地鐵車站暗挖施工過程支護結(jié)構(gòu)受力分析

李磊

摘要：結(jié)合某地鐵車站暗挖施工，采用模擬計算方法簡化邊樁結(jié)構(gòu)及支護結(jié)構(gòu)，分析導洞及車站施工期間對支護結(jié)構(gòu)受力的影響。研究結(jié)果表明：導洞施工階段對地表沉降影響顯著，導洞施工至其前后一個洞徑范圍內(nèi)地表沉降速率顯著加快，其余區(qū)域施工期間地表沉降較??；但是支護結(jié)構(gòu)部分修建完成后，車站主體施工對地表沉降影響明顯減小。支護橫向及縱向受力規(guī)律相似，均在導洞施工期間受力較大，車站主體施工期間分別占最大應力值變化的39%和35.1%。

關(guān)鍵詞：地表沉降；導洞開挖；地鐵暗挖；受力分析

0? ?引言

城市地鐵系統(tǒng)作為緩解交通壓力的有效手段，已經(jīng)在越來越多的城市中推廣應用[1-2]。地鐵工程建設(shè)期間常采用暗挖施工，具有拆遷占地少、不擾民、不干擾交通的特點，但是其對地層地表變形影響較大，如果施工不合理，將造成極大的交通隱患[3]。王夢恕等[4]創(chuàng)建并完善了地下工程淺埋暗挖法設(shè)計與施工配套技術(shù)；趙文等[5]采用STS（steel tube slab）管幕功法作為淺埋地鐵暗挖的新型施工手段，解決了實際工程問題，確保了地鐵暗挖車站管幕結(jié)構(gòu)的成功實施。

本文基于豐西二號路與規(guī)劃康辛路十字交口處的看丹站西端地鐵工程，結(jié)合有限元模擬計算方法，針對導洞及車站施工期間地層地表變形及支護受力展開研究，以期為同類型施工工程提供理論分析思路。

1? ?工程概述

施工區(qū)間位于看丹站西端，出站后施工路線由東向西敷設(shè)，自康辛路開始止于榆樹莊站。施工期間存在下穿市政管線風險，因此施工前對周邊地下管線進行復探，對管線雨水、污水滲流情況采取超前探測。本段區(qū)間里程位于行車路段下方，施工基底處于建筑垃圾填土內(nèi)。暗挖區(qū)間采用管幕法進行施工，區(qū)間浮土厚度為7.2～7.7m。

本段基底設(shè)置管幕結(jié)構(gòu)區(qū)間，整體位于雜填土①層，考慮該土層的地基承載能力，結(jié)構(gòu)基底設(shè)置承載樁。地層探測結(jié)果顯示，土層依次為雜填土①層、卵石④層、⑤層、黏土巖⑥層及礫巖⑦層。施工區(qū)間潛水面西部高、東部低，2018年12月下旬，測得施工站點西部地下水位標高為30m，施工站點東部地下水位標高約為25m。本段施工區(qū)間基底承載樁布設(shè)位置在地下水位上方，因此不考慮地下水影響。

2? ?主要施工流程

本區(qū)間段主要采用管幕施工，其主要工藝流程為：機械設(shè)備進場→掌子面注漿加固→頂進位置破樁開孔→吊裝鋼管就位→頂進鋼管、鋼管頂進糾偏→鋼管頂進合格檢驗→依次調(diào)整感鋼管頂進就位→管間清理和螺栓就位→管內(nèi)管間混凝土灌注→完工退場。

初支結(jié)構(gòu)施工完成后進行左右線洞內(nèi)承載樁施工，承載樁施工可由堵頭墻向臨時豎井口出施工（由南側(cè)向北側(cè)施工），以便于二襯結(jié)構(gòu)施工。

3? ?計算模型簡化

將邊樁結(jié)構(gòu)及管幕結(jié)構(gòu)簡化為連續(xù)墻和矩形結(jié)構(gòu)體，將連續(xù)墻單元厚度設(shè)置為0.688m。依據(jù)抗彎剛度等效原則，將管幕結(jié)構(gòu)簡化為矩形結(jié)構(gòu)。對管幕結(jié)構(gòu)采用單調(diào)靜壓試驗，獲得其荷載-變形曲線，取其線性段剛度作為等效橫向剛度。荷載-變形曲線如圖1所示。

4? ?力學性能分析

4.1? ?導洞施工對地表沉降影響

隨導洞開挖施工進行，不同區(qū)間地表沉降量變化形勢不同。導洞開挖完成后地表沉降變化如圖2所示。從圖2可以看出，不同導洞開挖過后地表沉降量呈現(xiàn)低谷形，左下導洞最先開挖，其最大沉降量大約在中部區(qū)域，距兩端約70m，為2.13mm。隨后右下導洞開挖過程，其地表沉降量最高沉降達3.28mm，較左下導洞開挖完成后下降了1.15mm，左下、右下導洞完成后沉降量占總沉降量87.9%。

最后左上導洞和右上導洞開挖對地表沉降影響較小，地表沉降值最大分別達到3.56mm和3.73mm，較右下導洞施工完成后僅增大了0.45mm。同時還可以發(fā)現(xiàn)，地表最大沉降量均反映在剖面中部區(qū)域，由兩端向中間發(fā)展不斷增大，呈現(xiàn)波谷形趨勢。

4.2? ?導洞施工對地表沉降縱向影響

圖3為導洞施工期間地表沉降縱向影響曲線。其中，監(jiān)測斷面位置為距地表-12m處，d表示導洞直徑，從圖3可以看出，開挖至導洞附近對地表沉降影響極大，沉降量在導洞開挖至-12m及開挖至-22m后地表沉降量速率減緩，且各導洞開挖后地表沉降規(guī)律相似。這是由于開挖前地層處于密實狀態(tài)，導洞開挖完成后施工區(qū)域封閉，上覆土被人工夯實，因此地表沉降放緩。

各導洞在開挖至導洞附近2d范圍，地表沉降量分別達到其導洞開挖總沉降量68.1%、71.8%、71%、77.8%。此時導洞開挖導致附近土體形成鏤空層，容易出現(xiàn)土體沉降。導洞開挖完成1d后，地表沉降基本穩(wěn)定，地層無明顯變形發(fā)生，各導洞地表沉降量分別占其導洞總沉降量的10.4%、9.4%、16.1%、11.1%。

4.3? ?車站主體施工對地表沉降影響

車站主體施工期間對地表沉降影響見圖4。從圖4可以看出，各層施工對地表沉降影響規(guī)律均由兩端向中部位置發(fā)展，各層施工期間對應最大地表沉降量分別為3.95mm、4.14mm、4.25mm，沉降區(qū)域主要控制在距地表40～90m之間。同時可以看出，由于支護結(jié)構(gòu)形成，車站主體施工階段對地表沉降影響較小。

4.4? ?支護橫向受力分析

隨施工進行支護所受應力逐漸增大，不同施工階段對支護受力影響不同。支護受力一方面隨施工工序開展逐漸增大，另一方面不同施工階段，支護受力相應增加。在車站主體施工階段，橫向支護應力發(fā)展緩慢，僅從0.411MPa增大至0.615MPa，導洞施工階段支護橫向應力增量占總應力值的61%。其余車站主體開挖期間，橫向應力值占最大應力變化39%。支護橫向應力變化狀況如表1所示。

4.5? ?支護縱向受力分析

支護縱向應力變化狀況如表2所示。從表2可知，下方導洞開挖對支護縱向受力幾乎沒有影響，下方導洞埋置位置較深距支護較遠，因此下方導洞開挖完成后，最終支護縱向應力值僅0.068MPa。同時還可以看出，車站主體施工階段對支護縱向受力影響較小，負一層至負三層開挖期間應力數(shù)值由0.281MPa升至0.433MPa，增長應力值占最大應力值的35.1%，導洞開挖期間應力數(shù)值由0增大至0.271MPa，占最大應力值的62.6%。主要是由于車站主體施工過程中支護系統(tǒng)已經(jīng)完成部分，有一定支撐作用，使得支護縱向受力影響不大。

5? ?結(jié)束語

地鐵工程建設(shè)期間常采用暗挖施工，具有拆遷占地少、不擾民、不干擾交通的特點，但是其對地層地表變形影響較大，如果施工不合理，將造成極大的交通隱患。本文結(jié)合某地鐵車站暗挖施工，采用模擬計算方法簡化邊樁結(jié)構(gòu)及支護結(jié)構(gòu)，分析導洞及車站施工期間對支護結(jié)構(gòu)受力的影響。針對某地鐵車站暗挖施工期間支護結(jié)構(gòu)進行受力分析，得出以下結(jié)論：

施工期間地表沉降規(guī)律為車站中部沉降區(qū)域最大，向兩端發(fā)展逐漸減弱，形成低谷形。下側(cè)導洞施工期間對沉降影響較顯著，導洞施工完成后沉降量最大值為3.73mm。

導洞施工至其周圍2d范圍對地表沉降影響最顯著。在此期間，開挖地表沉降量達到總沉降量的68.1%～77.8%，其余部位開挖對地表沉降影響不大。車站主體施工期間引起的地表沉降量區(qū)間在3.95mm～4.25mm，對地表變形影響不大。

施工期間，支護結(jié)構(gòu)橫向受力及縱向受力最大值分別為0.615MPa和0.433MPa，導洞施工對支護結(jié)構(gòu)受力影響顯著。由于支護系統(tǒng)部分完成，車站主體施工期間對支護受力影響較小。

參考文獻

[1] 趙杰，劉歷勝，王桂萱，等.大連地鐵暗挖隧道變形監(jiān)測及參數(shù)智能反演[J].防災減災工程學報，2016，36（4）：640-645+651.

[2] 吳學鋒，呂文杰，張黎明，等.暗挖地鐵車站圍巖穩(wěn)定性分析與支護優(yōu)化[J].地下空間與工程學報，2012，8（5）：1059-1064.

[3] 李東勇，徐禎祥，王琳靜.地鐵暗挖隧道初期支護聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)值模擬分析[J].鐵道建筑，2007（5）：34-37.

[4] 王夢恕著. 地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社， 2004.12.

[5] 趙文，董駕潮，賈鵬蛟，等.地鐵暗挖車站STS管幕結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2018，38（1）：72-79.