地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程模拟研究

地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程模拟研究

夏国志 宋卫东

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

摘要：运用FLAC3D软件，结合北京天坛东门地铁车站站后折返区间具体工程条件，折返区间在采用双侧壁导坑法开挖的情况下，对不同的局部开挖顺序进行了数值模拟研究，通过分析得出同样的支护参数，在满足支护强度和结构稳定性的前提下，分析了不同的局部开挖顺序对区间隧道周围土体位移的变化规律，得出先同时开挖双侧洞，支护、建筑完后，再开挖中洞，对地表沉降影响及周围土体扰动均比较小为最优方案，为此工程设计提供了理论依据，也为类似工程设计施工提供类比和指导。

关键词：浅埋暗挖 双侧壁导坑法 开挖顺序 FLAC3D模拟

1 引言

随着城市地铁工程在我国的蓬勃发展和大量续的修建，由地铁工程开挖而引发的环境问题(主要是指施工过程中由地层变形失控所引起环境害，主要包括地面建筑物、道路、管线等构筑物损害)已成为城市现代化建设中的一个亟待解决问题，因此，研究城市地铁工程开挖过程中地表降的有效控制问题，对于地表环境保护具有十分要的意义，其中，关于开挖顺序的优化分析是一重要的研究课题[1]。

在地下隧道开挖中，随着开挖面的推进，如何尽量保持岩土体的初始状态，减少对岩土体初始状态的扰动，保持围岩处于相对稳定状态及不发生过大位移是工程中密切关注的问题。它涉及

1 作者简介：夏国志(1980－)，男，硕士，2004年毕业于南昌大学建筑工程专业，同年9月考入北京科技大学工程力学专业攻读硕士学位研究生，主修地下结构工程方向。E-mail：***********************

导地下工程开挖方式的选择，开挖空间的利用，最佳支护方式，支护参数及支护时机的确定等因素。因此针对具体的岩土体研究不同的开挖方式下围岩的应力及位移状态，对分析围岩稳定性及推动地下工程施工力学的发展有着重要的意义。在浅埋暗挖地铁工程施工中，横断面多采用分部开挖，其应力、位移释放规律也比较复杂[2]，在横截面上各部分土体不同开挖顺序对地表及围岩的影响这方面有一定的研究[3，4]，但在横截面各部分土体开挖顺序确定的条件下，各部分土体在纵向的开挖进度对地表及围岩的影响研究却比较少，本文结合天坛东门站站后折返区间工程实例，模拟计算在纵向上不同开挖进度情况下，地表及围岩位移变化规律，以指导隧道工程设计与施工。

2工程概况

2 作者简介：夏国志(1980－)，男，硕士，2004年毕业于南昌大学建筑工程专业，同年9月考入北京科技大学工程力学专业攻读硕士学位研究生，主修地下结构工程方向。E-mail：***********************

北京地铁5号线是一条纵惯京城南北的交通大动脉，天坛东门站位于这条大动脉的南端，周围古建筑较多，交通比较繁忙，施工方案采用浅埋暗挖法施工，站后折返区间是两平行地铁隧道的连接通道，通过折返区间，列车可在这两条隧道上调换，由于区间功能的需要，折返区间跨度较大，最大断面跨度23.6m，高8.924m，纵向长32.943m，高跨比为0.378，为扁平结构。如图1所示。

大管棚小导管513631247842

图1折返区间断面横截面开挖顺序

3 开挖方案数值模拟

FLAC(拉格朗日元法)是目前世界上优秀的岩土力学数值计算软件系统之一，FLAC3D是一种三维显式有限差分程序，其基本原理，算法与离散元法相似，它运用节点位移连续条件，可对连续介质进行大变形，基于显式差分法求解运动方程和动力方程，FLAC3D提供了梁、桩、锚杆、壳体等多种结构单元，非常适合于研究隧道开挖等岩土工程问题[5]。

3.1 模型及边界条件

在开挖过程中，地面横向受影响范围一般为开挖掌子面3倍洞径的范围。在无水、少水情况下，地面横向沉降范围一般认为等于结构埋深，也就是从结构物边横向向外结构埋深宽度[6]。

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工程中侧洞开挖断面跨度为7.4m，受开挖扰动的横向范围主要在侧洞外24m之内。结构覆盖土层厚度12.54m，结构底拱埋深21.5m，考虑到中洞开挖对两侧土体的扰动和模型边界条件的影响，综合上述，确定计算模型宽90m，高50m，纵向沿着隧道方向长度40m。由于内部结构相对于整个模型显得太小，为了更清晰显示内部结构，从而未显示外围土体，如图2所示。

图2 有限元模型

计算采用摩尔库仑准则，模型在两侧边界和前后边界约束住水平位移，底部边界约束住竖直位移，上边界为自由面，考虑到地表是公路，因此模型在上边界施加20kPa的竖直向下均布荷载。

3.2土体和衬砌材料参数

根据实际勘测资料，土体特性分为四层，第一层：表层杂填土，厚1.4m，第二层：粉土，厚5.7m，第三层：粉质砂土，厚4.3m，第四层：粉质粘土与卵石，厚38.6m。土体参数见表1。

表1 土体和支护结构材料物理力学性能参数

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材料 重度/KN·m-3 变形模量/MPa 泊松比 内摩擦角(。) 粘聚力C/kPa

表层杂填土 17.0 20 0.35 29.0 20.0

粉土 18.0 17.5 0.30 28.0 17.0

粉质砂土 16.0 16.3 0.28 27.5 14.1

粉质粘土与卵石 20.0 31.1~37.6 0.30 29.2~33.0 29.9~33.8

管棚支护注浆层 20.8 114.1 0.25 31.0 281.6

初期支护 27.0 65000 0.23 / /

二次衬砌 27.5 130000 0.23 / /

3.3 开挖方案设计

折返区间采用双侧壁导坑法开挖，横截面开挖顺序如上图1所示，

开挖定义： A：开挖侧洞1、2、3、4部分，临时支护封闭，作初衬，建筑拄和二衬拱

B：开挖中洞上层5、6部分，临时支护封闭顶拱，作初衬，建筑中洞顶拱二衬

C：开挖中洞下层7、8部分，临时支护封闭仰拱，作初衬，建筑中洞仰拱二衬

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方案1：两侧A同时开挖，再B开挖，最后C开挖，完成整体结构

方案2：一侧A开挖，然后另侧A开挖，再开挖B，最后开挖C，完成整体结构

方案3：先两侧A同时开挖20m，B、C开挖20m；再两侧A同时由20m开挖到40m，B、C开挖由20m开挖到40m，完整整体结构

方案4：先一侧A开挖20m，另一侧A开挖20m，再B、C开挖20m；后再一侧A由20m开挖到40m，另一侧A由20m开挖到40m，最后B、C由20m开挖到40m，完成整体结构

3.4模拟结果及分析

由于该隧道为三洞对称结构，中洞净空高度和跨度都大于两边侧洞，又中洞所处中间位置两侧没有围岩的约束，且中洞上部土体变形受到两侧洞开挖的扰动以及中洞土体开挖的双重影响，使得中洞部位所对应的地面、顶拱相对位移变化量都大于侧洞所对应的地面、顶拱相对位移变化量，中洞土体开挖对地面沉降和结构变形的影响都比较大，所以有效的控制由于中洞开挖而使得的地面沉降和结构变形是工程中的关键。

为研究隧道变形，沿着模型纵向(即沿着隧道方向)在5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m处取七个截面，监测截面中洞顶拱正中点及对应的地面点沉降，如图3和图4。

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0中洞地面沉降位移(mm)-5-10-15-20-25-305101520纵向截面处(m)253035方案 1 方案 2 方案 3 方案 4

图3地面监测点沉降曲线

0-5-10-15-20-25-30-35-40-455101520纵向截面处(m)253035中洞顶拱沉降位移(mm)方案 1方案 2 方案 3 方案 4

图4顶拱监测点沉降曲线

从图3可以得出沿着隧道方向中洞地面沉降逐渐增大后又有减小的趋势，隧道两端地面沉降小，而在中间附近地面沉降大。这是由于隧道端部土体围岩压力比较小，受前后开挖的扰动也比较小，而隧道中部围岩压力比较大，受前后开挖土体的扰动也比较大的缘故。隧道前段开挖，开挖面应力释放，开挖面前部土体向开挖面倾斜，从而使得中洞地面沉降最大点一般在两端中间偏后一些，方案1和方案2大约在截面25m处，方案3和方案4大约在截面30m处。分析图4可以得出沿着隧道方向中洞顶拱沉降先逐渐增大后减小，再增大最后又减小，沉降变化有一种波动的趋势，但总体趋势还是两端沉降比较小，中间沉降比较大，这和其地面沉降趋势相一致，

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只是在数值上顶拱的沉降比地面的沉降要大一些。这种变化趋势也和实际工程情况相吻合。分析图3和图4，后两种方案的中洞地面和中洞顶拱沉降量都要大于前两种方案，中洞地面最大沉降量后两种方案分别是前两种方案的1.6倍左右。顶拱最大沉降量是前两种方案的1.24倍左右。分析四种方案，最根本的区别在于前两种方案是侧洞开挖、二衬建筑完后再开挖中洞，后两种方案是把整个工程沿着隧道方向分为前20m开挖、筑二衬和后20m开挖、筑二衬两段进行施工，从图3和图4可以看出在前段15m施工时，四种方案地面和顶拱沉降相差不大，而之后的沉降差距就逐渐拉大，体现在施工开挖上即为前两种方案侧洞开挖到20m处后继续开挖侧洞，而后两种方案侧洞开挖到20m，建筑衬砌，开挖中洞。前者由于先只开挖侧洞，而中洞土体形成岩柱承受上部荷载，同时也隔开两侧洞，使得在开挖过程中开挖跨度不大，使围岩有效的形成横向应力拱，有效的抑制了地面沉降，而后者侧洞开挖到20m处开始开挖中洞，开挖过程跨度较大，虽然侧洞和中洞间建有隔柱承受上部荷载，但隔柱作用面积小，不足于形成中洞岩柱所形成的横向应力拱，而又在开挖后半段20m时，由于前半段20m中洞土体已开挖掉，不能形成岩柱，结构凌空跨度很大，后半段的开挖对整个隧道结构和围岩的扰动影响就越大，所以地面沉降和顶拱沉降就越大。由此可以判断出方案1和方案2要优于方案3和方案4。

对于方案1和方案2，前者由于两侧洞同时开挖。开挖面积大，对围岩及中洞土体扰动也越大，故地面及顶拱沉降略大于后者。又因为该方案属于对称开挖，所以两侧洞顶拱沉降也大致相同。

而方案2为非对称开挖，左右侧洞顶拱沉降不相等，最大相差达22%，大约在截面25m处，如下图5所示。

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0-2顶拱沉降位移(mm)-4-6-8-10-12-14-165101520纵向截面处(m)253035方案1 左洞顶拱方案1 右洞顶拱方案2 左洞顶拱方案2 右洞顶拱

图5侧洞顶拱沉降曲线

这就说明由于先开挖一侧洞后再开挖另一侧洞的时间关系而使得两侧土体变形和应力释放都不相同，导致结构两侧受围岩压力也不相同，结构处于偏压状态，这对于结构的长期稳定是不利的，如工程采用此种方案施工，则必须加大初期支护和二衬的刚度来抵抗由于偏压给结构带来的不利影响。这势必造成工程费用的增加，又其施工开挖面积小，施工工期长，且开挖另一侧洞时对已建成的侧洞二衬扰动影响较大，也不利于结构的长期稳定。所以在满足地面沉降的情况下，建议采用方案1。而不采用方案2

4结语

分析计算结果，可得出以下结论：

(1)对于结构对称的隧道，建议应采用对称开挖，且两侧开挖进度要远大于中部开挖进度，这样更好的发挥中部土体岩柱作用，有效的减小开挖过程中整个跨度结构凌空面暴露的时间。

(2)隧道结构拱沉降量要大于地面沉降量。隧道拱和地面的变形总体趋势是在横向上中间大，两侧小，在纵向上隧道两端口小，中部大。

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(3)对比四种方案，可判断出在此工程中采用方案1为最优方案，此方案沉降量比较小，能满足地面沉降控制要求，工期短，但不足之处是同时开挖两侧洞对中间土柱扰动比较大，其稳定性较差，需要采取预支护、注浆等措施来增加土体的强度，提高土体的稳定性。

(4)对于方案2，由于一次性开挖面积小，对土体扰动也小，开挖后地面和顶拱的沉降量均小，对于某些地段需要严格控制地面沉降的工程，可以考虑用此方案进行施工。但此方案的缺点是工期长，由于要抵抗结构偏压的影响而增大结构初衬和二衬的刚度，所以造价也比较高。

参考文献

[1] 吴 波，高 波，漆泰岳，蒋正华.城市地铁区间隧道洞群开挖顺序优化分析.中国铁道科学，2003.10，24(5)：24～28

[2]吉小明，张选兵，白世伟.浅埋暗挖地铁隧道开挖过程的模拟研究.岩土力学，2002.12，23(6)：828~830

[3] 宋卫东 ，谢政平 ，张继清. 天坛东门站浅埋暗挖施工顺序对地表沉降影响的数值模拟分析. 岩石力学与工程学报，2005.11，24(增2)：5774～5778

[4] 杨天鸿，梁正召，刘红元等. 地铁开挖引起地表沉陷过程的数值模拟. 岩石力学与工程学报，2002.11，21(11)：1620～1626

[5] 李仲奎，戴荣，姜逸明.FLAC3D分析中的初始应力场生成及在大型地下洞室群计算中的应用.岩石力学与工程学报，2002.12，21（增2）：2387～2392

[6]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论.合肥：安徽教育出版社，2004.12

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