地鐵車站站后折返區(qū)間淺埋暗挖開挖過程模擬研究

1、地鐵車站站后折返區(qū)間淺埋暗挖開挖過程模擬研究夏國志 宋衛(wèi)東(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083)摘要：運用FLAC3D軟件，結(jié)合北京天壇東門地鐵車站站后折返區(qū)間具體工程條件，折返區(qū)間在采用雙側(cè)壁導坑法開挖的情況下，對不同的局部開挖順序進行了數(shù)值模擬研究，通過分析得出同樣的支護參數(shù)，在滿足支護強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，分析了不同的局部開挖順序?qū)^(qū)間隧道周圍土體位移的變化規(guī)律，得出先同時開挖雙側(cè)洞，支護、建筑完后，再開挖中洞，對地表沉降影響及周圍土體擾動均比較小為最優(yōu)方案，為此工程設(shè)計提供了理論依據(jù)，也為類似工程設(shè)計施工提供類比和指導。關(guān)鍵詞：淺埋暗挖 雙側(cè)壁導坑法 開挖順序 FL

2、AC3D模擬1 引言 隨著城市地鐵工程在我國的蓬勃發(fā)展和大量續(xù)的修建，由地鐵工程開挖而引發(fā)的環(huán)境問題(主要是指施工過程中由地層變形失控所引起環(huán)境害，主要包括地面建筑物、道路、管線等構(gòu)筑物損害)已成為城市現(xiàn)代化建設(shè)中的一個亟待解決問題，因此，研究城市地鐵工程開挖過程中地表降的有效控制問題，對于地表環(huán)境保護具有十分要的意義，其中，關(guān)于開挖順序的優(yōu)化分析是一重要的研究課題1。 在地下隧道開挖中，隨著開挖面的推進，如何盡量保持巖土體的初始狀態(tài)，減少對巖土體初始狀態(tài)的擾動，保持圍巖處于相對穩(wěn)定狀態(tài)及不發(fā)生過大位移是工程中密切關(guān)注的問題。它涉及導地下工程開挖方式的選擇，開挖空間的利用，最佳支護方式，支護參

3、數(shù)及支護時機的確定等因素。因此針對具體的巖土體研究不同的開挖方式下圍巖的應(yīng)力及位移狀態(tài)，對分析圍巖穩(wěn)定性及推動地下工程施工力學的發(fā)展有著重要的意義。在淺埋暗挖地鐵工程施工中，橫斷面多采用分部開挖，其應(yīng)力、位移釋放規(guī)律也比較復(fù)雜2，在橫截面上各部分土體不同開挖順序?qū)Φ乇砑皣鷰r的影響這方面有一定的研究3，4，但在橫截面各部分土體開挖順序確定的條件下，各部分土體在縱向的開挖進度對地表及圍巖的影響研究卻比較少，本文結(jié)合天壇東門站站后折返區(qū)間工程實例，模擬計算在縱向上不同開挖進度情況下，地表及圍巖位移變化規(guī)律，以指導隧道工程設(shè)計與施工。2工程概況北京地鐵5號線是一條縱慣京城南北的交通大動脈，天壇東門站位

4、于這條大動脈的南端，周圍古建筑較多，交通比較繁忙，施工方案采用淺埋暗挖法施工，站后折返區(qū)間是兩平行地鐵隧道的連接通道，通過折返區(qū)間，列車可在這兩條隧道上調(diào)換，由于區(qū)間功能的需要，折返區(qū)間跨度較大，最大斷面跨度23.6m，高8.924m，縱向長32.943m，高跨比為0.378，為扁平結(jié)構(gòu)。如圖1所示。圖1折返區(qū)間斷面橫截面開挖順序3 開挖方案數(shù)值模擬FLAC(拉格朗日元法)是目前世界上優(yōu)秀的巖土力學數(shù)值計算軟件系統(tǒng)之一，F(xiàn)LAC3D是一種三維顯式有限差分程序，其基本原理，算法與離散元法相似，它運用節(jié)點位移連續(xù)條件，可對連續(xù)介質(zhì)進行大變形，基于顯式差分法求解運動方程和動力方程，F(xiàn)LAC3D提供了

5、梁、樁、錨桿、殼體等多種結(jié)構(gòu)單元，非常適合于研究隧道開挖等巖土工程問題5。圖2 有限元模型模型在兩側(cè)邊界和前后邊界約束住水平位移，底部邊界約束住豎直位移，上邊界為自由面，考慮到地表是公路，因此模型在上邊界施加20kPa的豎直向下均布荷載。3.2土體和襯砌材料參數(shù) 根據(jù)實際勘測資料，土體特性分為四層，第一層：表層雜填土，厚1.4m，第二層：粉土，厚5.7m，第三層：粉質(zhì)砂土，厚4.3m，第四層：粉質(zhì)粘土與卵石，厚38.6m。土體參數(shù)見表1。表1 土體和支護結(jié)構(gòu)材料物理力學性能參數(shù)材料 重度/KN·m-3 變形模量/MPa 泊松比 內(nèi)摩擦角(。) 粘聚力C/kPa表層雜填土 17.0 2

6、0 0.35 29.0 20.0粉土 18.0 17.5 0.30 28.0 17.0粉質(zhì)砂土 16.0 16.3 0.28 27.5 14.1粉質(zhì)粘土與卵石 20.0 31.137.6 0.30 29.233.0 29.933.8管棚支護注漿層 20.8 114.1 0.25 31.0 281.6初期支護 27.0 65000 0.23 / /二次襯砌 27.5 130000 0.23 / /3.3 開挖方案設(shè)計折返區(qū)間采用雙側(cè)壁導坑法開挖，橫截面開挖順序如上圖1所示，開挖定義： A：開挖側(cè)洞1、2、3、4部分，臨時支護封閉，作初襯，建筑拄和二襯拱 B：開挖中洞上層5、6部分，臨時支護封閉頂

7、拱，作初襯，建筑中洞頂拱二襯 C：開挖中洞下層7、8部分，臨時支護封閉仰拱，作初襯，建筑中洞仰拱二襯方案1：兩側(cè)A同時開挖，再B開挖，最后C開挖，完成整體結(jié)構(gòu)方案2：一側(cè)A開挖，然后另側(cè)A開挖，再開挖B，最后開挖C，完成整體結(jié)構(gòu)方案3：先兩側(cè)A同時開挖20m，B、C開挖20m；再兩側(cè)A同時由20m開挖到40m，B、C開挖由20m開挖到40m，完整整體結(jié)構(gòu)方案4：先一側(cè)A開挖20m，另一側(cè)A開挖20m，再B、C開挖20m；后再一側(cè)A由20m開挖到40m，另一側(cè)A由20m開挖到40m，最后B、C由20m開挖到40m，完成整體結(jié)構(gòu)3.4模擬結(jié)果及分析由于該隧道為三洞對稱結(jié)構(gòu)，中洞凈空高度和跨度都大于

8、兩邊側(cè)洞，又中洞所處中間位置兩側(cè)沒有圍巖的約束，且中洞上部土體變形受到兩側(cè)洞開挖的擾動以及中洞土體開挖的雙重影響，使得中洞部位所對應(yīng)的地面、頂拱相對位移變化量都大于側(cè)洞所對應(yīng)的地面、頂拱相對位移變化量，中洞土體開挖對地面沉降和結(jié)構(gòu)變形的影響都比較大，所以有效的控制由于中洞開挖而使得的地面沉降和結(jié)構(gòu)變形是工程中的關(guān)鍵。為研究隧道變形，沿著模型縱向(即沿著隧道方向)在5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m處取七個截面，監(jiān)測截面中洞頂拱正中點及對應(yīng)的地面點沉降，如圖3和圖4。圖3地面監(jiān)測點沉降曲線圖4頂拱監(jiān)測點沉降曲線從圖3可以得出沿著隧道方向中洞地面沉降逐漸增大后又有減小的趨勢，隧道

9、兩端地面沉降小，而在中間附近地面沉降大。這是由于隧道端部土體圍巖壓力比較小，受前后開挖的擾動也比較小，而隧道中部圍巖壓力比較大，受前后開挖土體的擾動也比較大的緣故。隧道前段開挖，開挖面應(yīng)力釋放，開挖面前部土體向開挖面傾斜，從而使得中洞地面沉降最大點一般在兩端中間偏后一些，方案1和方案2大約在截面25m處，方案3和方案4大約在截面30m處。分析圖4可以得出沿著隧道方向中洞頂拱沉降先逐漸增大后減小，再增大最后又減小，沉降變化有一種波動的趨勢，但總體趨勢還是兩端沉降比較小，中間沉降比較大，這和其地面沉降趨勢相一致，只是在數(shù)值上頂拱的沉降比地面的沉降要大一些。這種變化趨勢也和實際工程情況相吻合。分析圖

10、3和圖4，后兩種方案的中洞地面和中洞頂拱沉降量都要大于前兩種方案，中洞地面最大沉降量后兩種方案分別是前兩種方案的1.6倍左右。頂拱最大沉降量是前兩種方案的1.24倍左右。分析四種方案，最根本的區(qū)別在于前兩種方案是側(cè)洞開挖、二襯建筑完后再開挖中洞，后兩種方案是把整個工程沿著隧道方向分為前20m開挖、筑二襯和后20m開挖、筑二襯兩段進行施工，從圖3和圖4可以看出在前段15m施工時，四種方案地面和頂拱沉降相差不大，而之后的沉降差距就逐漸拉大，體現(xiàn)在施工開挖上即為前兩種方案側(cè)洞開挖到20m處后繼續(xù)開挖側(cè)洞，而后兩種方案側(cè)洞開挖到20m，建筑襯砌，開挖中洞。前者由于先只開挖側(cè)洞，而中洞土體形成巖柱承受上

11、部荷載，同時也隔開兩側(cè)洞，使得在開挖過程中開挖跨度不大，使圍巖有效的形成橫向應(yīng)力拱，有效的抑制了地面沉降，而后者側(cè)洞開挖到20m處開始開挖中洞，開挖過程跨度較大，雖然側(cè)洞和中洞間建有隔柱承受上部荷載，但隔柱作用面積小，不足于形成中洞巖柱所形成的橫向應(yīng)力拱，而又在開挖后半段20m時，由于前半段20m中洞土體已開挖掉，不能形成巖柱，結(jié)構(gòu)凌空跨度很大，后半段的開挖對整個隧道結(jié)構(gòu)和圍巖的擾動影響就越大，所以地面沉降和頂拱沉降就越大。由此可以判斷出方案1和方案2要優(yōu)于方案3和方案4。對于方案1和方案2，前者由于兩側(cè)洞同時開挖。開挖面積大，對圍巖及中洞土體擾動也越大，故地面及頂拱沉降略大于后者。又因為該方

12、案屬于對稱開挖，所以兩側(cè)洞頂拱沉降也大致相同。而方案2為非對稱開挖，左右側(cè)洞頂拱沉降不相等，最大相差達22%，大約在截面25m處，如下圖5所示。圖5側(cè)洞頂拱沉降曲線這就說明由于先開挖一側(cè)洞后再開挖另一側(cè)洞的時間關(guān)系而使得兩側(cè)土體變形和應(yīng)力釋放都不相同，導致結(jié)構(gòu)兩側(cè)受圍巖壓力也不相同，結(jié)構(gòu)處于偏壓狀態(tài)，這對于結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定是不利的，如工程采用此種方案施工，則必須加大初期支護和二襯的剛度來抵抗由于偏壓給結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。這勢必造成工程費用的增加，又其施工開挖面積小，施工工期長，且開挖另一側(cè)洞時對已建成的側(cè)洞二襯擾動影響較大，也不利于結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。所以在滿足地面沉降的情況下，建議采用方案1。而不

13、采用方案24結(jié)語 分析計算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：(1)對于結(jié)構(gòu)對稱的隧道，建議應(yīng)采用對稱開挖，且兩側(cè)開挖進度要遠大于中部開挖進度，這樣更好的發(fā)揮中部土體巖柱作用，有效的減小開挖過程中整個跨度結(jié)構(gòu)凌空面暴露的時間。(2)隧道結(jié)構(gòu)拱沉降量要大于地面沉降量。隧道拱和地面的變形總體趨勢是在橫向上中間大，兩側(cè)小，在縱向上隧道兩端口小，中部大。 (3)對比四種方案，可判斷出在此工程中采用方案1為最優(yōu)方案，此方案沉降量比較小，能滿足地面沉降控制要求，工期短，但不足之處是同時開挖兩側(cè)洞對中間土柱擾動比較大，其穩(wěn)定性較差，需要采取預(yù)支護、注漿等措施來增加土體的強度，提高土體的穩(wěn)定性。(4)對于方案2，由于一次性開挖面積小，對土體擾動也小，開挖后地面和頂拱的沉降量均小，對于某些地段需要嚴格控制地面沉降的工程，可以考慮用此方案進行施工。但此方案的缺點是工期長，由于要抵抗結(jié)構(gòu)偏壓的影響而增大結(jié)構(gòu)初襯和二襯的剛度，所以造價也比較高。參考文獻1 吳 波，高 波，漆泰岳，蔣正華.城市地鐵區(qū)間隧道洞群開挖順序優(yōu)化分析.中國鐵道科學，2003.10，24(5)：24282吉小明，張選兵，白世偉.淺埋暗挖地鐵隧道開挖過程的模擬研究.巖土力學，2002.12，23(6)：8288303 宋衛(wèi)東 ，謝政平 ，張繼清. 天壇東門站淺埋暗挖施工順序?qū)Φ乇沓两涤绊懙臄?shù)值模擬分