北京地鐵區(qū)間開挖工法的可行性研究

冀少鵬，葛克水，孫立超，陳　松

（1.中國地質(zhì)大學(xué)<北京>工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.北京筑信達(dá)工程咨詢有限公司，北京100043）

北京地鐵區(qū)間開挖工法的可行性研究

冀少鵬*1，葛克水1，孫立超2，陳松1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)<北京>工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.北京筑信達(dá)工程咨詢有限公司，北京100043）

開挖工法的選擇對控制淺埋地鐵隧道引起的地表沉降起著重要的作用。以北京地鐵14號線某地鐵站區(qū)間為依托，運(yùn)用工程實(shí)際參數(shù)，結(jié)合有限元分析軟件Midas/GTS對地鐵區(qū)間開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，通過比對地表沉降實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果，明確數(shù)值模擬具有重要參考價(jià)值，進(jìn)而對臺階法、核心土法、導(dǎo)坑法3種方法進(jìn)行模擬，通過對施工完成后地表測點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)、變形曲線的對比分析，明確不同開挖工法對地表沉降影響的差異，為后續(xù)工程提供參考和借鑒。

淺埋暗挖；數(shù)值模擬；開挖方法

1　概述

隨著城市化進(jìn)程的加快，地鐵建設(shè)已經(jīng)成為緩解城市壓力的一種重要手段。經(jīng)過多年的工程實(shí)踐，北京已經(jīng)完成了多條地鐵線路的建設(shè)，很大程度上改善了人們的工作和生活。但是由于城市地下工程復(fù)雜的地質(zhì)條件、種類繁多的施工工藝、復(fù)雜的圍巖與支護(hù)相互作用等原因，使得施工方法的選擇起著越來越重要的作用。本文根據(jù)北京地鐵14號線某區(qū)間段的實(shí)際施工情況，通過Midas/GTS有限元分析軟件分別對臺階法、核心土法、導(dǎo)坑法3種不同開挖工法進(jìn)行模擬分析，通過對模擬結(jié)果的對比討論，分析不同開挖工法對地表沉降影響的差異，提出減小沉降的具體措施，為后續(xù)工程實(shí)踐提供一定的參考價(jià)值。

2　工程概況

北京地鐵14號線某車站為北京市軌道交通重點(diǎn)線路上的大型換乘車站，主體采用雙柱三跨拱形結(jié)構(gòu)，采用上下8導(dǎo)洞的開挖方式，兩換乘站呈“T”型換乘，共設(shè)1、2號2條換乘通道。區(qū)間左線起止里程：左K14+ 504.386～K15+043.934，區(qū)間長度539.548m；區(qū)間右線起止里程：右K14+504.386～K15+043.934，區(qū)間長度539.548m；區(qū)間隧道覆土16.1～24.6m，采用礦山法施工。區(qū)間中部右K14+681.000處設(shè)置施工豎井及橫通道，施工過程中由橫通道雙向開挖，站端設(shè)置迂回風(fēng)道及人防段。區(qū)間沿線需下穿2處人行天橋及?500mm中壓燃?xì)狻?500mm高壓燃?xì)狻?1000mm上水、?600mm上水等大型市政管線。

3　工程、水文地質(zhì)條件

本工程場地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層（Qm）l、第四紀(jì)全新世沖洪積層（Q4al+pl）、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層（Q3al+pl）3大層。區(qū)間隧道穿過的土層為中粗砂⑤1層、粉質(zhì)粘土⑥層、粉土⑥2層、粘土⑥1層、圓礫卵石⑦層、中粗砂⑦1層、粉細(xì)砂⑦2層。隧道圍巖分級為Ⅵ級，主要土層參數(shù)見表1。在本次勘察深度范圍內(nèi)，未見上層滯水，但由于大氣降水、管道滲漏等原因，沿線不排除局部存在上層滯水的可能性?？辈榻Y(jié)果顯示，地下水主要類型為潛水和承壓水。

4　數(shù)值模擬

表1　主要土層參數(shù)

根據(jù)實(shí)際施工參數(shù)，利用有限元分析軟件Midas/ GTS建立模型，選取埋深16.1～24.6m的區(qū)間段為研究對象。模型整體高度50m，模型區(qū)間開挖長度為60m，上邊界為地表面，下邊界為3倍洞室跨度，左右線洞距為實(shí)際洞室間距。上邊界為自由邊界，側(cè)面限制水平位移，模型底部限制垂直位移，模型網(wǎng)格如圖1所示。洞室開挖方向上10m、20m處設(shè)置斷面一、二，每個(gè)斷面各設(shè)13個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，斷面一測點(diǎn)編號為DB-01～DB-13，斷面二測點(diǎn)編號為DB2-01～DB2-13，測點(diǎn)布置如圖2所示。

土層、襯砌的參數(shù)為施工實(shí)際參數(shù)，區(qū)間正線開挖過程中，隧道拱部采用超前小導(dǎo)管注漿加固地層，超前小導(dǎo)管規(guī)格為DN25×3.25水煤氣管，長為2m，縱向間距為0.5m，環(huán)向間距為0.25m或0.3m，鎖腳錨桿為DN25×3.25水煤氣管，長為2m，對于超前支護(hù)，數(shù)值模擬采用適當(dāng)調(diào)整圍巖c、φ值來等效。

圖1　模型網(wǎng)格劃分

5結(jié)果分析

圖2　測點(diǎn)布置圖

5.1工程實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比分析

區(qū)間正線的實(shí)際開挖方法為核心土法，通過實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可參考價(jià)值，為后續(xù)3種不同開挖工法的模擬分析奠定基礎(chǔ)。區(qū)間正線開挖過程中，左線先開挖，左、右線開挖錯(cuò)距15m。取斷面一為研究對象，斷面一測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)表如表2所示，沉降曲線圖如圖3所示。

由數(shù)據(jù)表及曲線圖可知，在左線先開挖過程中，最大沉降量發(fā)生在左線拱頂對應(yīng)地表測點(diǎn)DB-05，斷面一模擬曲線與實(shí)測曲線變形趨勢基本相同。測點(diǎn)DB-05對應(yīng)模擬沉降值為5.912mm，實(shí)測沉降值為8.217mm，沉降差為2.305mm，是沉降變化最大位置，洞室兩側(cè)隨著距開挖洞室距離的增大，開挖對土體的擾動減小，沉降差呈減小趨勢，沉降差產(chǎn)生的原因主要是由于實(shí)際施工過程中影響因素較多，如施工中降水、開挖進(jìn)尺較長、施工過程中沒有及時(shí)施作初期支護(hù)、洞室的開挖沒有及時(shí)封閉成環(huán)、測量中交通對測量精度的影響等原因造成的。由于左右線洞室間距為1.4倍洞徑，為近間距隧道，區(qū)間雙線開挖時(shí)，洞室周圍土體的擾動會相互疊加，開挖完成后，取斷面二為研究對象，斷面二測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)表如表3所示，沉降曲線圖如圖4所示。

表2　斷面一沉降數(shù)據(jù)表

圖3　斷面一沉降曲線圖

表3　斷面二沉降數(shù)據(jù)表

由數(shù)據(jù)表及曲線圖可知，近間距隧道施工完成后，由于左右線開挖對隧道中間土體影響的相互疊加，沉降槽曲線不是雙峰沉降槽曲線，而是單峰沉降槽曲線。雙線開挖過程中，最大沉降量由左線拱頂對應(yīng)地表測點(diǎn)DB2-05逐漸向右移動，開挖完成后，最大沉降位置為兩隧道中線偏左的DB2-06點(diǎn)，主要是由于受到左線先開挖的影響。模擬曲線與實(shí)測曲線的橫向變形趨勢近似相同，DB2-06測點(diǎn)對應(yīng)的沉降差最大，模擬沉降值為14.884mm，實(shí)際測量值為18.513mm，沉降差為3.639mm，測點(diǎn)對應(yīng)沉降值均滿足規(guī)范要求。DB2-06測點(diǎn)兩邊沉降差有減小趨勢，由于曲線的變形趨勢基本相同，沉降差變化范圍較小，說明數(shù)值模擬有重要的參考價(jià)值。

5.2不同開挖工法的對比分析

模擬區(qū)間的開挖方法分別為：臺階法、核心土法、導(dǎo)坑法，3種方法的開挖工序如圖5所示，模擬開挖工序與實(shí)際施工工序保持一致。取斷面二為研究對象，開挖完成后，斷面二對應(yīng)的沉降數(shù)據(jù)表如表4所示，沉降曲線圖如圖6所示。

根據(jù)斷面二不同開挖工法對應(yīng)的沉降數(shù)據(jù)表及沉降曲線圖可得如下結(jié)論：

（1）由于該地鐵區(qū)間隧道為近間距隧道，區(qū)間雙線開挖過程中，3種開挖方法對應(yīng)的斷面沉降槽曲線均為單峰狀，說明沉降槽曲線的形式主要受隧道間距的影響。沉降最大點(diǎn)為左右線中間位置偏左的DB2-06測點(diǎn)，主要是由于左線先開挖，周圍土體較先受到擾動引起的，所以在左線開挖過程中要加強(qiáng)監(jiān)測，通過縮短開挖進(jìn)尺、合理注漿施工、及時(shí)封閉成環(huán)等措施來控制周圍土體變形及地表沉降。

圖4　斷面二沉降曲線圖

圖5　不同開挖方法施工工序圖

表4　斷面二模擬沉降數(shù)據(jù)表

圖6　斷面二模擬沉降曲線圖

（2）從圖6中可以看出，導(dǎo)坑法開挖引起的地表沉降最小，臺階法開挖引起的地表沉降最大，核心土法開挖引起的地表沉降介于導(dǎo)坑法和核心土法之間。3種開挖方法對應(yīng)地表沉降最大測點(diǎn)DB2-06的沉降值分別為：導(dǎo)坑法為10.632mm，核心土法為14.884mm，臺階法為27.532mm。地表沉降最大位移處，核心土法開挖引起沉降是導(dǎo)坑法的1.40倍，臺階法開挖引起的沉降是導(dǎo)坑法的2.59倍，臺階法開挖引起沉降是核心土法的1.85倍。最大沉降測點(diǎn)DB2-06兩側(cè)，隨著擾動影響的減弱，3種開挖方法引起的沉降差呈減小趨勢。

（3）對于軟弱地層，導(dǎo)坑法和核心土法能夠有效的控制了地表的沉降，導(dǎo)坑法開挖將開挖斷面分為3個(gè)小型斷面，拱部開挖后，及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效地控制了拱部土體的變形，臨時(shí)支撐的施工能夠使小斷面及時(shí)封閉成環(huán)，有效地減小拱頂和側(cè)墻的變形。對于核心土法，環(huán)形土體開挖后拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)控制拱頂沉降，預(yù)留核心土抑制了土體對掌子面的應(yīng)力作用，減小掌子面的變形，下臺階土體不僅對掌子面的變形起到抑制作用，而且對洞室側(cè)壁土體的變形起到抑制作用。對于該工程對應(yīng)的軟弱土層，臺階法施工地表最大沉降為27.532mm，由于數(shù)值模擬結(jié)果略小于實(shí)際施工引起的沉降結(jié)果，臺階法實(shí)際施工中引起的地表沉降很可能大于設(shè)計(jì)值30mm。所以，對于該工程臺階法建議謹(jǐn)慎使用。導(dǎo)坑法和核心土法引起的最大沉降量明顯小于設(shè)計(jì)值30mm，理論上都可以應(yīng)用，但是導(dǎo)坑法施工成本較高、進(jìn)度較慢、洞室開挖后期導(dǎo)坑拆除困難、工序復(fù)雜、工期延長、施工成本進(jìn)一步增加。相比較而言，核心土法不僅工序簡單，施工進(jìn)度較快，而且成本較低。所以，對于該工程，區(qū)間正線的開挖推薦使用核心土法。

6　結(jié)論

本文利用有限元軟件Midas/GTS模擬實(shí)際施工工況并與實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，所取斷面處的模擬橫向變形趨勢與實(shí)際變形趨勢基本相同，沉降差較小，說明數(shù)值模擬具有重要參考價(jià)值，沉降差主要是由于施工過程中降水、臺階開挖進(jìn)尺較長、開挖后沒有及時(shí)支護(hù)等原因引起的。根據(jù)對3種工法的模擬分析，由于模擬沉降值小于實(shí)際沉降值，臺階法開挖引起的實(shí)際地表沉降很可能大于控制值30mm，所以要謹(jǐn)慎使用。導(dǎo)坑法和核心土法都可以有效地控制洞室周圍土體的變形及地表的沉降。導(dǎo)坑法成本較高，工序繁瑣，工期較長，核心土法成本較低，工序簡單，進(jìn)度較快。

綜上所述，建議該工程的開挖方法為核心土法。對于沉降要求嚴(yán)格的部位，施工過程中可以采取減小開挖步長、及時(shí)施作支護(hù)、合理注漿、盡早封閉成環(huán)等措施來有效控制洞室周圍土體變形和地表沉降。

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U455.4

A

1004-5716（2016）01-0191-04

2015-09-01

冀少鵬（1988-），男（滿族），河北張家口人，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：地下建筑設(shè)計(jì)與施工。