北京地铁4号线新增检票厅工程离散元仿真分析

陈自龙

（中铁十八局市政工程有限公司，天津 300222）

岩体的平衡状态会随着工程开挖产生改变，其位移和应力都受其影响而变化。因此，新增线路的开挖会使周围既有结构产生附加应力和位移，对工程的安全性产生影响。施工前不仅要对工程主体进行分析，也需要研究其对周边既有结构的影响。杨建烽[1]、扈世民[2]、侯艳娟[3]、白海卫[4]分别通过现场实验和理论分析讨论了开挖对周边结构的影响，耿俊岩[5]、张涛[6]、刘建美[7]、黄昌富[8]、杨修[9]、吕海英[10]、彭丽云[11]分别利用不同的计算分析软件对隧道开挖后周边既有结构的位移进行分析，为开挖工程对周边结构的影响研究提供了宝贵经验。本文以北京地铁4 号线宣武门站新增地下检票厅为研究对象，分析检票厅在开挖过程中自身结构的稳定性以及对周边结构的影响。

1 工程概况

北京地铁4 号线宣武门站新增地下检票厅采用暗挖施工，其结构形式为单层双跨拱顶直墙断面结构，厅宽14.9 m，高8.9 m，长32.0 m，顶板覆土深度为7.7 m，底板埋深为16.6 m，场地类别为Ⅱ类。拟定新建暗挖检票厅二衬结构顶拱0.5 m，底板0.5 m，边墙0.5 m，顶梁2 000 mm×1 600 mm，底梁1 200 m×2 200 mm，均采用C40 防水混凝土。中柱为700 mm×1 000 mm，采用C50 混凝土[12-13]。

检票厅周边既有结构包括车站主体、4 号线宣武门站换乘通道、西北出入口通道。其中，车站主体结构为单层三跨拱顶直墙断面结构，厅宽19.7 m，高7.95 m。车站主体结构顶板与检票厅顶板标高相同，走向与检票厅走向平行，水平净距5.4 m。4 号线西北出入口通道高5.3 m，宽6.8 m。西北出入口通道与检票厅结构底板标高相同，走向与检票厅走向垂直，检票厅与4 号线西北出入口结构的水平净距约0.5 m。换乘通道高5.4 m，宽5.0 m。换乘通道与检票厅结构底板标高相同，走向与检票厅走向垂直，检票厅与换乘通道结构的水平净距约0.8 m。既有结构洞壁周边均采用混凝土喷浆衬砌支护，衬砌混凝土强度等级为C40，衬砌厚度为0.5 m。检票厅与既有结构的位置关系如图1、图2 所示。

根据区域地质资料，4 号线宣武门站新增地下检票厅工程位于永定河冲洪积扇的中上部，检票厅的结构底板位于卵石圆砾层内，其天然密度为2.18 g/cm3，黏聚力为0，内摩擦角为30°，密实，室内渗透系数为2.0×10-1cm/s，地基承载力特征值为450 kPa。

图1 地下检票厅与车站主体结构位置示意图（单位：m）

图2 地下检票厅与其他结构位置示意图（单位：m）

2 施工措施及控制标准

2.1 施工措施

（1）车站主体结构。施工前对既有4 号线车站主体结构进行调查，并进行检测和评估；初支施工过程中及时进行初支背后注浆，多导洞开挖时应多次补注浆，严格控制注浆压力和注浆量，保证注浆效果；对拱顶及侧壁初支外侧1.5 m、内侧0.5 m 范围内进行深孔注浆加固[14]；及时布设测点，初支施工过程中加密监测频率，根据检测结果及时调整施工参数；制定针对性应急预案。

（2）出入口通道及换乘通道。施工前对出入口通道及换乘通道结构进行调查，并进行检测和评估；对换乘通道北侧端头墙2 m 范围内进行全断面深孔注浆加固，西北出入口南侧端头墙2 m 范围内进行全断面深孔注浆加固；及时布设测点，初支施工过程中加密监测频率，根据检测结果及时调整施工参数；制定针对性应急预案。

2.2 控制标准

（1）车站主体结构的风险等级为二级，其位移控制标准为结构最大沉降量≤10 mm，最大水平位移≤4 mm，差异沉降≤2 mm。

（2）两侧通道的风险等级为二级，其位移控制标准为结构最大沉降量≤20 mm，最大水平位移≤5 mm，差异沉降≤4 mm。

表1 地层岩土性质

图3 计算模型

3 数值模拟分析

3.1 地层及材料参数

根据地质资料，工程场地的地层可分为粉土填土、黏质粉土、粉细砂、细中砂、砂质粉土、卵石圆砾。各地层物理力学性质及地层厚度如表1 所示。

3.2 检票厅开挖对车站主体结构影响分析

3.2.1 计算模型

通过离散元UDEC 软件进行分析，计算模型采用摩尔库伦弹塑性模型，模型水平计算长度为120 m，竖向计算长度60 m，检票厅与车站主体结构上覆土层厚7.7 m，检票厅距模型左侧边界为45.85 m，厅高8.9 m，宽14.9 m。宣武门车站长19.7 m，高7.95 m。洞壁周边采用混凝土喷浆衬砌支护，衬砌混凝土强度等级为C40，衬砌厚度为0.5 m。模型边界条件的设置包括对两侧边界的水平方向位移进行约束，底部边界竖直和水平方向位移进行约束，地表为自由边界不受约束。计算模型如图3 所示。

3.2.2 计算结果分析

模型计算得到的位移云图如图4 所示，分析如下。

（1）检票厅开挖后，围岩产生指向开挖区的位移，位移集中分布在检票厅的顶板和底板2 处，以检票厅中柱为中心成对称分布。土体的扰动范围覆盖至车站主体结构围岩左侧，但主体结构处围岩所受影响较小。

（2）检票厅顶板的最大沉降量为8 mm，车站的顶板处最大沉降量为2 mm，其值均小于位移控制标准中的结构最大沉降量10 mm；车站差异沉降值为2 mm，其值小于位移控制标准中的差异沉降4 mm；水平向位移主要产生在检票厅顶板上方的土层内以及检票厅两侧，近似以检票厅中柱为中心呈反对称分布；检票厅最大水平位移为3 mm，既有车站结构周边产生的位移极小，不足1 mm，满足位移控制标准中的结构水平最大位移5 mm。

根据位移矢量图分析结果确定后续位移控制计算点，计算点1 为车站主体结构左侧洞壁中心，计算点2为车站左侧洞室上部顶板中心。利用离散元UDEC 软件对检票厅开挖后计算点位移进行分析。计算点的位移时程曲线如图5 所示，分析如下。

（1）计算点1 水平位移发展至1.9 mm 后逐渐平缓并达到稳定，其值小于位移控制标准中的5 mm。

（2）计算点2 竖向位移控制点的位移发展至7 mm后逐渐平缓并达到稳定，其值小于位移控制标准中的10 mm。

图4 车站主体及周边位移云图（单位：m）

图5 车站主体结构计算点位移时程曲线

3.3 检票厅开挖对两侧通道的影响分析

3.3.1 计算模型

计算模型采用摩尔库伦弹塑性模型。模型水平计算长度为120 m，竖向计算长度60 m，检票厅与4 号线西北出入口、4 号线西北换乘通道底板结构埋深16.6 m，4 号线西北出入口通道高5.3 m，宽6.8 m。4 号线西北换乘通道高5.4 m，宽5.0 m。暗挖检票厅与4 号线西北出入口结构的水平净距约0.5 m，与4 号线西北换乘通道结构的水平净距约0.8 m。洞壁周边采用混凝土衬砌支护，衬砌混凝土强度等级为C40，衬砌厚度为0.5 m。

模型边界条件的设置包括对两侧边界的水平方向位移进行约束，底部边界竖直和水平方向位移进行约束，地表为自由边界不受约束。检票厅结构沿长度方向分段开挖，模型显示检票厅全段开挖结束后的力学响应。计算模型如图6 所示。

3.3.2 计算结果分析

模型计算得到的位移云图如图7 所示，分析如下。

（1）检票厅开挖后，其位移主要来自检票厅顶板上部岩体，4 号线西北换乘通道以及4 号线出入口通道周边产生的位移较小。

图6 计算模型

图7 两侧通道及周边位移云图（单位：m）

图8 两侧通道计算点位移时程曲线

（2）检票厅顶板最大竖向位移为15 mm，两侧通道的顶板处最大竖向位移为5 mm，其值均小于位移控制标准中的结构最大沉降量20 mm；水平位移主要产生在其顶板上方的土层内，结构周边产生的位移极小，其最大水平位移为4 mm，两侧通道水平位移近似为0，满足位移控制标准中的结构水平最大位移5 mm。

根据位移矢量图分析结果确定后续位移控制计算点，计算点1 为出入口通道右侧洞壁中心，计算点2 换乘通道左侧洞壁中心，计算点3、计算点4 分别为出入口通道和换乘通道上部顶板中心。利用离散元软件对检票厅开挖后计算点位移进行分析。计算点的位移时程曲线如图8 所示，分析如下。

（1）出入口通道计算点1 水平位移发展至0.7 mm后逐渐平缓并达到稳定，换乘通道计算点2 水平位移发展至1.1 mm 后逐渐平缓并达到稳定，计算点的最大水平位移均小于位移控制标准中的5 mm。

（2）出入口通道计算点3 竖向位移发展至7.5 mm后逐渐平缓并达到稳定，换乘通道计算点4 竖向位移控制点的位移发展至3.5 mm 后逐渐平缓并达到稳定，计算点的最大竖向位移均小于位移控制标准中的10 mm。

4 结论

（1）检票厅开挖对宣武门4 号线车站主体结构影响较小，其竖向最大位移为2 mm，水平最大位移不足1 mm，在位移控制标准之内，满足风险等级要求。

（2）检票厅开挖对4 号线换乘通道和出入口通道的影响较小，4 号线通道的顶板处最大沉降量为5 mm，水平最大位移值为4 mm，在位移控制标准之内，满足风险等级要求。

（3）检票厅周边既有结构位移控制计算点位移均在位移控制标准之内，满足风险等级要求。

（4）施工过程中及时对开挖周边区域进行注浆支护，可以有效减少对周边建筑物的影响。施工过程中应增加监测频率防止潜在灾害的产生。