沈阳市府大路站横通道施工参数优化分析

杨 雁

(中铁四局集团第五工程有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

在修建地铁隧道中，横通道是十分重要的，必不可少的设施。沈阳地铁四号线市府大路站采用小直径管幕结合盖挖逆作法施工，在上导洞中部设置7处横通道，横通道内施工中立柱与横梁，底导洞施工纵梁并与横导洞横梁形成整体管幕支撑体系。如何优化横通道的截面形式及施工顺序，得出合理的横通道参数，需要进一步研究。

目前已有许多学者对横通道的一些参数进行了研究。纪文杰等[1]运用有限差分数值模拟软件，模拟了4种不同横通道施工顺序的方案，得到了每种施工方案下的最大沉降值、反弯点距离和最大沉降位置。何洵等[2]采用有限元软件分析考虑自重的圆形、直墙半圆拱和矩形3种截面隧道开挖后的围岩应力场和扰动区范围，得出了最优隧道截面。曾恕辉等[3]针对4种不同的导洞开挖顺序，通过对位移场的变化进行分析，得出了“先开挖上部,上下交错开挖”的最优方案。张志强等[4]采用三维有限元数值模拟主隧道与横通道组成不同交角的空间复杂受力交叉结构的施工过程，得出交叉角越小，围岩应力集中程度越高、横通道衬砌结构受力越大的结论。单仁亮等[5]通过数值模拟对比研究了不同的导洞间开挖错距和不同的导洞开挖顺序对横通道处地表沉降的影响。任建喜等[6]以西安黄土地区首个PBA工法车站为工程背景，对先期小导洞开挖数量及开挖顺序的合理确定进行了研究，得到了有效控制地表变形的开挖方式。

鉴于此，本文利用Midas有限元软件，依托沈阳地铁四号线市府大路站，对市府大路站横通道的不同截面形式和施工顺序进行模拟研究，为今后类似工程作参考。

1 数值计算模型的建立

1.1 土层参数选取

依据现场条件将穿越地层简化为4层。地层采用修正摩尔库仑模型，计算模型所取详细地层参数见表1。

表1 土层物理力学参数

1.2 计算模型建立

本节对横通道的相关设计参数进行优化研究。按照市府大路站初步设计要求，顶部采用57根φ402 mm钢管顶进。用数值模拟软件Midas GTS建立包括地层、管幕、横通道的有限元模型。在方案优选阶段为简化计算采用二维模型，地层采用平面应变单元模拟，横通道衬砌采用梁单元模拟，通过梁单元的几何形状和材料性质来定义。为减小边界效应，整个模型长度取144 m，高度为25 m，管幕顶部埋深4.39 m。模型两侧为边界水平位移约束，底部固定，上部为自由边界。

计算模型图如图1所示。

2 结果分析

2.1 横通道截面形式

目前地下工程中常见的横通道断面形式有矩形和马蹄形截面，本文采用面积等效法对两种截面形式进行换算，如图2所示。

图3为不同截面横通道开挖计算结果云图。

选取中间横通道上方地表沉降量和底部隆起量进行分析，矩形截面横通道开挖引起的地表沉降量为49.81 mm，底部隆起量为11.6 mm，马蹄形横通道开挖引起的地表沉降量为51.19 mm，底部隆起量为11.7 mm，由此可见两种矩形截面和马蹄形截面开挖引起的地表沉降量和底部隆起量相差较小。图4为不同截面横通道开挖计算竖向土压力计算结果云图。

分析图4可知，矩形截面横通道开挖引起的顶管竖向土压力在23.44 kPa～47.15 kPa之间，竖向土压力分布较为均匀，而马蹄形截面横通道开挖引起的顶管竖向土压力在19.22 kPa～135.41 kPa之间，且在第二个横通道拱顶处的竖向土压力明显大于其他横通道拱顶土压力，因此从顶管的受力情况来看，横通道的截面形式建议选择矩形截面。

2.2 横通道施工顺序

不同的横通道开挖顺序引起的地表沉降不同，由上节可知，横通道的截面形式为矩形时，横通道顶部竖向土压力较小。因此本文提出两种不同的矩形截面横通道开挖顺序，从左至右横通道标记为1～7。

开挖顺序一：开挖横通道1，7→开挖横通道2，6→开挖横通道3，5→开挖横通道4；

开挖顺序二：开挖横通道1，7→开挖横通道4→开挖横通道2，6→开挖横通道3，5。

模型计算中将横通道开挖分为四大施工步，限于篇幅，本文只给出开挖顺序一计算结果云图，见图5。

分析两种开挖顺序下的横通道竖向位移结果，顺序一和顺序二在在第一步开挖时，各横通道上覆土体竖向位移相同；在第二步开挖时，顺序一引起的最大竖向位移为26.8 mm，顺序二引起的最大竖向位移为23.2 mm，均位于横通道7上方；在第三步开挖时，顺序一引起的最大竖向位移为26.7 mm，顺序二引起的最大竖向位移26.1 mm，均位于横通道1上方；在第四步开挖时，顺序一引起的最大竖向位移为30.5 mm，位于横通道4上方，顺序二引起的最大竖向位移为28.7 mm，位于横通道3上方；由此可见，按顺序一开挖引起的地表竖向位移总体上大于按顺序二开挖引起的地表竖向位移，因此建议横通道施工顺序为开挖横通道1，7→开挖横通道4→开挖横通道2，6→开挖横通道3，5。

3 结论及建议

本文利用有限元软件Midas对沈阳市府大路站横通道的截面形式和施工顺序进行分析，得到以下结论：

1)矩形截面横通道开挖引起的地表沉降量较马蹄形截面横通道开挖引起的地表沉降量小2.6%，底部隆起量小0.85%；矩形截面横通道开挖引起的顶管受力情况明显好于马蹄形截面，矩形截面横通道开挖引起的最大竖向土压力较马蹄形截面横通道开挖小65.17%，因此市府大路站横通道的截面形式建议选择矩形截面；

2)开挖顺序一引起的最大竖向位移为30.5 mm，开挖顺序二引起的最大竖向位移为28.7 mm，两者相差5.9%，因此横通道开挖顺序建议选用先开挖横通道1和横通道7，然后开挖横通道4，再开挖横通道2和横通道6，最后开挖横通道3和横通道5的施工顺序。