五里店地铁车站施工稳定性研究

发军

（1.中建四局土木工程有限公司路桥分公司，深圳 518052）

0 引言

五里店站为明暗挖结合的地下换乘车站，总长215.4m，其中暗挖段长度139.4m，明挖段长度76m，站台宽13m。暗挖段拱顶埋深约10.2m～12.48m，单拱大断面，复合式衬砌，暗挖段按照Ⅳ级围岩进行设计，采用双侧壁导坑法施工，复合式衬砌，隧道断面开挖宽度25.56m，开挖高度20.27m，断面面积433m2。

五里店站暗挖段拱顶埋深约为10.2m～12.48m，属于浅埋隧道，洞口段15m 范围内洞身拱部为土层，施工过程中存在坍塌或者冒顶的风险，预留核心土解除过程中，可能存在塌方、洞室失稳等情况，开挖过程中易造成的地表沉降或不均匀沉降，施工机械设备受上覆土的稳定和临时支撑的影响。临时横向支撑布置形式等施工过程中的内部和外部影响因素有利于加快实际施工的进行。[1-2]

1 计算模型

本工程根据实际隧道尺寸和开挖支护参数，建立多个模型三维有限差分模型，如图1所示。采用midas GTS NX 对五里店地铁车站进行建模和网格划分，将网格模型导入有限差分软件Flac3D 进行数值模拟分析。模型隧道顶部埋深12.15m，其中上覆岩层厚度为9.15m，土层厚度为3m。隧道走向与Y轴平行，起点为Y=0m，终点为Y=60m，建立长60m，宽160m，高90m 的模型。选取隧道长度方向Y=10m 处断面为整段围岩稳定性分析的监测断面，结构如图2所示。[3]

模型的边界条件为：模型左右约束x 轴方向的位移，前后约束y 轴方向的位移，下部约束z 轴方向的位移，地表为自由边界。

土体围岩和二衬采用八节点六面体实体单元模拟，临时钢支撑采用Beam单元模拟，喷射混凝土采用Shell 单元模拟，锚杆采用Cable 单元模拟。超前管棚注浆支护通过改变拱部90 度角度间逐渐范围内的围岩参数的方法来实现，加固层厚度取1.6m，表1为模型围岩与支护参数表。

表1 五里店地铁车站围岩与支护参数表

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图1 三维网格整体模型

图2 三维网格初支、临时支护、锚杆结构模型

2 横向支撑布置形式对稳定性的影响分析

设置2 种不同工况，对比分析不同横撑布置形式对隧道围岩位移、围岩应力、喷射混凝土变形、临时钢支撑的影响。

图3 横向支撑布置示意图

工况1：如图3，设置上、下两道横向临时钢支撑，开挖模拟步骤如下：拱部施作超前管棚，临时钢支撑间距设置为0.5m，锚杆长度4.5m，锚杆间距1m，循环开挖进尺每步行进2m，每个台阶间距4m；开挖左侧上部导坑①部，施作初期支护和临时钢支撑；①部行进4m 后，开挖左侧中部导坑②部，施作初期支护和临时钢支撑；②部行进4m 后，开挖左侧下部导坑③部，施作初期支护和临时钢支撑；③部行进4m 后，开挖右侧上部导坑④部，施作初期支护和临时钢支撑；④部行进4m 后，开挖右侧导坑中部⑤部，施作初期支护和临时钢支撑；⑤部行进4m 后，开挖右侧导坑下部⑥部，施作初期支护和临时钢支撑；⑥部行进4m 后，开挖核心土上部⑦部，施作初期支护和临时钢支撑；⑦部行进4m 后，开挖核心土中部⑧部，施作初期支护；⑧部行进4m 后，开挖核心土下部⑨，施作初期支护和临时钢支撑，直至导坑全部开挖完成，施作全部初期支护和临时钢支撑。

工况2：如图3-1，仅设置上部横向临时钢支撑，开挖模拟步骤同工况1。

2.1 围岩位移分析

（1）围岩水平位移分析

图4 不同横撑布置形式边墙水平位移值

从图4可以看出，两种工法围岩水平位移分布情况类似，围岩水平位移最值均出现在左侧、右侧边墙处。在左侧导坑全部开挖完成后，此时右侧导坑正在开挖支护，右侧围岩应力释放，使得右侧围岩水平位移大于左侧围岩。

在左洞开完成后，设置两道横撑时右侧边墙围岩水平位移值为-5.9mm，设置一道道横撑时右侧边墙围岩水平位移值为-11.24mm。

在右侧导坑开挖支护完成后，设置两道横撑时右侧边墙围岩水平位移值为-5.98mm，设置一道道横撑时右侧边墙围岩水平位移值为-11.52mm。由此可见，两道横撑能够明显减小分步开挖过程中围岩的水平位移值。

在隧道全部开挖完全部导坑并施作完成初期支护和临时支护后，设置两道横撑时右侧边墙围岩水平位移值为-5.99mm，设置一道横撑时右侧边墙围岩水平位移值为-6.77mm，设置两道横撑围岩水平位移最大值小于一道横撑时，两者相差0.78mm。

分析可得，设置两道横撑，围岩水平位移在各个施工状态下均小于设置一道横撑；在左右导坑分步开挖过程中，设置两道横撑对于围岩水平位移的约束明显作用大于设置一道横撑。在初期支护封闭成环后，设置两道横撑明显能减小围岩水平位移值，更有利于提高围岩整体稳定性。

（2）围岩竖向位移分析

图5 不同横撑布置形式拱顶沉降值

从图5可以看出，围岩竖向位移分布情况，设置一道横撑和设置两道横撑类似，在分步开挖过程中，设置两道横撑拱顶沉降值均小于设置一道横撑时，在初期支护封闭成环后，设置一道横撑拱顶沉降值为-9.28mm，两道横撑时为-9.34mm，两者竖直接近，相差不大。由此可见，横撑布置形式对拱顶沉降变化影响不大。

2.2 喷射混凝土最大主应力分析

不同横撑布置形式喷射混凝土最大主应力云图如图6所示：

图6 不同横撑布置形式喷射混凝土最大应力云图（单位：Pa）

从图6可以看出，（1）优化双侧壁导坑法和原双侧壁导坑法初期支护最大主应力分布情况类似，均为正值，表现为受拉状态，（2）在拱顶和拱腰处最大主应力值较大，边墙处较小，最大值均出现仰拱位置，设置两道横撑时喷射混凝土最大主应力为5.15MPa，双侧导坑法最大值为4.97MPa，两者相差不大。

2.3 临时钢支撑应力分析

不同横撑布置形式临时钢支撑应力云图如下图1-9 所示：

图7 不同横撑设置形式临时支护水平位移云图（单位：Pa）

从图7可以看出，（1）2 种工况下临时钢支撑受力情况一致，基本左右对称分布，存在均局部受拉现象，但隧道截面范围内，大部分临时钢支撑处于受压状态；（2）工况1 隧道拱腰处所受压应力最大，为68.83MPa，其它部位钢支撑受力较小；工况2 拱腰处临时钢支撑所受压应力最大，为68.54MPa，其它部位处受力较小。

3 结论

不同横撑布置形式，对围岩水平位移显著影响，布置两道横撑能够明显减小在分步开挖过程中，边墙处围岩水平位移值，在初期支护封闭成环后，布置一道横撑右侧边墙处围岩水平位移值为-6.77mm，布置两道横撑时右侧围岩水平位移值为-5.99mm，较之减小0.78mm。竖向支撑布置形式对于围岩水平位移、喷射混凝土最大主应力、喷射混凝土竖向位移影响较小。因此，开挖过程中布置两道横向支撑，更有利于开挖过程中的围岩稳定性。