三跨单层地铁换乘站联通结构工法优化仿真研究

王伟

摘 要：长春地铁 1 号、2 号线在解放大路站进行换乘，换乘站为三连拱双柱式单层十字交叉联通结构。文章采用有限元方法建立单层联通结构仿真模型，对侧洞法和中洞法 2 种施工方法引起的地表沉降规律进行仿真研究，优化分析十字交叉互联结构联络通道工法，以期能够提高类似地下互联结构工程的施工效率及安全性。

关键词：地铁;换乘车站;联通结构;侧洞法;中洞法;工法优化

中图分类号：TU476.4

1 工程概况

长春地铁解放大路站是地铁1号线和2号线的换乘车站，是长春地铁第一座换乘车站，也是国内第3座十字交叉换乘车站。车站位于人民大街和解放大路交叉口，属于长春市交通咽喉要道，地面交通十分繁忙，路口四周分布有多座高大建筑及文物保护古建筑，同时场址区域地下管线极为复杂。因此，工程建设中应严格控制地表沉降，以减少施工对周边建筑、地下管线及地面交通的影响。

1号线车站主体为岛式站台，双层、三跨拱顶直墙结构，采用一次扣拱暗挖逆作法施工;2号线车站主体为侧式站台，双层、双跨拱顶直墙结构，采用洞桩法（PBA）施工。1号、2号线车站主体通过三跨单层联通结构连接，供地铁车辆通行，对于单层联通结构施工，因开挖断面不大，侧洞法和中洞法等方法均可以选择，2种工法完成的主体结构一致，差异在于联通结构导洞施工步序，见图1（图1中①～⑨为导洞号及导洞施工序号）。为提升联通结构工程的施工效率及安全性，本文采用有限元方法建立单层联通结构仿真模型，对2 种施工方法引起的地表沉降规律进行仿真研究，优化分析联通结构工法。

2 仿真模型

结合工程经验和模型计算精度要求，采用FLAC3D软件建立侧洞法和中洞法施工工序仿真模型，模型几何尺寸设定为60 m×15 m×40 m（长×宽×高）。模型上表面为自由面，将法向位移约束施加在其他表面上，假设地表应力应变以及材料应力应变均属于弹塑性。仿真模型的地表计算依据摩尔库仑准则，并且假设地表呈均质水平。初支和二衬设置为实体单元。建模时对结构物周边加密网格分布，在计算中不考虑管棚（视为安全储备），也不考虑在开挖过程中地下水所带来的影响。侧洞法和中洞法仿真模型见图2，仿真模型的地层和结构参数见表1。

3 侧洞法与中洞法地层/地表沉降分析

3.1 仿真步序

3.1.1 侧洞法仿真步序

侧洞法按照如下施工步序进行仿真分析，其中，施工阶段1为“侧部开挖”阶段包含步序（1）～步序（7），施工阶段2为“中部开挖”阶段包含步序（8）～步序（10）。

（1）管超前、严注浆，分台阶开挖两侧①号导洞，初支紧跟，待先开挖①号导洞贯通后，再开挖另一侧。

（2）依次开挖两侧②号导洞，初支紧跟，①号、②号导洞间距至少15 m。

（3）依次开挖两侧③号导洞，初支紧跟，②号导洞贯通后再开始开挖③号导洞。

（4）依次开挖两侧④号导洞，初支紧跟，③号、④号导洞间距至少5 m。

（5）依次开挖两侧⑤号导洞，初支紧跟，③号、⑤号导洞间距至少15 m。

（6）依次开挖两侧⑥号导洞，初支紧跟，⑤号、⑥号导洞间距至少15 m。

（7）根据监测情况分段拆除临时中隔壁，施作底梁、侧洞底板二衬，两侧导洞依次施作。在临时仰拱上施作中柱与顶梁，根据监测情况分段拆除下部临时仰拱，施作部分侧墙二衬。根据监测情况分段拆除中隔壁、临时仰拱，逐步完成侧洞二衬，两侧导洞依次施作。

（8）中洞开挖上台阶，初支紧跟，在中隔壁及时架设顶梁水平钢支撑。凿除顶部中隔壁并施作顶拱二衬，待顶拱强度合格后，紧随中台阶开挖，视监测情况设置中隔壁。

（9）下台阶采用短台阶开挖法，台阶长度不大于6m，封闭初支，分段拆除临时中隔壁，初支紧跟。

（10）分段拆除临时中隔壁，施作底板二衬，待二衬强度合格后，拆除临时钢支撑，完成主体结构。

3.1.2 中洞法仿真步序

中洞法按照如下施工步序进行仿真分析，其中，施工阶段1为“中部开挖”阶段包含步序（1）～步序（9），施工阶段2为“侧部开挖”阶段包含步序（10）～步序（13）。

（1）管超前、严注浆，分台阶开挖两侧①号导洞，初支紧跟。

（2）开挖②号导洞，初支紧跟， ①号、②号导洞间距至少15 m。

（3）②号导洞贯通后再开始开挖③号导洞，初支紧跟。

（4）开挖④号导洞，初支紧跟，③号、④号导洞间距至少5 m。

（5）开挖⑤号导洞，初支紧跟，③号、⑤号导洞间距至少15m。

（6）开挖⑥号导洞，初支紧跟，⑤号、⑥号导洞间距至少15m。

（7）根据监测情況分段拆除临时中隔壁，施作底梁、中洞底板二衬，待底板强度合格后，及时架设临时中隔壁。

（8）在临时仰拱上施作中柱。

（9）根据监测情况分段拆除上部临时中隔壁，施作顶梁、中洞顶拱二衬。

（10）中跨顶拱强度合格后，架设钢筋拉杆，对称开挖两侧⑦号导洞。

（11）对称开挖两侧⑧号导洞，⑦号、⑧号导洞间距至少15m。

（12）⑧号导洞开挖至少15m后，对称开挖两侧⑨号导洞，封闭初支。

（13）根据监测情况分段拆除中隔壁，依次完成侧洞底板二衬，两侧导洞对称进行，分段拆除剩余所有临时仰拱、中隔壁，二衬闭环，完成主体结构。

3.2 仿真结果分析

图3给出了侧洞法和中洞法施工完成后地层沉降云图，图4给出了各施工步序地表沉降槽曲线，表2给出了各施工步序地表沉降比例。综合分析图3、图4、表2数据如下。

（1）洞室开挖过程中，中洞顶部上方土体被多次扰动，形成上小下大的梯形土体沉降集中区域，侧洞法最终施工地表沉降小于中洞法。

（2）从整个施工过程仿真分析结果来看，侧洞法在阶段1的地表沉降占比69.55%，阶段2的地表沉降占比30.45%，阶段1地表沉降比阶段2多出39.1个百分点;中洞法在阶段1的地表沉降占比55.78%，阶段2的地表沉降占比44.22%，阶段1地表沉降比阶段2多出11.56个百分点。

（3）侧洞法和中洞法2种工法的阶段1的沉降量均明显大于阶段2，可见阶段1开挖是关键时期，开挖完成后及时完成支护的闭环、尽快健全结构整体受力刚度体系、勤量测同时补充临时支撑能有效减缓开挖过程中地表沉降的发展。

（4）侧洞法在阶段2的沉降发展比中洞法缓慢，最终地表沉降小于中洞法。总体上来看，侧洞法相比于中洞法对控制地表沉降更具优势。

4 结束语

本文基于长春地铁1号线和2号线解放大路换乘车站主体交叉结构——三跨单层地铁车站联通结构为工程背景，采用FLAC3D软件仿真模拟侧洞法和中洞法2种工法下地层、地表沉降变化规律和大小。研究结果表明，侧洞法和中洞法2种工法施工阶段1的沉降量都明显大于阶段2，可见阶段1是开挖关键时期，阶段1开挖完成后要及时完成支护的闭环，尽快健全结构整体受力刚度体系，加强量测，补充临时支撑以有效减缓开挖过程中地表沉降的发展。侧洞法在阶段2的沉降值发展比中洞法缓慢，最终施工地表沉降小于中洞法。总体来看，侧洞法对控制地表沉降更具优势。

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收稿日期 2020-07-03

责任编辑 朱开明