北京地鐵6號線朝陽門站導(dǎo)洞暗挖施工數(shù)值模擬研究

蘇會鋒，劉維寧，彭智勇

(1.山東科技大學(xué) 資環(huán)學(xué)院 交通系，山東 青島 266510;2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 基本概況

北京地鐵6號線朝陽門站位于東二環(huán)朝陽門橋西側(cè)，在朝陽門內(nèi)大街與豆瓣胡同交叉路口下方，與既有地鐵2號線朝陽門站換乘。車站沿朝陽門內(nèi)大街呈東西向設(shè)置，路口四角分別有層高12至23層的高層建筑，朝陽門內(nèi)大街鄰近環(huán)島路下建有一條過街通道。車站東端為朝陽門立交橋及既有2號線朝陽門車站。車站周邊道路情況復(fù)雜，朝陽門內(nèi)大街、東二環(huán)路及東二環(huán)西側(cè)輔路交通流量非常大，屬重要的交通樞紐區(qū)。

車站為三跨兩柱雙層結(jié)構(gòu)，最大寬度為22.35 m，高度為16.10 m。剖面上導(dǎo)洞分為上下2排共8個(gè)導(dǎo)洞，在先開挖導(dǎo)洞基礎(chǔ)上，進(jìn)行車站的開挖。導(dǎo)洞邊緣最大寬度為27.10 m，最大高度為17.30 m。沿車站方向有多條管線，受影響的主要有8條管線，這些管線距離車站最近豎向距離為4.17 m，最遠(yuǎn)水平距離為14.00 m左右。圖1為車站的斷面圖。

圖1 6號線朝陽門站剖面(單位:mm)

車站暗挖施工擬采用洞樁法，即先開挖8個(gè)導(dǎo)洞以分別施作底縱梁、冠梁、邊樁和中柱，而后施作頂拱;在由頂拱、冠梁及邊樁、中柱組成的板、梁、柱支撐體系下再開挖車站主體，并施作車站中板和底板。由于導(dǎo)洞數(shù)量多，開挖土方量巨大，開挖中會形成群洞效應(yīng)［1］，導(dǎo)洞施工的好壞關(guān)系到整個(gè)車站建設(shè)的成敗。

2 三維有限元數(shù)值模型

2.1 模型與參數(shù)

根據(jù)朝陽門站的地質(zhì)勘察報(bào)告、車站結(jié)構(gòu)及施工方案設(shè)計(jì)圖紙和周邊環(huán)境等資料，對朝陽門站洞樁法施工，車站群洞效應(yīng)及對周圍環(huán)境的影響進(jìn)行模擬研究，重點(diǎn)考慮車站先施工上導(dǎo)洞方案與先施工下導(dǎo)洞方案的優(yōu)劣。模擬采用目前先進(jìn)的MIDAS/GTS軟件進(jìn)行。

在MIDAS/GTS中，建立三維正交坐標(biāo)系，以車站中心地表為坐標(biāo)原點(diǎn)，順線路前進(jìn)方向?yàn)閅軸，選取模型范圍為X×Y×Z=160 m×60 m×60 m，圖2為導(dǎo)洞開挖幾何模型。由于朝陽門站沒有實(shí)測的地表沉降數(shù)據(jù)可依，因此，根據(jù)車站勘察報(bào)告和北京地鐵類似洞樁法工程結(jié)果［2-5］及對地表沉降最大可能值的經(jīng)驗(yàn)判斷［6-7］，初步確定模型計(jì)算參數(shù)后，通過反復(fù)試算確定模型中最后的計(jì)算參數(shù)。

模型中，土體采用實(shí)體單元模擬，導(dǎo)洞初支采用板單元模擬，管線初支采用板單元模擬且考慮與土體變形協(xié)調(diào)而未設(shè)置接觸面。導(dǎo)洞上方的小導(dǎo)管注漿加固通過注漿加固體來模擬，選取注漿加固厚度為0.5 m。導(dǎo)洞初支、管線初支采用線彈性本構(gòu)模型，土層采用摩爾—庫倫(M-C)模型。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，將地層簡化為5層。荷載考慮了自重荷載和地面超載。

圖2 導(dǎo)洞與管線幾何模型空間關(guān)系前視圖

2.2 模擬方案

分別計(jì)算了先開挖上導(dǎo)洞，待上導(dǎo)洞貫通后再開挖下導(dǎo)洞和先開挖下導(dǎo)洞，待下導(dǎo)洞貫通后再開挖上導(dǎo)洞的兩種施工方案，通過地表變形和管線變形的結(jié)果來進(jìn)行方案對比。

方案一:先開挖上導(dǎo)洞，在每排導(dǎo)洞中采用跳挖錯(cuò)距的方式，即先開挖6 m導(dǎo)洞1后，開挖導(dǎo)洞3，滯后6 m開挖導(dǎo)洞4，接著滯后6 m開挖導(dǎo)洞2。每次開挖進(jìn)尺為3 m，導(dǎo)洞初支滯后開挖土體一步施作。

方案二:先開挖下導(dǎo)洞，同樣采用跳挖錯(cuò)距的方式，其余類同第一種方案。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表豎向變形

選取Y=30 m斷面和X=0斷面地表來比較地表變形量。

1)上導(dǎo)洞/下導(dǎo)洞貫通后，兩種施工方案的選取斷面地表變形曲線見圖3。Y=30 m斷面內(nèi)兩種施工方案均形成沉降槽，且沉降槽中心均位于導(dǎo)洞2和導(dǎo)洞3之間的地表;方案一的沉降槽寬度和沉降值均較大;X=0斷面地表顯示在模型縱向范圍內(nèi)發(fā)生均勻的地表沉降，方案一的沉降值較大。

2)全部導(dǎo)洞貫通后，兩種施工方案的選取斷面地表變形曲線見圖4。Y=30 m斷面內(nèi)兩種施工方案均形成沉降槽，且沉降槽的形狀基本相同;X=0斷面地表在模型縱向范圍內(nèi)均發(fā)生地表沉降，且兩種施工方案引起的地表沉降接近。

為清楚地顯示導(dǎo)洞開挖對地表變形及管線位移的影響，方案一選取8個(gè)典型的施工步驟:①導(dǎo)洞5開挖3 m進(jìn)尺;②導(dǎo)洞5開挖至中部;③導(dǎo)洞5貫通;④下導(dǎo)洞貫通;⑤導(dǎo)洞1開挖3 m進(jìn)尺;⑥導(dǎo)洞1開挖至中部;⑦導(dǎo)洞1貫通;⑧全部導(dǎo)洞貫通。方案二同樣選取了8個(gè)相似的施工步驟。

在兩種施工方案中，各個(gè)開挖步驟的(X=0，Y=30 m，簡稱斷面1)斷面相交線上的地表點(diǎn)的沉降值和(X=0，Y=0，簡稱斷面2)處地表點(diǎn)的沉降值統(tǒng)計(jì)列于表1。

圖3 上導(dǎo)洞、下導(dǎo)洞貫通后選取斷面地表變形曲線

圖4 全部導(dǎo)洞貫通后選取斷面地表變形曲線

表1 地表點(diǎn)(X=0，Y=30 m)的沉降值統(tǒng)計(jì)

從各開挖步驟的Y=30 m斷面地表變形曲線圖中可以總結(jié)出，沉降槽的中心基本上位于點(diǎn)(X=0，Y=30 m)處;各個(gè)典型開挖步驟下，地表沉降槽的形狀略有不同，方案二的沉降槽寬度較方案一的大，且方案二的沉降值基本上大于方案一的沉降值，兩種方案的最終沉降槽形狀基本相同。從表1中看出，兩種方案的地表最終沉降值相同，上導(dǎo)洞、下導(dǎo)洞貫通引起的地表沉降約占全部導(dǎo)洞貫通引起的地表沉降的50%左右。

從各個(gè)開挖步驟的X=0斷面地表變形曲線圖中可以看出，沉降最大值點(diǎn)往往位于點(diǎn)(X=0，Y=0)處;雖然各個(gè)典型開挖步驟下地表沉降縱向形狀和沉降值略有不同，但地表沉降縱向形狀的趨勢和最終地表沉降縱向形狀基本相同。從表1中看出，兩種方案的地表最終沉降值相同，上導(dǎo)洞、下導(dǎo)洞貫通引起的地表沉降約占全部導(dǎo)洞貫通引起的地表沉降的50%左右。

另外，從各開挖步驟的X=0斷面地表變形曲線圖中還可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)洞開挖會造成地表沉降縱向影響，其影響范圍大致為開挖面的縱向前/后方約12～18 m范圍內(nèi)，且方案二的影響范圍略大。從地表豎向變形方面對比，在施工過程中，方案一略優(yōu)于方案二。

3.2 管線豎向變形

選取8根管線的底部縱剖面來分析管線的變形。

8個(gè)典型施工步驟中，以導(dǎo)洞開挖過程中管線6的豎向位移為例，曲線圖見圖5。

方案一，管線6在“導(dǎo)洞1開挖至中部”、“導(dǎo)洞1貫通”和“導(dǎo)洞5開挖至中部”的施工階段時(shí)會產(chǎn)生沿管線縱向較大的差異沉降，管線的最大斜率為0.367 mm/m;管線6的最大沉降量發(fā)生在“全部導(dǎo)洞貫通后”階段，最大沉降量為－16.03 mm。

圖5 管線6豎向位移曲線

方案二，管線6在“導(dǎo)洞5開挖至中部”、“導(dǎo)洞5貫通”、“導(dǎo)洞1開挖至中部”和“導(dǎo)洞1貫通”的施工階段時(shí)會產(chǎn)生沿管線縱向較大的差異沉降，管線的最大斜率為0.395 mm/m;管線6的最大沉降量發(fā)生在“全部導(dǎo)洞貫通”階段，最大沉降量為－16.48 mm。

將兩種施工方案各條管線的最大沉降斜率和最大沉降量分別列于表2。

表2 管線最大沉降斜率、沉降量統(tǒng)計(jì)

對比兩種施工方案的管線差異沉降情況，位于車站上方而差異沉降較大的管線5和管線6，方案二引起的管線的差異沉降大于方案一引起的管線的差異沉降;對比兩種施工方案的管線的最大沉降情況，位于車站上方而沉降值較大的管線4、管線5和管線6，方案一引起的管線的最大沉降小于方案二引起的管線的最大沉降。故從管線豎向位移方面對比兩種施工方案的優(yōu)劣，建議采用方案一即先開挖上導(dǎo)洞方案。

3.3 地層沉降豎向分布

兩種施工方案中，在各施工步驟中，地表至拱頂沉降曲線基本上呈現(xiàn)隨埋深而沉降值逐漸增大的趨勢;對于全部導(dǎo)洞貫通時(shí)，導(dǎo)洞2頂部地表的沉降值是導(dǎo)洞2拱頂?shù)某两抵档?6%(先開挖上導(dǎo)洞方案)和87%(先開挖下導(dǎo)洞方案)。所以，從埋深對于地面沉降的影響方面對比兩種施工方案的優(yōu)劣，建議采用方案一即先開挖上導(dǎo)洞方案。

4 導(dǎo)洞開挖順序建議

綜合上面所述，從地表豎向變形、管線豎向變形、地層沉降豎向分布等方面進(jìn)行對比分析，建議采用先開挖上導(dǎo)洞方案。

4.1 導(dǎo)洞開挖分析

1)無論先開挖下導(dǎo)洞還是先開挖上導(dǎo)洞，8個(gè)導(dǎo)洞施工完成后，地面最大沉降值基本相同;下導(dǎo)洞拱頂?shù)淖畲蟪两抵?22.1 mm)小于上導(dǎo)洞拱頂?shù)淖畲蟪两抵?31.5 mm)。因此，施工過程中應(yīng)重點(diǎn)控制上導(dǎo)洞的開挖與支護(hù)，避免在擾動后土層中開挖上導(dǎo)洞是非常必要的，從控制拱頂沉降方面考慮，建議采用先開挖上導(dǎo)洞施工方案。

2)在控制導(dǎo)洞開挖對地面縱向沉降影響、管線變形及地層沉降豎向分布影響等方面，先開挖上導(dǎo)洞方案略優(yōu)于先開挖下導(dǎo)洞方案。綜合分析后，建議采用先開挖上導(dǎo)洞施工方案。

3)先開挖上導(dǎo)洞方案時(shí):上導(dǎo)洞開挖完成后，下導(dǎo)洞開挖時(shí)引起上導(dǎo)洞底最大沉降量4.8 mm。因此，上導(dǎo)洞開挖時(shí)適當(dāng)整體上抬、預(yù)留上導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)整體下沉降量是非常必要的。

4)導(dǎo)洞開挖時(shí)，各典型開挖步驟下地面沉降縱向形狀范圍和沉降值略有不同，但大致影響范圍為開挖面的縱向前/后方約12～18 m。因此，有條件時(shí)建議各導(dǎo)洞前后錯(cuò)開距離不小于10 m。

4.2 管線變形分析

通過數(shù)值模擬分析，建議在本站暗挖施工前，對沉降較大的污水管進(jìn)行永久改移或臨時(shí)改移，確保該地區(qū)污水管網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)營及地鐵工程的安全。

數(shù)值分析結(jié)果可以定性地反映出施工過程中結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力響應(yīng)。數(shù)值分析雖不能全面地模擬出施工中的各種細(xì)部工程措施，但可以真實(shí)地反映其變化趨勢以及不同方案之間的差異。

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