地铁车站暗挖施工过程支护结构受力分析

地铁车站暗挖施工过程支护结构受力分析

尹维峰

身份证号：220402********561X 

摘要：地铁工程建设是现代城市交通建设的重要组成部分，而在地铁建设中，暗挖施工是常用的方法。因为暗挖施工具有不扰民、不干扰交通的特点，能够有效地减少对周边环境和居民生活的影响。然而，暗挖施工对地层地表变形的影响较大，可能会造成交通隐患，因此需要对其施工过程进行科学的规划和控制。近年来，某地铁车站的暗挖施工成为了研究的热点。为了更好地掌握施工过程中支护结构受力的情况，研究人员采用模拟计算方法，简化边桩结构及支护结构，对导洞及车站施工期间的受力情况进行了分析。

关键词：地铁车站；暗挖施工；支护结构；受力分析

1工程概述

施工区间位于看丹站西端，出站后施工路线由东向西敷设，自康辛路开始止于榆树庄站。施工期间存在下穿市政管线风险，因此施工前对周边地下管线进行复探，对管线雨水、污水渗流情况采取超前探测。本段区间里程位于行车路段下方，施工基底处于建筑垃圾填土内。暗挖区间采用管幕法进行施工，区间浮土厚度为7.2～7.7m。本段基底设置管幕结构区间，整体位于杂填土(1)层，考虑该土层的地基承载能力，结构基底设置承载桩。地层探测结果显示，土层依次为杂填土(1)层、卵石(4)层、(5)层、黏土岩(6)层及砾岩(7)层。施工区间潜水面西部高、东部低，2018年12月下旬，测得施工站点西部地下水位标高为30m，施工站点东部地下水位标高约为25m。本段施工区间基底承载桩布设位置在地下水位上方，因此不考虑地下水影响。

2数值模型

本文将介绍一个针对隧道和4倍跨度的围岩的模拟分析。该模型的宽度为100米，高度为76米，厚度为45.7米。本文将从以下七个方面进行详细的介绍：首先，我们需要对围岩进行网格划分，该模型共有668512个单元和640435个节点。这样可以更好地模拟围岩的行为，并对其受力进行分析。其次，我们使用摩尔-库伦模型来模拟围岩的行为。同时，我们使用实体单元来模拟喷射混凝土的使用情况，使用beam单元来模拟格栅钢架的使用情况，使用cable单元来模拟预应力锚杆的使用情况。第三，我们需要设定约束条件。底面需要全位移约束，左右面和前后面需要对法向位移进行约束，但不需要对上面的位移进行约束。第四，我们需要设立监测断面，并设定数据监测点。这样可以更好地分析施工过程中围岩和支护结构的受力变化特点。监测点的设置应该充分考虑施工过程中的变化，以获取更准确的数据。第五，每次开挖进尺应该设为0.8米，同时安装立架、锚杆和喷射混凝土。这样可以更好地模拟实际的施工过程，并对受力变化进行分析。第六，模型隧道完全贯通需要288个开挖步序。在支护、开挖方式和实际施工保持一致的情况下，我们可以更好地分析隧道在施工过程中的受力情况，并对其进行优化。最后，我们需要对模拟结果进行综合分析，并根据分析结果进行优化。通过这样的模拟分析，我们可以更好地了解隧道和围岩的受力特点，并在实际施工中进行优化和改进。

3主要施工流程

本区间段采用管幕施工，主要工艺流程包括掌子面注浆加固、顶进位置破桩开孔、吊装钢管就位、钢管顶进纠偏、钢管顶进合格检验、调整感钢管顶进就位、管间清理和螺栓就位、管内管间混凝土灌注和完工退场。这些步骤都是在进行地铁隧道施工中必不可少的步骤。在初支结构施工完成后，就需要进行左右线洞内承载桩施工。承载桩施工可以由堵头墙向临时竖井口出施工，也可以由南侧向北侧施工。这样做是为了方便后续的二衬结构施工。掌子面注浆加固是管幕施工的一个重要步骤。在这个步骤中，需要对管幕进行加固，以确保隧道的稳定性和安全性。顶进位置破桩开孔是为了将钢管顶入地下，这个步骤需要非常谨慎，以确保钢管的安全和精确顶进。吊装钢管就位是管幕施工的关键步骤。这个步骤需要使用非常先进的设备和技术，以确保钢管的安全和稳定。钢管顶进纠偏是为了确保钢管的位置和方向精确，以便后续的管间清理和螺栓就位。钢管顶进合格检验是管幕施工中十分重要的步骤。在这个步骤中，需要对钢管的质量和安全性进行检验，以确保隧道的质量和安全性。调整感钢管顶进就位是为了确保钢管的精确位置和方向，以便后续的管间清理和螺栓就位。管间清理和螺栓就位是为了确保管道的安全和稳定，这个步骤需要非常仔细和耐心。管内管间混凝土灌注是为了确保管道的稳定性和安全性，以便后续的隧道施工。最后，完工退场是管幕施工中的最后一步，这个步骤需要将所有设备和工具清理干净，并确保隧道的质量和安全性达到标准。总之，管幕施工是地铁隧道施工中非常重要的一个环节，需要非常细心和耐心，以确保隧道的质量和安全性。

4计算模型简化

近年来，越来越多的工程项目采用了简化结构体来替代传统的边桩结构和管幕结构。其中，连续墙和矩形结构体被广泛应用。为了进一步简化结构体，将边桩结构和管幕结构简化为连续墙和矩形结构体。其中，连续墙单元厚度设置为0.688m，可以有效提高结构的刚度和稳定性。为了满足抗弯刚度等效原则，管幕结构也被简化为矩形结构。通过对管幕结构进行单调静压试验，可以获得其荷载-变形曲线，进而取其线性段刚度作为等效横向刚度，从而确保结构的稳定性和安全性。简化结构体的应用不仅可以提高工程项目的施工效率，还可以减少材料、人工和时间的浪费，节约成本。同时，简化结构体也可以提高结构的可靠性和稳定性，减少结构的维护和修缮成本。

5力学性能分析

5.1导洞施工对地表沉降影响

近年来，地下工程建设已经成为城市建设的重要组成部分。其中，地铁建设是大多数城市必须面对的问题。然而，地铁建设会对周围的地表造成不可避免的影响，其中之一就是地表沉降。在某地铁建设现场，一组研究人员对不同导洞开挖后的地表沉降情况进行了调查。他们发现，不同导洞开挖后地表沉降量呈现低谷形，呈波谷形趋势。在左下导洞最先开挖时，最大沉降量出现在中部区域，距两端约70m，为2.13mm。而在右下导洞开挖后，其地表沉降量最高，达到3.28mm，较左下导洞开挖完成后下降了1.15mm。完成左下和右下导洞的开挖后，沉降量占总沉降量的87.9%。而左上和右上导洞的开挖对地表沉降影响相对较小，地表沉降值最大分别达到3.56mm和3.73mm，较右下导洞施工完成后仅增大了0.45mm。这一研究结果可以为地铁建设提供参考。在施工过程中，应注意不同导洞的开挖顺序以及对周围环境的影响。通过科学的施工方案和技术手段，可以减少地表沉降对周围环境的影响，保证地下工程的安全和稳定。

5.2导洞施工对地表沉降纵向影响

导洞开挖对地表沉降的影响是不可避免的。研究表明，导洞开挖至导洞附近对地表沉降影响极大。在导洞开挖至-12m及开挖至-22m后，地表沉降量速率减缓。这是因为开挖前地层处于密实状态，导洞开挖完成后施工区域封闭，上覆土被人工夯实，因此地表沉降放缓。各导洞在开挖至导洞附近2d范围，地表沉降量分别达到其导洞开挖总沉降量的68.1%、71.8%、71%、77.8%。这说明导洞开挖对地表沉降的影响是非常显著的。但是，在导洞开挖完成1d后，地表沉降基本稳定，地层无明显变形发生。各导洞地表沉降量分别占其导洞总沉降量的10.4%、9.4%、16.1%、11.1%。这表明，虽然导洞开挖对地表沉降有一定的影响，但是在一定时间后，这种影响会逐渐减小。因此，在导洞开挖之前，应该充分考虑地表沉降的影响，并采取相应的措施来减轻其影响。例如，在施工区域上方铺设加固板，加强施工区域的支撑，减少地表沉降。此外，还可以采用地下水位降低的方法来减轻地表沉降。这些措施可以有效地减轻导洞开挖对地表沉降的影响，确保施工的安全和稳定。

5.3车站主体施工对地表沉降影响

地铁建设是现代城市发展的重要组成部分，但是在地铁建设过程中，地表沉降是不可避免的问题。通过对某地铁建设现场的研究，发现各层施工对地表沉降影响规律由两端向中部位置发展。在地铁建设过程中，各层施工期间对应最大地表沉降量分别为3.95mm、4.14mm、4.25mm。这意味着地下施工深度越大，地表沉降量也就越大。但是需要注意的是，沉降区域主要控制在距地表40～90m之间，超过这一范围的地区对地表沉降的影响较小。在支护结构形成之后，车站主体施工阶段对地表沉降影响较小。这是因为支护结构可以有效地分散地下施工对周围环境的影响。但是需要注意的是，即使在车站主体施工阶段，地下施工仍会对周围环境造成一定的影响，需要进行有效的监测和控制。总的来说，在地铁建设过程中，地表沉降是一个需要重视的问题。通过对沉降规律的研究和有效的监测控制，可以最大程度地减少地下施工对周围环境的影响，保障城市发展的可持续性。

5.4支护横向受力分析

在地铁车站建设过程中，支护受力是一个重要的考虑因素。支护受力是指支护结构所承受的各种力作用，包括垂直和横向的力。这些力的大小会随着施工的进行而逐渐增大，这是因为随着土方开挖的深入，周围的土体会受到更大的挤压力。然而，不同施工阶段对支护受力的影响是不同的。在车站主体施工阶段，横向支护应力的发展速度相对较慢。这是因为在这个阶段，支护结构已经形成了一个相对稳定的框架，能够承受一定的横向力。因此，在这个阶段，对支护结构的横向加固可以逐步进行，以确保支护系统的稳定性。然而，在导洞施工阶段，支护横向应力的增量占总应力值的61%。这是因为在这个阶段，隧道的直径较小，而导洞的施工又需要使用大型设备，因此横向力的作用相对较大。为了保证支护结构的稳定性，必须采取措施强化支护结构的横向承载能力。在其余车站主体开挖期间，横向应力值占最大应力变化的39%。这一阶段的施工相对较为复杂，需要考虑多种因素的影响。因此，在这个阶段，需要采取更加精细的支护结构，以确保施工过程的稳定性和安全性。总之，支护受力是地铁车站建设过程中需要重点考虑的因素之一。在不同的施工阶段，需要采取不同的措施，以确保支护结构的稳定性和安全性。只有这样，我们才能顺利地完成地铁车站的建设工作，为城市的发展做出贡献。

5.5支护纵向受力分析

在地铁车站的建设中，地下空间的开挖和支护是一项非常重要的工作。其中，下方导洞的开挖对支护纵向受力影响很小，这是由于导洞埋置位置较深，距离支护较远，导致其对支护的影响较小。事实上，最终支护纵向的应力值仅为0.068MPa，这说明支护系统已经完成了部分工作，有一定的支撑作用，使得支护纵向的受力影响不大。在地铁车站的施工过程中，主体施工阶段对支护纵向受力影响也相对较小。然而，在负一层至负三层开挖期间，应力数值由0.281MPa升至0.433MPa，增长应力值占最大应力值的35.1%。这说明在开挖过程中，支护系统需要承受较大的压力和力量。此外，在导洞开挖期间，应力数值由0增大至0.271MPa，占最大应力值的62.6%。这意味着导洞开挖对支护系统的纵向受力影响较大，需要特别注意。综上所述，地铁车站建设中的地下空间开挖和支护是一项非常复杂的工作。通过对下方导洞的开挖和支护的研究，我们可以更好地掌握其对支护系统的纵向受力影响，从而更好地保障地铁车站施工过程中的安全和稳定。

5.6支护结构受力

近日，一项关于地下洞室工程的数值模拟研究成果发布了。该研究通过数值模拟显示，拱架轴力曲线受到各部开挖影响，而各部开挖施加支护后，拱架轴力上升明显，锚杆轴力无大变化。在模拟过程中，拱架轴力稳定在30.74kN，锚杆轴力稳定在102.17kN。同时，现场监测数据显示拱架、锚杆轴力变化趋势大致相同。各部开挖通过监测断面时，拱架轴力发生突变，但对锚杆轴力无明显影响。现场围岩侧和临空侧拱架轴力分别为12.55、17.92kN，锚杆轴力为108.22kN。总体上看，两者拱架轴力在同一数量级，锚杆轴力相差较小，拱架受力小，锚杆预应力损失小。断面各部开挖时均会造成拱架轴力增加，但增量随掘进过程逐渐降低。该研究成果对地下洞室工程的设计和施工具有重要意义。研究人员建议，在施工过程中，应该加强对拱架轴力的监测，及时采取措施减小拱架的受力。同时，还应该注意支护对锚杆轴力的影响，避免预应力损失过大。

6结论

总的来说，地铁工程建设中的暗挖施工虽然具有不扰民、不干扰交通的好处，但也存在一定的风险和隐患。因此，我们需要从多个方面对其进行规划和控制，确保施工过程的安全和顺利进行。

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