地鐵車(chē)站暗挖通道平行上穿緊鄰既有線施工技術(shù)研究

伍勁鋒

摘 要：以北京地鐵 4 號(hào)線宣武門(mén)站人行通道平行上穿既有線為背景，研究中隔壁法（CRD 法）開(kāi)挖施工對(duì)地下既有線結(jié)構(gòu)受力和形變的影響。采用有限元平面應(yīng)變力分析模型，研究 CRD 法不同開(kāi)挖方案對(duì)既有線隧道結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果對(duì) CRD 法施工進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，先行開(kāi)挖緊鄰既有線部分可以有效降低掌子面分部開(kāi)挖卸荷的地層應(yīng)力，其對(duì)既有線隧道結(jié)構(gòu)受力和形變的影響顯著低于先行開(kāi)挖背離既有線部分。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;平行上穿;既有線;CRD 法;施工技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU457

CRD法，又稱(chēng)交叉中隔壁法，是一種適用于地質(zhì)條件差、隧道埋深淺且周邊環(huán)境復(fù)雜的暗挖施工方法，該開(kāi)挖方法要求每一個(gè)開(kāi)挖步都各自封閉成環(huán)，兼有臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于控制地表沉陷及地層變形具有良好的效果[1]，在城市地鐵、市政管線和公路淺埋隧道等工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]。王薇等利用有限單元法研究了CRD法在某城市地下公路淺埋暗挖隧道的應(yīng)用，結(jié)果表明，CRD法在控制地層變形方面效果顯著[3];周保生研究了CRD法在深圳市軌道交通9號(hào)線給排水管改遷工程中的應(yīng)用，并改進(jìn)了CRD法施工工藝，加快了施工進(jìn)度，同時(shí)又保障了施工安全[4];鄧一等采用離散元法研究了CRD法不同工序?qū)訝钏淼缼r體應(yīng)力和位移變化規(guī)律的影響，結(jié)果表明，巖層傾向與開(kāi)挖工序的關(guān)系密切[5]。由此可見(jiàn)，研究CRD法在具體工程中的施工方法，對(duì)保障工程施工安全具有重大的意義。

北京地鐵4號(hào)線宣武門(mén)站新增換乘通道工程，東北象限正北方向的一段人行通道在地鐵4號(hào)線的側(cè)上方平行穿越，且初支的外邊界緊鄰地鐵4號(hào)線，因此，采用CRD法施工控制地層變形，減少人行通道施工對(duì)既有線的影響。本文利用有限元軟件建立“地層-人行通道-既有線”的平面應(yīng)變力學(xué)模型，對(duì)比分析CRD法2 種不同開(kāi)挖方案對(duì)既有線結(jié)構(gòu)受力和形變的影響，優(yōu)化CRD開(kāi)挖方法，提升開(kāi)挖施工過(guò)程的安全性。2種開(kāi)挖方案為：方案1，先行開(kāi)挖緊鄰既有線部分，即開(kāi)挖步序是左上、左下、右上、右下;方案2，先行開(kāi)挖背離既有線部分，即開(kāi)挖步序是右上、右下、左上、左下。

1 工程概況

北京地鐵宣武門(mén)站是4號(hào)線與2號(hào)線的換乘車(chē)站，2號(hào)線車(chē)站東西向布置，4號(hào)線車(chē)站南北向布置。為改善2線之間換乘能力嚴(yán)重不足，新建西北、東北、西南3條換乘通道實(shí)現(xiàn)4號(hào)線向2號(hào)線的換乘。東北象限正北方向新增人行通道平行上穿既有4號(hào)線區(qū)間，平行穿越長(zhǎng)度約為300 m，通道結(jié)構(gòu)為馬蹄形斷面，標(biāo)準(zhǔn)斷面開(kāi)挖跨度10.1 m，開(kāi)挖高度8.4 m，初支外皮與區(qū)間凈距約2.2 m，為特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源（圖1）。

2 有限元數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 計(jì)算模型

新增通道與既有4號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)大范圍平行，開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)地層和既有結(jié)構(gòu)變形的影響主要體現(xiàn)在橫截面內(nèi)，因此，本項(xiàng)目可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行分析。采用有限元軟件PHASE2D建立二維數(shù)值模型如圖2所示。模型長(zhǎng)50 m，高30 m，頂部為自由邊界，兩側(cè)及底部采用法向位移約束。地層以及深孔注漿加固區(qū)采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，劃分為三角形單元;新增通道和4號(hào)線的二襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行模擬;整個(gè)模型共計(jì)2 567個(gè)單元，3 458個(gè)節(jié)點(diǎn)。

假定土層是均質(zhì)的和各向同性的，且為水平層狀分布，其變形破壞特征符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，既有線結(jié)構(gòu)、通道初支和二襯。均簡(jiǎn)化為彈性本構(gòu)模型。各土層的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 1，深孔注漿加固的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.2 模擬步序

CRD法開(kāi)挖分區(qū)示意圖如圖3所示。本文主要研究2種不同的開(kāi)挖方案對(duì)既有線結(jié)構(gòu)受力和形變的影響。方案1，模擬步序是先行開(kāi)挖緊鄰既有線部分，即開(kāi)挖順序依次是Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ;方案2，模擬步序是先行開(kāi)挖背離既有線部分，即開(kāi)挖順序依次是Ⅲ→Ⅳ→Ⅰ→Ⅱ。在開(kāi)挖Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)時(shí)，均采用預(yù)留核心土方法。方案1模擬步序如下。

（1）進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡的計(jì)算，模擬施工開(kāi)挖前既有線所處地層的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。

（2）開(kāi)挖Ⅰ區(qū)導(dǎo)洞并保留核心土，激活初支結(jié)構(gòu)單元，修改加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)，施作初支，及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿。

（3）開(kāi)挖Ⅰ區(qū)核心土部分，施作仰拱，激活仰拱結(jié)構(gòu)單元。

（4）開(kāi)挖Ⅱ區(qū)土體，激活該區(qū)初支結(jié)構(gòu)單元，修改加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)，然后激活該區(qū)仰拱結(jié)構(gòu)單元。

（5）采用與Ⅰ區(qū)相同的方法開(kāi)挖Ⅲ區(qū)。

（6）采用與Ⅱ區(qū)相同的方法開(kāi)挖Ⅳ區(qū)。

（7）拆除下部臨時(shí)中隔壁結(jié)構(gòu)單元，激活二襯結(jié)構(gòu)單元。

（8）拆除上部臨時(shí)中隔壁結(jié)構(gòu)單元，完成施工過(guò)程模擬。

方案2模擬步序與上述（1）～（8）類(lèi)同，從Ⅲ區(qū)開(kāi)始模擬開(kāi)挖。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 先行開(kāi)挖緊鄰既有線部分（方案 1）

3.1.1 既有線結(jié)構(gòu)位移趨勢(shì)

圖4為先行開(kāi)挖緊鄰既有線部分（方案1）條件下不同模擬步序時(shí)的位移云圖。下面根據(jù)圖4分析各個(gè)模擬步序時(shí)的位移變化。

（1）由圖4a可知，預(yù)留Ⅰ區(qū)核心土待開(kāi)挖，此時(shí)位移主要集中在核心土的臺(tái)階部分，根據(jù)位移箭頭可看出核心土底部土體發(fā)生局部上拱，而既有線部分的位移不明顯。

（2）由圖4b可知，當(dāng)完成Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的開(kāi)挖并施工左側(cè)的初支和橫向隔墻時(shí)，橫向隔墻的位移最大，Ⅱ 區(qū)底部土體呈上拱變形，既有線右線的位移箭頭指向已開(kāi)挖區(qū)，表明此步的開(kāi)挖擾動(dòng)已引起既有線發(fā)生形變，橫向隔墻在抑制地層和結(jié)構(gòu)變形中發(fā)揮了顯著作用。

（3）由圖4c可知，當(dāng)全部完成開(kāi)挖并施工初支、橫豎向隔墻時(shí)，開(kāi)挖擾動(dòng)引起的既有線結(jié)構(gòu)位移達(dá)到最大，左線和右線位移箭頭均指向開(kāi)挖區(qū)，同時(shí)，橫、豎向隔墻的位移最顯著，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)底部土體發(fā)生上拱變形，由此表明，隨著開(kāi)挖卸荷范圍的擴(kuò)大，地層擾動(dòng)的范圍亦隨之增大，隔墻繼續(xù)發(fā)揮抑制地層和結(jié)構(gòu)變形的作用。

（4）由圖4d可知，當(dāng)拆除全部隔墻并施工完二襯以后，二襯結(jié)構(gòu)的位移最顯著，表明此時(shí)二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)了地層松動(dòng)引起的主要荷載，有效地抑制了既有線結(jié)構(gòu)的形變。

3.1.2 既有線結(jié)構(gòu)計(jì)算點(diǎn)位移

圖5為既有線左線和右線結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的位移和應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)布置示意圖，其中，Z4和Y4分別表示左線和右線距離開(kāi)挖區(qū)最近的計(jì)算點(diǎn)。

圖6、圖7分別為既有線左線和右線計(jì)算點(diǎn)位移、應(yīng)力與模擬步序的關(guān)系曲線，圖6、圖7分析如下。

（1）隨著開(kāi)挖范圍的增大，左線和右線計(jì)算點(diǎn)的位移不斷增大，在模擬6步序時(shí)（即完成4個(gè)分區(qū)的全部開(kāi)挖和初支施工），位移達(dá)到最大值，隨著二襯的施工，左線和右線計(jì)算點(diǎn)的位移有所回落。對(duì)比圖6a和圖6b可知，新增通道施工對(duì)右線形變的影響顯著大于左線，左線Z2計(jì)算點(diǎn)（底拱）的形變最大，右線Y3計(jì)算點(diǎn)形變最大。

（2）左線和右線計(jì)算點(diǎn)的豎向應(yīng)力變化趨勢(shì)與位移變化趨勢(shì)一致，即應(yīng)力擾動(dòng)幅度隨開(kāi)挖面積增大而不斷增大，在模擬步序6時(shí)達(dá)到最大值，并在二襯施工完成后，應(yīng)力擾動(dòng)幅度有所回落，另外，應(yīng)力擾動(dòng)最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置是左線Z2計(jì)算點(diǎn)和右線Y3計(jì)算點(diǎn)。由此說(shuō)明，開(kāi)挖卸荷的應(yīng)力擾動(dòng)是引起既有線結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的本質(zhì)原因，距離開(kāi)挖區(qū)越近，擾動(dòng)幅度越大，對(duì)左線的底拱影響最大，而對(duì)右線的右側(cè)墻擾動(dòng)最大。

3.2 先行開(kāi)挖背離既有線部分（方案 2）

3.2.1 既有線結(jié)構(gòu)位移趨勢(shì)

圖8表示先行開(kāi)挖背離既有線部分條件下不同模擬步序的位移云圖。下面根據(jù)圖8分析各個(gè)模擬步序的位移變化。

（1）由圖8a和圖8b可知，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)開(kāi)挖完成后，變形主要集中在開(kāi)挖區(qū)附近土體及橫向隔墻，對(duì)既有線結(jié)構(gòu)的位移影響較少，這是由于開(kāi)挖區(qū)距離既有線結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)。

（2）由圖8c和圖8d可知，當(dāng)整個(gè)斷面開(kāi)挖完成且初支施工后，既有線結(jié)構(gòu)存在顯著位移，二襯施工完成后在一定程度上抑制了地層的形變對(duì)既有線結(jié)構(gòu)的影響，由此可見(jiàn)，既有線結(jié)構(gòu)形變主要來(lái)自于開(kāi)挖Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)應(yīng)力擾動(dòng)。

3.2.2 既有線結(jié)構(gòu)計(jì)算點(diǎn)位移

圖9、圖10分別表示既有線左線和右線計(jì)算點(diǎn)位移、應(yīng)力與模擬步序的關(guān)系曲線，圖9、圖10分析如下。

（1）既有線結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力擾動(dòng)幅度在模擬步序6之前不斷增大，然后隨著二襯施工完成，兩者的值有所下降。

（2）左線Z2計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力擾動(dòng)和形變最顯著，右線Y3計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力擾動(dòng)和形變最顯著。

4 結(jié)論及建議

方案1在整個(gè)施工過(guò)程對(duì)既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著擾動(dòng)影響，而方案2在施工左上開(kāi)挖分區(qū)Ⅰ、左下開(kāi)挖分區(qū)Ⅱ?qū)扔芯€結(jié)構(gòu)擾動(dòng)不大，因此，若對(duì)左上開(kāi)挖分區(qū) Ⅰ、左下開(kāi)挖分區(qū)Ⅱ施工過(guò)程有嚴(yán)格位移控制要求的，建議優(yōu)先選擇方案2。然而，方案1的最終擾動(dòng)程度顯著低于方案2，因此，從最終的安全控制角度來(lái)看，推薦采用方案1。

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收稿日期 2020-05-15

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明