中洞法地铁车站开挖引起的沉降及支护结构应力分析

中洞法地铁车站开挖引起的沉降及支护结构应力分析

孙启东

中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600

摘要：以乌鲁木齐市新兴街站为例，利用有限元软件对中洞法的整个开挖过程进行数值模拟，重点对车站各导洞开挖过程中的地表、拱顶位移和支护结构内力等方面进行了分析，通过分析结果指导车站设计。研究表明，采用中洞法能有效控制地表和拱顶沉降以及支护结构应力，确保施工过程的安全，车站施工方案可行。

关键词：地铁车站 中洞法 有限元 地表沉降 结构应力

1 引言

地铁暗挖站的工法取决于工程地质条件、断面尺寸及开挖工艺的影响。地铁施工过程中需严格控制地表沉降，减小对地面既有交通以及建构筑物的影响[1]。正确分析暗挖施工过程中围岩的稳定性，以及暗挖施工对周围岩体的影响范围的程度，是保证地下暗挖施工安全、快速、经济施工的首要前提和必要条件[2]。对于复杂地层条件下大跨度地铁车站的开挖，开挖方式的选择尤为重要。本文以乌鲁木齐市新兴街站为研究对象，进行采用中洞法施工车站的开挖过程进行数值模拟，从地表、拱顶沉降以及支护结构受力等方面对车站采用中洞法施工做出评价。

2 工程概况

2.1车站概况

新兴街站为地下两层单柱车站，车站长241.1m，最大开挖宽度为22.9m，最大开挖高度为19.3m。车站位于犁铧街与新民东（西）街交叉路口南侧，主体沿犁铧街呈南北向布置。犁铧街现状道路宽22m为双向BRT专用两车道及南行3车道，新民东街现状为单向3车道，新民西街现状为双向4车道。各道路车流量大，交通繁忙。车站周边建筑物密集，西侧有泰琮小区、新疆邮电犁铧街住宅小区沿街7～8层临街住宅楼，东侧有6层宏大电器广场、11层苏商大酒店及7层临街住宅楼。车站两端各设置1座施工竖井及横通道。

2.2地质条件

车站拱顶覆土13m，车站结构范围内围岩主要由侏罗系和二叠系泥岩、砂岩组成。由于车站临近雅玛里克复式背斜轴部，岩层倾角较大在60°~75°范围，泥岩及砂岩呈互层状分布且各层岩层节理裂隙较为发育，局部存在构造裂隙。由于岩层倾角大，车站开挖过程中围岩变化频繁，主要穿越侏罗系⑤-1-1全风化泥岩、⑤-1-2强风化泥岩、⑤-1-3中风化泥岩、⑤-2-2强风化砂岩、⑤-2-3中风化砂岩、⑤-4-2强风化炭质泥岩；二叠系⑥-1-1全风化泥岩、⑥-1-2强风化泥岩、⑥-1-3中风化泥岩、⑥-1-4微风化泥岩、⑥-2-2强风化砂岩、⑥-2-3中风化砂岩、⑥-2-4微风化砂岩及构造裂隙内的⑥-4含碎石粉土。基岩中赋存有基岩裂隙水，水位埋深16.08~16.20m。

2.3车站施工方法

车站采用中洞法施工，将车站断面分为9个导洞自施工横通道进行车站主体开挖，每个导洞开挖后即施做初期支护封闭成环，使得车站开挖断面由大断面变为小断面，具体施工分块及施工顺序如图2.1所示。

图2.1 中洞法施工分块及施工顺序

Ⅰ、施工超前支护、开挖Ⅰ区范围岩土及时施做初期支护；

Ⅱ、开挖Ⅱ区范围岩土及时施做初期支护；

Ⅲ、开挖Ⅲ区范围岩土及时施做初期支护；

Ⅳ、施工Ⅳ区范围车站底纵梁、钢管柱、中纵梁及顶纵梁；

Ⅴ、施工超前支护、对称开挖Ⅴ区范围岩土及时施做初期支护；

Ⅵ、开挖Ⅵ区范围岩土及时施做初期支护；

Ⅶ、开挖Ⅶ区范围岩土及时施做初期支护；

Ⅷ、局部拆除Ⅷ区域范围临时中隔壁，及时施做车站二衬仰拱；

Ⅸ、局部拆除Ⅸ区域范围临时中隔壁（仰拱），及时施做车站二衬边墙及中板；

Ⅹ、局部拆除Ⅹ区域范围临时中隔壁（仰拱），及时施做车站二衬拱顶。

3 计算模型的建立

对本车站采用有限元分析软件MIDAS GTS NX建立三维有限元地层-结构模型，模拟车站开挖的整个过程。车站周边围岩采用弹性材料模拟，隧道初支采用板单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟[3]。模型中水平计算范围均取3倍隧道跨度计68.7m，隧道竖直计算范围向上取至地表，向下取隧道高度的3倍计57.9m[4]，考虑施工中各导洞掌子面错开距离及优化模型计算速度，模型纵向长度取150m。为准确模拟车站开挖过程中的内力及变形情况围岩采用六面体网格划分，受车站开挖影响较大范围内的土体网格划分较密，计算模型见图3.1。

图 3.1 车站计算模型

4 分析计算结果

4.1 沉降分析计算结果

沉降随着各小导洞开挖逐步发展。具体表现为地表沉降滞后于拱顶沉降，拱顶沉降滞后于隧道开挖掌子面。地表沉降随各导洞开挖稳步增大，3层中导洞开挖完毕后地表沉降为5.16 mm，左右侧3层导洞开挖完毕后地表沉降为5.96 mm，当初支封闭成环35m后（掌子面在测点前方35m处）地表沉降为6.35mm且随后开挖对测点处地表沉降影响可忽略不计。不同阶段地表沉降值详见图4.1。

4.1 地表沉降值曲线图

由上图可知同一横断面地表沉降在车站中心线处最大，往两侧逐渐减小，影响范围约为一侧35m（1.5倍开挖宽度）。由中导洞开挖引起的沉降占总沉降量的81.3%，侧导洞开挖引起的沉降占总沉降量的12.6%，其余沉降由后续隧道掌子面开挖引起，其影响范围约为35m（1.5倍开挖宽度）。

本工程位于22m宽市政道路下方，道路两边建筑物均在沉降影响范围内。施工过程中应沿隧道开挖方向各横断面逐点布设监测点，对施工造成的沉降实时监测，从而有效指导施工，控制沉降在允许值范围内。

4.2 初期支护结构应力

随着各导洞开挖，车站初期支护结构受力情况变化较大，表4.2为各主要施工阶段初期支护结构应力。

表4.2 支护结构的应力特征

步序 最大主应力(MPa) 最小主应力(MPa) 剪应力(MPa)

Ⅲ导洞开挖完成 -0.69~0.62 -3.33~0.09 -1.43~1.42

Ⅴ导洞开挖完成 -2.07~1.86 -10.58~0.53 -2.67~3.09

Ⅵ导洞开挖完成 -2.19~1.72 -11.31~0.32 -2.75~2.78

Ⅶ导洞开挖完成 -2.21~3.44 -11.17~0.66 -2.77~2.76

初支封闭成环35m后 -2.21~3.49 -11.17~0.68 -2.77~2.77

由表4.2可得出开挖阶段初支应力变化规律。中洞开挖过程中初期支护结构均为环形受力结构，结构应力较小且变化不大。随着侧洞的开挖，破坏了原有支护结构的环形受力结构，荷载不能有效传递造成局部应力集中。侧洞开挖完毕后整个断面再次形成环形受力结构，初支受力趋于稳定随着车站继续开挖支护结构应力变化较小。

5 结论

通过对车站建立的有限元模型进行数值模拟结果，得出以下结论：

（1）地表沉降沿开挖横断面呈凹槽形分布，沉降主要发生在中间导洞开挖。随着车站开挖地表沉降凹槽深度和宽度逐渐加大，影响宽度最终扩展至车站中线两侧各35m范围，影响长度至开挖掌子面35m。施工时应根据车站开挖情况，加强对应影响范围内各项地表及建构筑物监测工作；

（2）支护结构应力随各导洞的开挖不断变化，左右侧上导洞开挖时支护结构应力变化较大，对应掌子面施工时应加强支护结构特别是临时中隔壁及临时仰拱的监测及保护措施；

（3）有限元建模过程中合理的选取各项参数能较准确的反映各施工过程中结构及围岩情况，能有效的辅助设计人员对各施工状态有更深入的了解并采取针对性措施；

（4）暗挖工程受地质条件影响较大，应重视地质勘察及环境调查工作，开挖过程中应做好超前地质预报及各项监测数据收集分析，及时调整支护参数以确保工程安全。

参考文献：

[1]吴占瑞.盾构扩挖修建地铁车站对临近建筑物影响研究[D].西南交通大学, 2009.

[2]刘春, 易俊, 姜德义, et al. 大断面隧道施工力学响应数值模拟研究[J].中国矿业, 2008, 17(2):90-93.

[3]李治. Midas/GTS在岩土工程中应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4]苏晓堃. 隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范围研究[J].铁道工程学报, 2012, 29(3):64-68.