三跨單層地鐵換乘站聯(lián)通結構工法優(yōu)化仿真研究

王偉

摘 要：長春地鐵 1 號、2 號線在解放大路站進行換乘，換乘站為三連拱雙柱式單層十字交叉聯(lián)通結構。文章采用有限元方法建立單層聯(lián)通結構仿真模型，對側洞法和中洞法 2 種施工方法引起的地表沉降規(guī)律進行仿真研究，優(yōu)化分析十字交叉互聯(lián)結構聯(lián)絡通道工法，以期能夠提高類似地下互聯(lián)結構工程的施工效率及安全性。

關鍵詞：地鐵;換乘車站;聯(lián)通結構;側洞法;中洞法;工法優(yōu)化

中圖分類號：TU476.4

1 工程概況

長春地鐵解放大路站是地鐵1號線和2號線的換乘車站，是長春地鐵第一座換乘車站，也是國內第3座十字交叉換乘車站。車站位于人民大街和解放大路交叉口，屬于長春市交通咽喉要道，地面交通十分繁忙，路口四周分布有多座高大建筑及文物保護古建筑，同時場址區(qū)域地下管線極為復雜。因此，工程建設中應嚴格控制地表沉降，以減少施工對周邊建筑、地下管線及地面交通的影響。

1號線車站主體為島式站臺，雙層、三跨拱頂直墻結構，采用一次扣拱暗挖逆作法施工;2號線車站主體為側式站臺，雙層、雙跨拱頂直墻結構，采用洞樁法（PBA）施工。1號、2號線車站主體通過三跨單層聯(lián)通結構連接，供地鐵車輛通行，對于單層聯(lián)通結構施工，因開挖斷面不大，側洞法和中洞法等方法均可以選擇，2種工法完成的主體結構一致，差異在于聯(lián)通結構導洞施工步序，見圖1（圖1中①～⑨為導洞號及導洞施工序號）。為提升聯(lián)通結構工程的施工效率及安全性，本文采用有限元方法建立單層聯(lián)通結構仿真模型，對2 種施工方法引起的地表沉降規(guī)律進行仿真研究，優(yōu)化分析聯(lián)通結構工法。

2 仿真模型

結合工程經(jīng)驗和模型計算精度要求，采用FLAC3D軟件建立側洞法和中洞法施工工序仿真模型，模型幾何尺寸設定為60 m×15 m×40 m（長×寬×高）。模型上表面為自由面，將法向位移約束施加在其他表面上，假設地表應力應變以及材料應力應變均屬于彈塑性。仿真模型的地表計算依據(jù)摩爾庫侖準則，并且假設地表呈均質水平。初支和二襯設置為實體單元。建模時對結構物周邊加密網(wǎng)格分布，在計算中不考慮管棚（視為安全儲備），也不考慮在開挖過程中地下水所帶來的影響。側洞法和中洞法仿真模型見圖2，仿真模型的地層和結構參數(shù)見表1。

3 側洞法與中洞法地層/地表沉降分析

3.1 仿真步序

3.1.1 側洞法仿真步序

側洞法按照如下施工步序進行仿真分析，其中，施工階段1為“側部開挖”階段包含步序（1）～步序（7），施工階段2為“中部開挖”階段包含步序（8）～步序（10）。

（1）管超前、嚴注漿，分臺階開挖兩側①號導洞，初支緊跟，待先開挖①號導洞貫通后，再開挖另一側。

（2）依次開挖兩側②號導洞，初支緊跟，①號、②號導洞間距至少15 m。

（3）依次開挖兩側③號導洞，初支緊跟，②號導洞貫通后再開始開挖③號導洞。

（4）依次開挖兩側④號導洞，初支緊跟，③號、④號導洞間距至少5 m。

（5）依次開挖兩側⑤號導洞，初支緊跟，③號、⑤號導洞間距至少15 m。

（6）依次開挖兩側⑥號導洞，初支緊跟，⑤號、⑥號導洞間距至少15 m。

（7）根據(jù)監(jiān)測情況分段拆除臨時中隔壁，施作底梁、側洞底板二襯，兩側導洞依次施作。在臨時仰拱上施作中柱與頂梁，根據(jù)監(jiān)測情況分段拆除下部臨時仰拱，施作部分側墻二襯。根據(jù)監(jiān)測情況分段拆除中隔壁、臨時仰拱，逐步完成側洞二襯，兩側導洞依次施作。

（8）中洞開挖上臺階，初支緊跟，在中隔壁及時架設頂梁水平鋼支撐。鑿除頂部中隔壁并施作頂拱二襯，待頂拱強度合格后，緊隨中臺階開挖，視監(jiān)測情況設置中隔壁。

（9）下臺階采用短臺階開挖法，臺階長度不大于6m，封閉初支，分段拆除臨時中隔壁，初支緊跟。

（10）分段拆除臨時中隔壁，施作底板二襯，待二襯強度合格后，拆除臨時鋼支撐，完成主體結構。

3.1.2 中洞法仿真步序

中洞法按照如下施工步序進行仿真分析，其中，施工階段1為“中部開挖”階段包含步序（1）～步序（9），施工階段2為“側部開挖”階段包含步序（10）～步序（13）。

（1）管超前、嚴注漿，分臺階開挖兩側①號導洞，初支緊跟。

（2）開挖②號導洞，初支緊跟， ①號、②號導洞間距至少15 m。

（3）②號導洞貫通后再開始開挖③號導洞，初支緊跟。

（4）開挖④號導洞，初支緊跟，③號、④號導洞間距至少5 m。

（5）開挖⑤號導洞，初支緊跟，③號、⑤號導洞間距至少15m。

（6）開挖⑥號導洞，初支緊跟，⑤號、⑥號導洞間距至少15m。

（7）根據(jù)監(jiān)測情況分段拆除臨時中隔壁，施作底梁、中洞底板二襯，待底板強度合格后，及時架設臨時中隔壁。

（8）在臨時仰拱上施作中柱。

（9）根據(jù)監(jiān)測情況分段拆除上部臨時中隔壁，施作頂梁、中洞頂拱二襯。

（10）中跨頂拱強度合格后，架設鋼筋拉桿，對稱開挖兩側⑦號導洞。

（11）對稱開挖兩側⑧號導洞，⑦號、⑧號導洞間距至少15m。

（12）⑧號導洞開挖至少15m后，對稱開挖兩側⑨號導洞，封閉初支。

（13）根據(jù)監(jiān)測情況分段拆除中隔壁，依次完成側洞底板二襯，兩側導洞對稱進行，分段拆除剩余所有臨時仰拱、中隔壁，二襯閉環(huán)，完成主體結構。

3.2 仿真結果分析

圖3給出了側洞法和中洞法施工完成后地層沉降云圖，圖4給出了各施工步序地表沉降槽曲線，表2給出了各施工步序地表沉降比例。綜合分析圖3、圖4、表2數(shù)據(jù)如下。

（1）洞室開挖過程中，中洞頂部上方土體被多次擾動，形成上小下大的梯形土體沉降集中區(qū)域，側洞法最終施工地表沉降小于中洞法。

（2）從整個施工過程仿真分析結果來看，側洞法在階段1的地表沉降占比69.55%，階段2的地表沉降占比30.45%，階段1地表沉降比階段2多出39.1個百分點;中洞法在階段1的地表沉降占比55.78%，階段2的地表沉降占比44.22%，階段1地表沉降比階段2多出11.56個百分點。

（3）側洞法和中洞法2種工法的階段1的沉降量均明顯大于階段2，可見階段1開挖是關鍵時期，開挖完成后及時完成支護的閉環(huán)、盡快健全結構整體受力剛度體系、勤量測同時補充臨時支撐能有效減緩開挖過程中地表沉降的發(fā)展。

（4）側洞法在階段2的沉降發(fā)展比中洞法緩慢，最終地表沉降小于中洞法。總體上來看，側洞法相比于中洞法對控制地表沉降更具優(yōu)勢。

4 結束語

本文基于長春地鐵1號線和2號線解放大路換乘車站主體交叉結構——三跨單層地鐵車站聯(lián)通結構為工程背景，采用FLAC3D軟件仿真模擬側洞法和中洞法2種工法下地層、地表沉降變化規(guī)律和大小。研究結果表明，側洞法和中洞法2種工法施工階段1的沉降量都明顯大于階段2，可見階段1是開挖關鍵時期，階段1開挖完成后要及時完成支護的閉環(huán)，盡快健全結構整體受力剛度體系，加強量測，補充臨時支撐以有效減緩開挖過程中地表沉降的發(fā)展。側洞法在階段2的沉降值發(fā)展比中洞法緩慢，最終施工地表沉降小于中洞法?？傮w來看，側洞法對控制地表沉降更具優(yōu)勢。

參考文獻

[1]王夢恕.隧道與地下工程技術及其發(fā)展[M].北京：北京交通大學出版社，2004.

[2]賀少輝.地下工程[M].北京：北京交通大學出版社，2006.

[3]蘇會鋒，劉維寧，彭智勇.北京地鐵6號線朝陽門站導洞暗挖施工數(shù)值模擬研究[J].鐵道建筑，2011（9）：2-65.

[4]呂娉霏.北京地鐵7號線雙井站PBA工法施工過程有限元模擬[D].陜西西安：長安大學，2011.

[5]張頂立，李鵬飛，侯艷娟，等.城市隧道開挖對地表建筑群的影響分析及其對策[J].巖土工程學報，2010，32（2）：296-302.

[6]戴文亭，武皓，孫明志，等. 長春地鐵解放大路站基于三維數(shù)值模擬的地鐵車站施工工法優(yōu)化分析[J]. 隧道建設，2016，186（1）：12-19.

[7]郝佰洲. 長春地鐵解放大路站的十字交叉地鐵站施工技術研究[D]. 吉林長春：吉林大學，2015.

[8]孫明志，戴文亭，郝佰洲，等. 十導洞CRD工法地鐵風道結構流固耦合數(shù)值分析[J]. 隧道建設，2015，174（1）：22-27.

[9]陳惠嫦. 預留換乘節(jié)點對后期線路車站設計的影響——以廣州地鐵13號線魚珠站為例[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2020（7）：1-5.

[10] 王群. 大跨暗挖地鐵車站初支拱蓋法優(yōu)化施工及模擬計算分析[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2020（6）：45-49.

[11] 魯亞朋. 地鐵隧道聯(lián)絡線下穿游泳池施工技術方案研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2020（4）：45-48.

[12] 高立業(yè). 復雜城市環(huán)境下既有地鐵車站新建聯(lián)絡通道施工技術研究[J]. 國防交通工程與技術，2020，18（4）：50-53.

[13] 田魯魯，周錦強，郭永發(fā)，等. 柱洞法施工地鐵車站鄰近管線變形控制技術[J]. 城市軌道交通研究，2020，23（70）：69-73，78.

[14] Mroueh H，Shahrour I. A full 3-D finite element analysis of tunneling–adjacent structures interaction[J]. Computers and Geotechnics，2003，30（3）：245-253.

[15] 韋京. 復雜環(huán)境條件下PBA工法地鐵車站結構和施工方案優(yōu)化研究[D]. 北京：北京交通大學，2013.

[16] 管誠. 地鐵 PBA 工法地層位移及土與結構相互作用分析[D]. 北京：北京工業(yè)大學，2009.

[17] 吳崔鵬.大斷面隧道施工過程數(shù)值分析[D]. 陜西西安：長安大學，2009.

[18] 杜彬，譚忠盛，王夢恕. 地鐵車站洞樁法施工對地層及鄰近樁基的影響規(guī)律[J]. 北京交通大學學報（自然科學版），2008，32（3）：30-36.

[19] 彭文斌. FLAC 3D實用教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[20] 馮慧君，范井越，張杰. 盾構隧道近距離旁穿地面建筑物的模擬分析[J]. 都市快軌交通，2009，22（1）：74-77.

收稿日期 2020-07-03

責任編輯 朱開明