地铁车站暗挖施工结构力学行为研究

焦仁杰

（中铁十八局集团轨道交通工程有限公司，天津 300222）

地铁车站施工应根据隧道断面大小、断面形状、隧道埋深、地质情况、地下水情况等选择最优的施工方法和开挖顺序，减少开挖对地层的扰动和导洞施工过程中的相互影响。一次扣拱暗挖逆作法作为一种新的地铁车站施工方法，该方法相对PBA工法减少了施工环节，及早形成了完整、稳定的主要受力结构，减少了施工过程中结构的受力转换次数和施工对地层的扰动，提高了作业效率和施工质量。

一次扣拱暗挖逆作法是将车站主体结构分10个导洞进行开挖施工，而主体导洞施工采用则CD法或双侧壁导坑法，导洞的大小对导洞应力、应变的影响较大，合理的导洞大小能有效的控制地表沉降变形［1］。而合理的开挖形式则能有效降低地表沉降和减小对建筑物损害，开挖形式的确定要根据实际工程条件不同而定。在确定导洞的开挖大小后，模拟实际的地层环境下开挖施工过程，综合地表沉降变形的影响及工程造价多方面因素最终确定最优的导洞开挖形式。本文以某地铁车站一次扣拱暗挖逆作法施工为依托，在确定导洞的开挖大小后，模拟实际的地层环境下开挖施工过程，综合地表沉降变形的影响及工程造价多方面因素，最终确定最优的导洞开挖形式［2］。

1 工程概况

某地铁车站主体为岛式站台，有效站台宽14.5m，为标准双层、三跨拱顶直墙结构，采用一次扣拱暗挖逆作法施工，暗挖主体车站总长191m，净宽21.8m，车站从西向东设有2‰的下坡，车站覆土为8.8～9.8m，车站底板埋深为24.77～25.77m。

2 导洞开挖研究分析

车站主体导洞施工采用CD法和双侧壁导坑法，根据隧道断面大小、断面形状、隧道埋深、地质情况、地下水情况等选择最优的施工方法和开挖顺序，减少开挖对地层的扰动和导洞施工过程中的相互影响。

（1）导洞大小的确定。

导洞的大小是浅埋暗挖逆作法施工前首要确定的因素。导洞的大小对导洞应力、应变都有很大的影响，合理的导洞大小能有效控制地表沉降变形。本次实际工程解放大路车站设计：上部导洞横跨长度为10.8m，高度为6m；下部导洞横跨长度为10.6m，高度为6m。

（2）导洞开挖形式确定。

目前导洞开挖的形式有多种，包括CRD法、CD法、双侧壁法等，合理的开挖形式能有效降低地表沉降和减小对建筑物损害，开挖形式的确定要根据实际工程条件不同而定。在确定导洞的开挖大小后，模拟实际的地层环境下开挖施工过程，综合地表沉降变形的影响及工程造价多方面因素最终确定最优的导洞开挖形式［3］。根据车站施工环境及地层条件，设计导洞开挖采用：上部导洞开挖采用CD工法，下部导洞开挖采用双侧壁法。

（3）导洞开挖工序分类。

为方便分析，本次研究选择典型的4种开挖工序：工序1：先开挖上导洞，后开挖下导洞（对称开挖）；工序2：先开挖上导洞，后开挖下导洞（不对称开挖）；工序3：先开挖下导洞，后开挖上导洞（对称开挖）；工序4：先开挖下导洞，后开挖上导洞（不对称开挖），见图1。

图1 各工序示意图

（4）加固措施。

本次工程土体加固措施分为超前预支护、初级支护、二次衬砌、灌注桩等支护形式。在开挖施工前在岩土内置入超前小导管和超前大管棚进行土体预加固；在导洞开挖过程中边开挖边支护，采用钢格栅和喷射混泥土的初期支护；二次衬砌采用钢筋混泥土，并设置防水层；另外车站开挖土体周围设置灌注桩，主要承受开挖过程中周围土体的侧压力和下层土体的上拱应力。

3 建立模型

本模型采用MIDAS/GTS三维实体单元进行模拟。模型长度为100m，高度为50m。模拟地层共分为4层，其中杂填土厚度为1.2m，粘土层厚度为14m，粗砂为3.4m，泥岩层厚度为34.8m。地层土体本构模型均采用摩尔-库伦［4］，导洞初期支护（喷射混凝土）采用弹性本构模型，喷混厚度取0.35m，材料参数取值见表1。模型总共划分了7122个节点，共4553个单元，见图2。

图2 计算模型图

4 计算结果分析

4.1 地表沉降值对比分析

由计算结果可得4种工序引起地表沉降规律基本相同。地铁开挖轴线正上方地表沉降量最大，随着距开挖轴线的距离增大，沉降量越来越小，最终形成一个地表沉降槽。图3为工序1施工引起地表沉降的计算云图。4种工序开挖引起的地表沉降曲线见图4。

图3 先上后下对称开挖地层最终沉降云图

图4 4种工序开挖引起地表沉降曲线图

根据计算结果可以看出：先开挖下部导洞时地表最终沉降量普遍略大，先开挖上部导洞与先开挖下部导洞的沉降最大值相差在5.0mm左右。地下施工对地层产生的扰动是引起地表变形和地层应力场重新分布的根本原因。当先开挖上部导洞时，产生对岩体的第一次扰动，在完成支护结构后，洞内就会形成一个封闭的保护结构，再开挖下部导洞时，支护结构的保护能避免或者大幅度减小对岩体的第二次扰动；当先开挖下部导洞时，对岩体产生第一次扰动，再开挖上部导洞时，又会对岩体产生第二次扰动，这样对岩体应力场和地层应变都产生了2次影响，增大了地表沉降变形。

由图4可知，车站导洞开挖时对称开挖和不对称开挖对地表沉降的影响差异不大。但研究分析对称开挖时，导洞距离较远，减小了相邻导洞开挖带来的相互影响，对洞内施工和地层扰动都有积极有利的效果，并且能有效的控制地表沉降。综合考虑，在一次扣拱暗挖逆作导洞施工中，“先上后下，对称开挖”是对控制地表沉降最优的方案。

4.2 土体加固影响分析

为研究分析开挖前加固土体对控制地表沉降的影响，本文模拟了开挖前不加固土体的情况，通过分析2种情况下的地表沉降值，进而研究开挖前加固土体对控制地表沉降的影响。本次研究采用工序1（先上后下，对称开挖）的开挖顺序［5］，并且开挖前对土体不采取加固措施进行模拟。图5为开挖前不加固土体情况下模拟计算的地表沉降云图。工序1在土体加固和不加固土体时最终地表沉降对比见图6。

图5 不加固土体先上后下对称开挖引起地表沉降云图

图6 加固土体和不加固土体时地表沉降对比图

由图6可以明确看出，超前支护对地表沉降的影响很明显。在开挖导洞前施做管棚和小导管注浆等超前支护时，地表最大沉降值为56.963mm；在开挖导洞前不加固土体情况下，地表最大沉降值达到101.775mm。加固土体后开挖引起的地表沉降值减小了44.812mm，减小约44%。说明开挖导洞前对土体采取预支护对控制地表沉降有明显的效果，由此可见在浅埋暗挖法中采用预支护的重要性。

4.3 数值模拟数据与实际监测数据比较分析

本文根据工程实际，在计算模型上选取相应位置分析点作为数值模拟监测点，进而与实际监测点进行对比分析（见图7）。

图7 数值模拟与实际监测数值对比图

从数值模拟结果与实际监测结果的对比来看，模拟计算结果偏大，但两者在地表沉降数值大小差距不大及整体趋势均基本一样，因为数值模拟考虑的情况较为理想，所以沉降曲线沿着中轴线对称，而实际工程较为复杂，沉降数据要离散一些，实际监测数据也验证了数值模拟的正确性。

5 结束语

导洞开挖顺序的选择是影响车站整个施工过程中地表沉降的重要因素。经过对某地铁车站主体导洞开挖顺序进行数值模拟分析，得出结论：工序1为车站主体导洞开挖最优方案，即：先开挖上导洞，后开挖下导洞（对称开挖），上部导洞开挖采用CD工法，下部导洞开挖采用双侧壁法。开挖导洞前用超前小导管和管棚对土体进行加固，能更好的控制地表沉降。

［1］ 黄美群. 一次扣拱暗挖逆作法修建地铁车站新技术［J］. 都市快轨交通，2009，22（6）：66-71.

［2］ 黄美群. 地铁十字交叉换乘车站全暗挖同步建造技术［J］. 都市快轨交通，2010，3.

［3］ 李松梅. 北京黄庄换乘站新型暗挖施工地表沉降综合控制技术［A］. 中国土木工程学会第十五届年会暨地铁工程分会第十七届年会论文集［C］，2012.

［4］ 苗春刚. 一次扣拱暗挖逆作法导洞施工步序调整模拟分析［A］. 技术探讨，2015，6（17）.

［5］ 李春奎. 长春地铁1号线解放大路站一次扣拱暗挖逆作法施工地表沉降分析与控制［J］. 隧道建设，2014，3（3）.