沈陽(yáng)市府大路站橫通道施工參數(shù)優(yōu)化分析

楊 雁

(中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

在修建地鐵隧道中，橫通道是十分重要的，必不可少的設(shè)施。沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線市府大路站采用小直徑管幕結(jié)合蓋挖逆作法施工，在上導(dǎo)洞中部設(shè)置7處橫通道，橫通道內(nèi)施工中立柱與橫梁，底導(dǎo)洞施工縱梁并與橫導(dǎo)洞橫梁形成整體管幕支撐體系。如何優(yōu)化橫通道的截面形式及施工順序，得出合理的橫通道參數(shù)，需要進(jìn)一步研究。

目前已有許多學(xué)者對(duì)橫通道的一些參數(shù)進(jìn)行了研究。紀(jì)文杰等[1]運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，模擬了4種不同橫通道施工順序的方案，得到了每種施工方案下的最大沉降值、反彎點(diǎn)距離和最大沉降位置。何洵等[2]采用有限元軟件分析考慮自重的圓形、直墻半圓拱和矩形3種截面隧道開(kāi)挖后的圍巖應(yīng)力場(chǎng)和擾動(dòng)區(qū)范圍，得出了最優(yōu)隧道截面。曾恕輝等[3]針對(duì)4種不同的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序，通過(guò)對(duì)位移場(chǎng)的變化進(jìn)行分析，得出了“先開(kāi)挖上部,上下交錯(cuò)開(kāi)挖”的最優(yōu)方案。張志強(qiáng)等[4]采用三維有限元數(shù)值模擬主隧道與橫通道組成不同交角的空間復(fù)雜受力交叉結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程，得出交叉角越小，圍巖應(yīng)力集中程度越高、橫通道襯砌結(jié)構(gòu)受力越大的結(jié)論。單仁亮等[5]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比研究了不同的導(dǎo)洞間開(kāi)挖錯(cuò)距和不同的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)M通道處地表沉降的影響。任建喜等[6]以西安黃土地區(qū)首個(gè)PBA工法車(chē)站為工程背景，對(duì)先期小導(dǎo)洞開(kāi)挖數(shù)量及開(kāi)挖順序的合理確定進(jìn)行了研究，得到了有效控制地表變形的開(kāi)挖方式。

鑒于此，本文利用Midas有限元軟件，依托沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線市府大路站，對(duì)市府大路站橫通道的不同截面形式和施工順序進(jìn)行模擬研究，為今后類(lèi)似工程作參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

1.1 土層參數(shù)選取

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件將穿越地層簡(jiǎn)化為4層。地層采用修正摩爾庫(kù)侖模型，計(jì)算模型所取詳細(xì)地層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 計(jì)算模型建立

本節(jié)對(duì)橫通道的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。按照市府大路站初步設(shè)計(jì)要求，頂部采用57根φ402 mm鋼管頂進(jìn)。用數(shù)值模擬軟件Midas GTS建立包括地層、管幕、橫通道的有限元模型。在方案優(yōu)選階段為簡(jiǎn)化計(jì)算采用二維模型，地層采用平面應(yīng)變單元模擬，橫通道襯砌采用梁?jiǎn)卧M，通過(guò)梁?jiǎn)卧膸缀涡螤詈筒牧闲再|(zhì)來(lái)定義。為減小邊界效應(yīng)，整個(gè)模型長(zhǎng)度取144 m，高度為25 m，管幕頂部埋深4.39 m。模型兩側(cè)為邊界水平位移約束，底部固定，上部為自由邊界。

計(jì)算模型圖如圖1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 橫通道截面形式

目前地下工程中常見(jiàn)的橫通道斷面形式有矩形和馬蹄形截面，本文采用面積等效法對(duì)兩種截面形式進(jìn)行換算，如圖2所示。

圖3為不同截面橫通道開(kāi)挖計(jì)算結(jié)果云圖。

選取中間橫通道上方地表沉降量和底部隆起量進(jìn)行分析，矩形截面橫通道開(kāi)挖引起的地表沉降量為49.81 mm，底部隆起量為11.6 mm，馬蹄形橫通道開(kāi)挖引起的地表沉降量為51.19 mm，底部隆起量為11.7 mm，由此可見(jiàn)兩種矩形截面和馬蹄形截面開(kāi)挖引起的地表沉降量和底部隆起量相差較小。圖4為不同截面橫通道開(kāi)挖計(jì)算豎向土壓力計(jì)算結(jié)果云圖。

分析圖4可知，矩形截面橫通道開(kāi)挖引起的頂管豎向土壓力在23.44 kPa～47.15 kPa之間，豎向土壓力分布較為均勻，而馬蹄形截面橫通道開(kāi)挖引起的頂管豎向土壓力在19.22 kPa～135.41 kPa之間，且在第二個(gè)橫通道拱頂處的豎向土壓力明顯大于其他橫通道拱頂土壓力，因此從頂管的受力情況來(lái)看，橫通道的截面形式建議選擇矩形截面。

2.2 橫通道施工順序

不同的橫通道開(kāi)挖順序引起的地表沉降不同，由上節(jié)可知，橫通道的截面形式為矩形時(shí)，橫通道頂部豎向土壓力較小。因此本文提出兩種不同的矩形截面橫通道開(kāi)挖順序，從左至右橫通道標(biāo)記為1～7。

開(kāi)挖順序一：開(kāi)挖橫通道1，7→開(kāi)挖橫通道2，6→開(kāi)挖橫通道3，5→開(kāi)挖橫通道4；

開(kāi)挖順序二：開(kāi)挖橫通道1，7→開(kāi)挖橫通道4→開(kāi)挖橫通道2，6→開(kāi)挖橫通道3，5。

模型計(jì)算中將橫通道開(kāi)挖分為四大施工步，限于篇幅，本文只給出開(kāi)挖順序一計(jì)算結(jié)果云圖，見(jiàn)圖5。

分析兩種開(kāi)挖順序下的橫通道豎向位移結(jié)果，順序一和順序二在在第一步開(kāi)挖時(shí)，各橫通道上覆土體豎向位移相同；在第二步開(kāi)挖時(shí)，順序一引起的最大豎向位移為26.8 mm，順序二引起的最大豎向位移為23.2 mm，均位于橫通道7上方；在第三步開(kāi)挖時(shí)，順序一引起的最大豎向位移為26.7 mm，順序二引起的最大豎向位移26.1 mm，均位于橫通道1上方；在第四步開(kāi)挖時(shí)，順序一引起的最大豎向位移為30.5 mm，位于橫通道4上方，順序二引起的最大豎向位移為28.7 mm，位于橫通道3上方；由此可見(jiàn)，按順序一開(kāi)挖引起的地表豎向位移總體上大于按順序二開(kāi)挖引起的地表豎向位移，因此建議橫通道施工順序?yàn)殚_(kāi)挖橫通道1，7→開(kāi)挖橫通道4→開(kāi)挖橫通道2，6→開(kāi)挖橫通道3，5。

3 結(jié)論及建議

本文利用有限元軟件Midas對(duì)沈陽(yáng)市府大路站橫通道的截面形式和施工順序進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)矩形截面橫通道開(kāi)挖引起的地表沉降量較馬蹄形截面橫通道開(kāi)挖引起的地表沉降量小2.6%，底部隆起量小0.85%；矩形截面橫通道開(kāi)挖引起的頂管受力情況明顯好于馬蹄形截面，矩形截面橫通道開(kāi)挖引起的最大豎向土壓力較馬蹄形截面橫通道開(kāi)挖小65.17%，因此市府大路站橫通道的截面形式建議選擇矩形截面；

2)開(kāi)挖順序一引起的最大豎向位移為30.5 mm，開(kāi)挖順序二引起的最大豎向位移為28.7 mm，兩者相差5.9%，因此橫通道開(kāi)挖順序建議選用先開(kāi)挖橫通道1和橫通道7，然后開(kāi)挖橫通道4，再開(kāi)挖橫通道2和橫通道6，最后開(kāi)挖橫通道3和橫通道5的施工順序。