地鐵車站暗挖法施工中導洞開挖方案比較

霍潤科 張 曼 黃 佳

(1.西安建筑科技大學土木學院，710055，西安;2.山西省交通科學研究院，030000，太原∥第一作者，教授)

導洞開挖是地鐵車站洞樁法施工的關鍵環節之一。目前國內學者對群洞開挖展開了各類研究，如文獻［1］、［2］通過采用破損面積的概念評估群洞施工的最佳方案，提出了群洞施工力學的理論;文獻［4］對相鄰隧道施工的相互影響做了研究，探討出相鄰隧道相互影響的距離。

本文以北京地鐵7號線雙井站八導洞開挖為背景，利用大型有限元Ansys 軟件模擬計算出2 種不同開挖方案中各個施工工序引起的地表沉降和土層擾動量，結合監測數據進行對比分析，推薦采用先開挖上導洞方案，這樣可以有效地控制地表沉降和土層的擾動程度。

1 工程概況

1.1 工程背景

北京地鐵7號線雙井站位于廣渠門外大街、廣渠路與東三環中路交叉口東側，7號線線路沿廣渠路東西走向，站位周邊建筑已經基本建成，多以高層建筑為主［5］。雙井站采用地下兩層雙柱三跨的形式，采用暗挖法施工。車站主體長度237.60 m，標準段寬 23.10 m，總高 16.15 m，結構底板埋深約31.00 m，頂板覆土厚約13.99 m?，F場地質勘測范圍為58 m，采用現場勘查和室內土性測試，結果表明現場勘查范圍內的土質情況分為3 大層:為人工堆積層(Qml)、第四紀全新世沖洪積層(Q4al +pl)、第四紀晚更新世沖洪積層(Q31al+pl)。

1.2 導洞概況

雙井站設有8 個導洞，每個導洞截面長4.00 m，高5.00 m，上下間距7.75 m，左右間距 4.00 m，上排導洞距離地面14.18 m。采用超前管棚對拱部地層超前注漿預加固，管棚選用φ108 的熱軋鋼管，搭接6 m。鋼管沿隧道開挖輪廓傾角2°～3°設置，環向間距300 mm，鋼管內灌注水泥砂漿;管棚中間打設 φ42 超前小導管，外插角 10°～12°，長度 2.5 m，環向間距300 mm，縱向間距1 m，壓注水泥—水玻璃雙液漿;初期支護采用格柵鋼架與網噴混凝土聯合支護，噴層厚350 mm，格柵鋼架縱向間距2 榀/m，鋼筋網為 φ6.5 雙層鋼筋網，網格間距@ 150 mm，參見圖1。

2 導洞開挖工序模擬

2.1 模擬假設

由于實際工程情況遠復雜于模擬情況，因此采用部分假定:①將巖土體視為連續、均勻、各向同性介質，采用Drucker-Prager 屈服準則;②僅考慮圍巖自重應力場，不考慮構造應力的影響;③不考慮地下水位影響和滲流影響。

圖1 導洞橫斷面及監測點布置示意圖

2.2 模擬工法設計

根據雙井車站主體小導洞的實際情況，提出2 個方案:先開挖上導洞跳躍錯挖法(方案一)、先開挖下導洞跳躍錯挖法(方案二)。各方案的具體工序如下。

(1)方案一:先施工1號洞6 m 后及時支護，接著施工3號洞6 m 后及時支護，接著施工4號洞最后施工2號洞，各導洞掌子面縱向間距6 m;首排導洞全部施工完成后，先施工5號洞6 m 后及時支護，接著施工7號洞6 m 后及時支護，接著施工8號洞最后施工6號洞，各導洞掌子面縱向間距6 m。導洞施工使用上下臺階循環施工，相互錯階施工3 m。導洞施工流程為①-③-④-②-⑤-⑦-⑧-⑥。

(2)方案二:導洞的開挖進尺和開挖方式同方案一，導洞開挖順序為⑤-⑦-⑧-⑥-①-③-④-②。

由于小導洞上方覆土厚度約為14.3 m，為了最大限度減小邊界約束條件對計算結果的影響，數值模擬分析采用距模型縱截面中心-30 m 處目標面進行分析。

2.3 參數選取

根據實際勘察報告［6］，結合鐵路隧道設計規范和隧道工程巖體分級［7-9］將土層分為五層圍巖，圍巖和支護的參數如表1所示。

2.4 建立模型

根據圣維南原理，模型采用3 倍開挖寬度范圍，模型長120 m、寬60 m、高60 m，支護結構采用鋼支撐，初襯按等效方法采用等效成混凝土。

表1 模型參數

3 模擬結果分析

由于整個模型較大，考慮到各方案導洞開挖工序較多，為了清晰地顯示不同導洞開挖對地表沉降和地下管線沉降的影響，采用4 個關鍵施工點進行分析:①導洞1(導洞5)開挖至模型中部30 m;②上導洞(下導洞)完全貫通;③導洞5(導洞1)開挖至模型中部30 m;④導洞全部貫通。選取其中差別較大的模擬結果圖，如圖2 及圖3所示。

從圖2、圖3 可以看出，兩種方案模擬出的地表最大沉降都不在模型中線上，首排導洞開挖至中部時，方案一的最大沉降為2.89 mm，出現在距離模型中線-5.80 m 處;方案二的最大沉降為2.70 mm，發生在距離模型中線-4.00 m 處。首排導洞貫通時，方案一和方案二最大沉降點基本回歸中線，最大沉降都發生在距離模型中線0.70 m 的位置，方案一最大沉降為9.96 mm，方案二最大沉降為8.27 mm。次排導洞開挖至中部，地表最大沉降點又發生了偏移，方案一最大沉降為12.70 mm，距離模型中線-0.70 m;方案二最大沉降為11.05 mm，距離模型中線-1.78 mm。次排導洞貫通時，導洞開挖完成后地表最大沉降點回歸模型中線，方案一最大沉降為18.25 mm，方案二最大沉降為18.45 mm。提取兩方案沉降槽數據繪制地表沉降對比圖，如圖4所示。

從圖4 可以看出，采用不同的導洞開挖順序地表沉降的變化規律不同，每一個開挖工序引起的地表最大沉降點出現的位置也不同。這與導洞的開挖先后順序和導洞離地表距離有關。采用方案一先開挖1號導洞引起的地表最大沉降量離中心線的最大偏移為-5.8 m，采用方案二先開挖5號導洞引起的最大偏移量為-4.0 m，說明上導洞開挖對地表土層的影響程度要大于下導洞開挖。對比地表沉降對比圖，發現方案一的地表沉降槽寬度要小于方案二，但是兩種方案沉降槽寬度隨著開挖步序的進行差別逐漸縮小。這說明采用方案一施工對土層的擾動范圍小，有利于對地表沉降范圍的控制。通過提取各施工階段數據制作地表沉降統計表，如表2所示。

圖2 上排導洞開挖至中部土體沉降圖

圖3 下排導洞開挖至中部土體沉降圖

圖4 地表沉降對比圖

表2 各施工階段不同施工方案地表沉降統計表

從表2 可以看出，首排導洞開挖占最終地表沉降的百分比，方案一為54.5%，方案二為44.8%。說明采用方案一施工時前期沉降大、后期沉降小，采用方案二施工時前期沉降小、后期沉降大。

4 現場監測數據分析對比

雙井站車站導洞開挖實際采用的是方案一，現通過對比模擬和監測數據來分析模型的合理性。從雙井橋開始縱向布設5 個主要監測斷面，斷面之間分為4 個小斷面實施監控。車站橫向監測范圍為50 m，每個斷面布設15 個監測點，其中車站中線左右兩邊15 m 范圍內采用每3 m 布設一個監測點，同時在每個導洞上方布設一個監測點，在距離中線15 m范圍外采用每5 m 布設一個監測點，具體監測點布設如圖5所示。

圖5 監測點對比分析圖

根據現場監測實際情況，挑選監測數據完整的D4斷面監測點縱向沉降值進行分析。由于結構是關于車站中線對稱，本文選取L4、L1、M 3 個監測點數據進行分析。圖5 中豎向表示導洞開挖通過斷面的時間，分析如下。

(1)從圖5a)中可知，L4監測點在1號導洞施工通過斷面時引起的地表沉降量為7.60 mm，沉降速率最快，沉降量也為最大，從L4監測點的位置來看，監測點位于1號導洞正上方，對地表監測點沉降影響最大。3號導洞通過斷面時，地表沉降量和沉降速率要遠小于1號導洞。說明導洞開挖引起的最大地表沉降發生在導洞正上方的監測點，同時離導洞越遠，導洞開挖引起的地表沉降越小。

(2)從圖5b)中可以看出，在1號導洞和3號導洞開挖至斷面時地表持續沉降，到4號導洞開挖時地表沉降量較小，在2號導洞開挖至斷面時地表沉降量最大。從監測點布設圖可以看出1號導洞和3號導洞關于L1監測點對稱，2號導洞在L1監測點正下方，1號導洞和3號導洞開挖時地表沉降量分別為 3.32 mm、3.01 mm。1號導洞和 3號導洞對地表沉降的貢獻基本上相同。2號導洞開挖時地表沉降量為5.13 mm，遠大于1號導洞和3號導洞開挖引起的地表沉降，說明在1號導洞和3號導洞開挖所引起的土層擾動疊加區域內開挖2號導洞引起的地表沉降要遠大于單獨開挖導洞引起的地表沉降。

(3)從圖5c)中可知，上排導洞開挖引起的地表沉降比下排導洞開挖引起的地表沉降要大。從圖中可知，在2號導洞開挖之前，地表沉降曲線比2號導洞開挖后沉降曲線要陡峭，上排導洞開挖完成后地表沉降量為14.98 mm，下排導洞開挖完成后地表沉降量為8.89 mm。2號導洞和6號導洞的開挖對地表沉降的影響最大，從監測點布設圖可以看出2號導洞和6號導洞都是在土層擾動區域，而且2號導洞引起的地表沉降要大于6號導洞，2號導洞開挖引起的地表沉降量為10.25 mm，6號導洞開挖引起的地表沉降量為5.37 mm。

(4)從圖5 可以看出，上排導洞開挖經過斷面時，現場監測數據和模擬分析數據的差異比較小，主要的差異大部分發生在下導洞的開挖，而且滯后導洞開挖引起的差異大于先前導洞開挖，說明在模擬中上排導洞開挖對土層擾動比較小，應力釋放比較小。

5 結語

(1)不同導洞開挖順序引起地表沉降變化規律不同，這與導洞開挖順序和導洞距地表距離有關。方案一最大地表沉降稍大于方案二，但土層擾動范圍要小于方案二，這有利于對地表沉降的控制，所以采用方案一進行施工比較好。

(2)地表監測點離導洞越近，所在的地表沉降速度越快，在導洞正上方時沉降速度最快;同時，在擾動區域開挖新導洞引起的地表沉降要大于單獨開挖導洞的地表沉降。

［1］朱維申，何滿潮.復雜條件下圍巖穩定性與巖體動態施工力學［M］.北京:科學出版社，1995.

［2］朱維申，王平.動態規劃原理在洞室群施工力學中的應用［J］.巖石力學與工程學報，1992，11(4):323.

［3］李術才，朱維申.裂隙巖體大型洞室群施工順序優化研究［J］.巖土工程學報，1998，20(1):1.

［4］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.北京地鐵七號線工程施工圖［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［5］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.北京地鐵七號線勘察報告［R］.西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2010.

［6］TB 10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.

［7］王石春.隧道工程巖體分級［M］.成都:西南交通大學出版社，2007.

［8］TB 10121—2007 鐵路隧道監控量測技術規程［S］.

［9］常瑞杰.地鐵車站施工工法的優化選擇［J］.都市快軌交通，2010，23(2):83.