不同施工工法下淺埋暗挖大斷面車站數(shù)值模擬分析＊

申秦川，應(yīng) 杰，陳高生

（1.重慶市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)工程質(zhì)量總站，重慶 400000；2.中國建筑第五工程局有限公司，重慶 400000）

近年來，由于中國城市內(nèi)地鐵隧道施工的快速進(jìn)展，隨之產(chǎn)生的生產(chǎn)安全問題也成了人們所關(guān)心的熱點(diǎn)話題，其中以軌道交通車站的施工安全問題最為凸顯。軌道交通車站一般采取暗挖的施工方式，但由于車站通常存在埋深較淺、大斷面、圍巖自穩(wěn)定性不好的特點(diǎn)，所以在施工過程中選取合適的施工方法就變得特別關(guān)鍵，以便提高在軌道交通站場的施工過程中隧道結(jié)構(gòu)的安全和圍巖的穩(wěn)定性。

針對開挖過程中不同工法下的圍巖沉降問題，曹光輝[1]針對軟弱圍巖使用數(shù)值分析的方法，對比分析了CRD 法，上下臺階法和全斷面法施工下在相同的地應(yīng)力釋放率下的圍巖位移情況，并得出采用CRD 法施工的位移最小，采用上下臺階法施工的位移居中，采用全斷面法施工的位移最大的結(jié)果；王丙坤等[2]分別對HCD（Human Centered Design）工法、CD 工法（Center Diaphragm，中隔墻法）和上下臺階法施工工法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對比分析出位移、塑性區(qū)、應(yīng)力等方面，驗(yàn)證了HCD 施工工法在海螺峪大斷面破碎圍巖隧道施工過程中的安全性及合理性；SHANG 等[3]以大連地鐵興街站為依托工程，利用了包括6 種不同支護(hù)措施在內(nèi)的組合控制方法，控制了圍巖的變形，并且建立三維有限元模型，分析組合控制措施的施工效果，并進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，驗(yàn)證了組合控制方法的變形控制效果；高峰等[4]對臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法、全斷面開挖法及導(dǎo)洞超前擴(kuò)挖法4 種施工工法進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，對比位移、應(yīng)力及塑性區(qū)，得出最佳施工方案。

1 依托工程背景

重慶軌道交通五號線北延伸段悅港大道站作為依托工程，該車站位于重慶市渝北區(qū)秋成大道下方，最大斷面面積為447 m2，車站的埋深較淺，頂部覆蓋層厚度為12.85～15.99 m。地面地質(zhì)調(diào)查和鉆孔勘探表明，隧道圍巖主要巖性為中風(fēng)化頁巖，軟弱地層條件下進(jìn)行淺埋暗挖大斷面地鐵隧道施工。

2 建模及參數(shù)

2.1 模型尺寸與邊界條件

采用A N S Y S 有限元軟件建立模型，運(yùn)用Newton-Raphson 方法進(jìn)行迭代計算。模型尺寸為200 m×100 m，左右兩邊約束x方向位移，底部約束x、y這2 個方向的位移，上部為自由面，隧道跨度為23 m，高度為19 m，隧道埋深為15 m，圍巖使用PLANE42單元，初支和二襯采用BEAM3 單元，錨桿間距為0.5 m，采用LINK1 單元，隧道模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 隧道模型網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)值模擬模型參數(shù)

數(shù)值模型參數(shù)采用重慶軌道交通五號線北延伸段悅港大道站的實(shí)際參數(shù)，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

2.3 荷載工況

分別對3 種不同施工工法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計算荷載工況如表2 所示。

表2 荷載工況表

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 開挖過程拱頂沉降對比

提取各個模型中每一步開挖過程中的圍巖最大沉降量，如圖2 所示。從圖中可以看出，不同開挖方式下的最大沉降量趨勢基本一致。第一步開挖的沉降最明顯，隨著開挖的進(jìn)行數(shù)值逐漸增大，由于考慮地應(yīng)力釋放比例，所以在施作二襯時沉降量還會出現(xiàn)較大的增長。

圖2 圍巖最大沉降量變化圖

3.2 地表沉降對比

提取模擬完成時的地表各個點(diǎn)的位移值，如圖3所示。從圖中可以看出，地表沉降規(guī)律基本一致，并形成了明顯的沉降區(qū)域，寬度在40 m 左右。其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法地表沉降量最小，比CRD 法和三臺階法的地表沉降降低了19%和33%。因此，對于地表沉降來說，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法效果最佳。

圖3 地表沉降曲線圖

3.3 圍巖位移結(jié)果對比

分別對3 種荷載工況下的圍巖位移情況進(jìn)行分析計算，三臺階法下圍巖位移云圖如圖4 所示，CRD 法下圍巖位移云圖如圖5 所示，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下圍巖位移云圖如圖6 所示。

圖4 三臺階法圍巖位移云圖

圖5 CRD 法圍巖位移云圖

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖位移云圖

分析位移云圖可知，3 種施工方法下隧道圍巖位移分布規(guī)律相似，最大豎向位移主要為拱頂沉降和仰拱的隆起，最大水平位移集中在邊墻，呈內(nèi)斂趨勢，相比于拱頂和仰拱處的豎直位移值小許多，因此在實(shí)際施工中以圍巖的豎直位移為主要控制目標(biāo)。提取3 種荷載工況下圍巖的拱頂豎向位移極值、仰拱豎向位移極值和邊墻的水平位移極值，如表3 所示。

表3 最大位移值

綜合位移云圖和表3 中的數(shù)據(jù)可知，圍巖豎向位移和水平位移最大數(shù)值規(guī)律相似，對比不同工法發(fā)現(xiàn)，三臺階法位移值最大，其次為CRD 法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法位移值最小，因此雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在控制圍巖變形方面最佳。

4 結(jié)論

通過對淺埋暗挖大斷面地鐵車站進(jìn)行數(shù)值分析，可以得出以下3 種常用工法圍巖位移情況的結(jié)論：①地表沉降左右對稱分布，由于隧道埋深較淺，圍巖自穩(wěn)定性差，地表沉降影響較大，形成了明顯的沉降區(qū)域，沉降區(qū)域的寬度在40 m 左右，經(jīng)過對比，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法地表沉降最?。虎谌_階法、CRD 法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的圍巖變形逐漸減小，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對于圍巖變形的控制效果最優(yōu)；③CRD 法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在開挖大斷面隧道時明顯優(yōu)于三臺階法，綜合對比不同的工法位移云圖，表明在本淺埋暗挖車站隧道中使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法效果最佳。