黃土地區(qū)地鐵PBA暗挖車站風道與車站導(dǎo)洞交叉段施工優(yōu)化

殷展博

陜西建工集團股份有限公司，陜西 西安 710000

近年來，隨著城市交通軌道事業(yè)的發(fā)展，地鐵建設(shè)里程不斷增加，地鐵明挖車站的施工受到地質(zhì)條件、地面交通、地下管線及建（構(gòu)）筑物、工期等多方面影響，給地鐵建設(shè)帶來諸多阻礙，暗挖車站的PBA法施工具有不影響交通、無管線遷改等優(yōu)勢，在國內(nèi)外地鐵建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

為保證地鐵運營期間的安全，可從通風、防火和救援等方面出發(fā)，在車站兩端頭設(shè)置風道。地鐵暗挖車站與風道交叉部位結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，交接處應(yīng)力較集中，是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，同時又是施工的咽喉。因此，只有充分了解該段結(jié)構(gòu)的受力特征和空間施工力學(xué)特性，以及施工中最大地表沉降點的位置和地表沉降變化趨勢，才能選擇合理的施工方法和有效的加強措施，保證施工質(zhì)量和安全，同時降低造價、提高工效。為確保交叉段施工的安全，文章采用三維有限元分析方法，對西安地鐵2號線二期工程施工總承包1標段何家營站施工過程進行動態(tài)模擬，分析交叉段的地表位移和結(jié)構(gòu)主應(yīng)力變化規(guī)律，提出相應(yīng)的施工建議，為類似工程及相應(yīng)分析研究提供參考。

1 工程概況

何家營站為230m站臺島式車站，三跨雙柱地下二層現(xiàn)澆直墻三連拱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)標準段寬21.9m，總高16.5m；車站主體結(jié)構(gòu)拱部埋深13.3～24.8m，均為老黃土。車站北端、南端分別設(shè)置1號、2號風道，車站正線東側(cè)共設(shè)置3個施工豎井，由北向南分別為1號、2號和3號施工豎井，通過施工豎井開挖橫通道提供作業(yè)面開展車站正線導(dǎo)洞施工，上導(dǎo)洞采用臺階法施工，下導(dǎo)洞采用CD法施工，車站與風道橫斷面圖如圖1所示。

圖1 車站正線導(dǎo)洞與1號風道橫斷面圖（單位：mm）

1號施工豎井距離北側(cè)1號風道施工距離22.8m，其中由于工期安排，為加快北端風道施工進度，車站交叉段先施作大斷面風道，風道斷面尺寸為13.3m×24m，考慮風道開挖跨度較大，風道采用CRD法設(shè)置5層共10部風道進行初期支護施工。

2 模型建立

2.1 模型邊界及單元選取準則

該模型選取車站1號施工豎井與1號風道交叉段區(qū)域，計算土體采用修正莫爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，土體采用實體單元模擬，豎井、風道及車站正線導(dǎo)洞的噴混+格柵鋼架采用2D板單元模擬，角撐以及對撐采用1D桁架單元模擬，風道及車站正線導(dǎo)洞的噴混+工字鋼形成的臨時支撐采用2D板單元模擬，鎖腳錨管及管棚采用1D植入式桁架單元模擬，注漿加固區(qū)采用實體單元模擬。

2.2 計算模型

利用Midas/GTS軟件開展該工程施工階段分析，該項目建立三維模型邊界尺寸為80m×180m×75m，所建立的計算模型如圖2、圖3所示。

圖2 計算圖形網(wǎng)格模型

圖3 豎井、風道及車站正線導(dǎo)洞模型

2.3 材料參數(shù)選取

各層土體參數(shù)通過巖土工程勘察報告、西安地區(qū)典型黃土地層有限元數(shù)值分析的相關(guān)文獻綜合及現(xiàn)場取樣試驗予以確定，模擬計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

3 結(jié)果分析

此次計算主要基于豎井、西側(cè)風道及車站正線導(dǎo)洞的施工過程模擬，重點對比研究車站正線導(dǎo)洞交叉段施工對1號風道初期支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)。

3.1 上導(dǎo)洞交叉段施工至接口處初支階段

（1）地表沉降。車站正線上導(dǎo)洞開挖1號風道接口處初期支護結(jié)構(gòu)階段，地表最大沉降值為6.28mm，發(fā)生在風道對應(yīng)的地表區(qū)域，同時車站正線導(dǎo)洞地表區(qū)域沉降最大值為4.83mm。

（2）風道初支結(jié)構(gòu)變形。車站正線下1導(dǎo)洞開挖至毗鄰1號風道初期支護結(jié)構(gòu)階段，風道初支結(jié)構(gòu)最大沉降值在拱頂約為8.93mm，隆起在風道底部約為17.56mm，水平位移最大值發(fā)生在第9部風道約為3.56mm。

（3）風道初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力。車站正線下1導(dǎo)洞開挖至毗鄰1號風道初期支護結(jié)構(gòu)階段，風道初支結(jié)構(gòu)幾乎均處于受壓狀態(tài)，底部隆起區(qū)域中隔壁軸力較大；風道初支結(jié)構(gòu)僅外圍閉合成環(huán)格柵鋼架彎矩較大，中隔壁及仰拱彎矩很小。

3.2 下導(dǎo)洞交叉段施工至接口處初支階段

（1）地表沉降。車站正線下1導(dǎo)洞開挖至1號風道接口處初期支護結(jié)構(gòu)階段，地表最大沉降值為7.14mm，發(fā)生在風道對應(yīng)的地表區(qū)域，同時車站正線導(dǎo)洞地表區(qū)域沉降最大值為5.33mm。

（2）風道初支結(jié)構(gòu)變形。車站正線下1導(dǎo)洞開挖至毗鄰1號風道初期支護結(jié)構(gòu)階段，風道初支結(jié)構(gòu)最大沉降值在拱頂約為9.21mm，隆起在風道底部約為18.95mm，水平位移最大值發(fā)生在第9部風道約為4.62mm。

（3）風道初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力。車站正線下1導(dǎo)洞開挖至毗鄰1號風道初期支護結(jié)構(gòu)階段，風道初支結(jié)構(gòu)幾乎均處于受壓狀態(tài)，底部隆起區(qū)域中隔壁軸力較大；風道初支結(jié)構(gòu)僅外圍閉合成環(huán)格柵鋼架彎矩較大，中隔壁及仰拱彎矩很小。

4 結(jié)論

（1）車站正線上導(dǎo)洞施工對風道初支結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力影響較小。

（2）車站正線下導(dǎo)洞施工對風道初支結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力影響較大，施工時應(yīng)注意交叉段的施工安全。

（3）下1、下4導(dǎo)洞施工會增大風道初支結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力，尤其下2、下3導(dǎo)洞施工導(dǎo)致風道初支結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力增幅較為顯著。

（4）風道與車站交叉處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，施工過程中應(yīng)對拱頂和交叉處進行注漿加固，并預(yù)留10m安全施工距離。