑

根据对比得到:拆除右跨中间9根撑，斜撑所在位置地表沉降下沉2.1 mm，纵向影响范围至进一步扩大，横向影响整个开挖面，见图7。管幕沉降方面，管幕在拆除中间9根斜撑沉降差值为3.0 mm，沉降范围明显增大；管幕水平位移变化值1.8 mm，见图8。

4 结语

本文通过建立三维有限元模型，对同时拆撑数对地表沉降及管幕变形的影响进行研究，得到随着拆除斜撑的数量增加，地面沉降和管幕沉降都逐渐变大。地表沉降最大值为2.1 mm；其中管幕沉降在拆除9根斜撑时变化值最大，下沉3.0 mm；考虑到管幕现场施工过程中的不可预见因素，为安全施工考虑，建议同时拆除6根斜撑作为一个施工步骤。

[1] 许有俊,聂鑫路,魏云杰,等.新建地铁车站上穿既有地铁结构的变形控制[J].地下空间与工程学报,2016,12(1):153-161.

[2] 杜 彬,谭忠盛,王梦恕.地铁车站洞桩法施工对地层及邻近桩基的影响规律[[J].北京交通大学学报,2008,3(32):30-36.

[3] 赵 文,贾鹏蛟,王连广,等.地铁车站STS新管幕构件抗弯承载力试验研究[J].工程力学,2016,33(8):167-176.

[4] 赵 文,姜宝峰,贾鹏蛟,等.STS管幕结合洞桩法修建地铁车站施工数值模拟研究[J].应用力学学报，2017,34(4):756-762.