霍潤科 張 曼 黃 佳

(1.西安建筑科技大學(xué)土木學(xué)院，710055，西安;2.山西省交通科學(xué)研究院，030000，太原∥第一作者，教授)

導(dǎo)洞開挖是地鐵車站洞樁法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前國內(nèi)學(xué)者對群洞開挖展開了各類研究，如文獻(xiàn)［1］、［2］通過采用破損面積的概念評估群洞施工的最佳方案，提出了群洞施工力學(xué)的理論;文獻(xiàn)［4］對相鄰隧道施工的相互影響做了研究，探討出相鄰隧道相互影響的距離。

本文以北京地鐵7號線雙井站八導(dǎo)洞開挖為背景，利用大型有限元Ansys 軟件模擬計(jì)算出2 種不同開挖方案中各個(gè)施工工序引起的地表沉降和土層擾動量，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，推薦采用先開挖上導(dǎo)洞方案，這樣可以有效地控制地表沉降和土層的擾動程度。

1 工程概況

1.1 工程背景

北京地鐵7號線雙井站位于廣渠門外大街、廣渠路與東三環(huán)中路交叉口東側(cè)，7號線線路沿廣渠路東西走向，站位周邊建筑已經(jīng)基本建成，多以高層建筑為主［5］。雙井站采用地下兩層雙柱三跨的形式，采用暗挖法施工。車站主體長度237.60 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬 23.10 m，總高 16.15 m，結(jié)構(gòu)底板埋深約31.00 m，頂板覆土厚約13.99 m?，F(xiàn)場地質(zhì)勘測范圍為58 m，采用現(xiàn)場勘查和室內(nèi)土性測試，結(jié)果表明現(xiàn)場勘查范圍內(nèi)的土質(zhì)情況分為3 大層:為人工堆積層(Qml)、第四紀(jì)全新世沖洪積層(Q4al +pl)、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層(Q31al+pl)。

1.2 導(dǎo)洞概況

雙井站設(shè)有8 個(gè)導(dǎo)洞，每個(gè)導(dǎo)洞截面長4.00 m，高5.00 m，上下間距7.75 m，左右間距 4.00 m，上排導(dǎo)洞距離地面14.18 m。采用超前管棚對拱部地層超前注漿預(yù)加固，管棚選用φ108 的熱軋鋼管，搭接6 m。鋼管沿隧道開挖輪廓傾角2°～3°設(shè)置，環(huán)向間距300 mm，鋼管內(nèi)灌注水泥砂漿;管棚中間打設(shè) φ42 超前小導(dǎo)管，外插角 10°～12°，長度 2.5 m，環(huán)向間距300 mm，縱向間距1 m，壓注水泥—水玻璃雙液漿;初期支護(hù)采用格柵鋼架與網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護(hù)，噴層厚350 mm，格柵鋼架縱向間距2 榀/m，鋼筋網(wǎng)為 φ6.5 雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距@ 150 mm，參見圖1。

2 導(dǎo)洞開挖工序模擬

2.1 模擬假設(shè)

由于實(shí)際工程情況遠(yuǎn)復(fù)雜于模擬情況，因此采用部分假定:①將巖土體視為連續(xù)、均勻、各向同性介質(zhì)，采用Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則;②僅考慮圍巖自重應(yīng)力場，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響;③不考慮地下水位影響和滲流影響。

圖1 導(dǎo)洞橫斷面及監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

2.2 模擬工法設(shè)計(jì)

根據(jù)雙井車站主體小導(dǎo)洞的實(shí)際情況，提出2 個(gè)方案:先開挖上導(dǎo)洞跳躍錯(cuò)挖法(方案一)、先開挖下導(dǎo)洞跳躍錯(cuò)挖法(方案二)。各方案的具體工序如下。

(1)方案一:先施工1號洞6 m 后及時(shí)支護(hù)，接著施工3號洞6 m 后及時(shí)支護(hù)，接著施工4號洞最后施工2號洞，各導(dǎo)洞掌子面縱向間距6 m;首排導(dǎo)洞全部施工完成后，先施工5號洞6 m 后及時(shí)支護(hù)，接著施工7號洞6 m 后及時(shí)支護(hù)，接著施工8號洞最后施工6號洞，各導(dǎo)洞掌子面縱向間距6 m。導(dǎo)洞施工使用上下臺階循環(huán)施工，相互錯(cuò)階施工3 m。導(dǎo)洞施工流程為①-③-④-②-⑤-⑦-⑧-⑥。

(2)方案二:導(dǎo)洞的開挖進(jìn)尺和開挖方式同方案一，導(dǎo)洞開挖順序?yàn)棰?⑦-⑧-⑥-①-③-④-②。

由于小導(dǎo)洞上方覆土厚度約為14.3 m，為了最大限度減小邊界約束條件對計(jì)算結(jié)果的影響，數(shù)值模擬分析采用距模型縱截面中心-30 m 處目標(biāo)面進(jìn)行分析。

2.3 參數(shù)選取

根據(jù)實(shí)際勘察報(bào)告［6］，結(jié)合鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范和隧道工程巖體分級［7-9］將土層分為五層圍巖，圍巖和支護(hù)的參數(shù)如表1所示。

2.4 建立模型

根據(jù)圣維南原理，模型采用3 倍開挖寬度范圍，模型長120 m、寬60 m、高60 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼支撐，初襯按等效方法采用等效成混凝土。

表1 模型參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

由于整個(gè)模型較大，考慮到各方案導(dǎo)洞開挖工序較多，為了清晰地顯示不同導(dǎo)洞開挖對地表沉降和地下管線沉降的影響，采用4 個(gè)關(guān)鍵施工點(diǎn)進(jìn)行分析:①導(dǎo)洞1(導(dǎo)洞5)開挖至模型中部30 m;②上導(dǎo)洞(下導(dǎo)洞)完全貫通;③導(dǎo)洞5(導(dǎo)洞1)開挖至模型中部30 m;④導(dǎo)洞全部貫通。選取其中差別較大的模擬結(jié)果圖，如圖2 及圖3所示。

從圖2、圖3 可以看出，兩種方案模擬出的地表最大沉降都不在模型中線上，首排導(dǎo)洞開挖至中部時(shí)，方案一的最大沉降為2.89 mm，出現(xiàn)在距離模型中線-5.80 m 處;方案二的最大沉降為2.70 mm，發(fā)生在距離模型中線-4.00 m 處。首排導(dǎo)洞貫通時(shí)，方案一和方案二最大沉降點(diǎn)基本回歸中線，最大沉降都發(fā)生在距離模型中線0.70 m 的位置，方案一最大沉降為9.96 mm，方案二最大沉降為8.27 mm。次排導(dǎo)洞開挖至中部，地表最大沉降點(diǎn)又發(fā)生了偏移，方案一最大沉降為12.70 mm，距離模型中線-0.70 m;方案二最大沉降為11.05 mm，距離模型中線-1.78 mm。次排導(dǎo)洞貫通時(shí)，導(dǎo)洞開挖完成后地表最大沉降點(diǎn)回歸模型中線，方案一最大沉降為18.25 mm，方案二最大沉降為18.45 mm。提取兩方案沉降槽數(shù)據(jù)繪制地表沉降對比圖，如圖4所示。

從圖4 可以看出，采用不同的導(dǎo)洞開挖順序地表沉降的變化規(guī)律不同，每一個(gè)開挖工序引起的地表最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)的位置也不同。這與導(dǎo)洞的開挖先后順序和導(dǎo)洞離地表距離有關(guān)。采用方案一先開挖1號導(dǎo)洞引起的地表最大沉降量離中心線的最大偏移為-5.8 m，采用方案二先開挖5號導(dǎo)洞引起的最大偏移量為-4.0 m，說明上導(dǎo)洞開挖對地表土層的影響程度要大于下導(dǎo)洞開挖。對比地表沉降對比圖，發(fā)現(xiàn)方案一的地表沉降槽寬度要小于方案二，但是兩種方案沉降槽寬度隨著開挖步序的進(jìn)行差別逐漸縮小。這說明采用方案一施工對土層的擾動范圍小，有利于對地表沉降范圍的控制。通過提取各施工階段數(shù)據(jù)制作地表沉降統(tǒng)計(jì)表，如表2所示。

圖2 上排導(dǎo)洞開挖至中部土體沉降圖

圖3 下排導(dǎo)洞開挖至中部土體沉降圖

圖4 地表沉降對比圖

表2 各施工階段不同施工方案地表沉降統(tǒng)計(jì)表

從表2 可以看出，首排導(dǎo)洞開挖占最終地表沉降的百分比，方案一為54.5%，方案二為44.8%。說明采用方案一施工時(shí)前期沉降大、后期沉降小，采用方案二施工時(shí)前期沉降小、后期沉降大。

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對比

雙井站車站導(dǎo)洞開挖實(shí)際采用的是方案一，現(xiàn)通過對比模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析模型的合理性。從雙井橋開始縱向布設(shè)5 個(gè)主要監(jiān)測斷面，斷面之間分為4 個(gè)小斷面實(shí)施監(jiān)控。車站橫向監(jiān)測范圍為50 m，每個(gè)斷面布設(shè)15 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中車站中線左右兩邊15 m 范圍內(nèi)采用每3 m 布設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)在每個(gè)導(dǎo)洞上方布設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，在距離中線15 m范圍外采用每5 m 布設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，具體監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)對比分析圖

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)際情況，挑選監(jiān)測數(shù)據(jù)完整的D4斷面監(jiān)測點(diǎn)縱向沉降值進(jìn)行分析。由于結(jié)構(gòu)是關(guān)于車站中線對稱，本文選取L4、L1、M 3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖5 中豎向表示導(dǎo)洞開挖通過斷面的時(shí)間，分析如下。

(1)從圖5a)中可知，L4監(jiān)測點(diǎn)在1號導(dǎo)洞施工通過斷面時(shí)引起的地表沉降量為7.60 mm，沉降速率最快，沉降量也為最大，從L4監(jiān)測點(diǎn)的位置來看，監(jiān)測點(diǎn)位于1號導(dǎo)洞正上方，對地表監(jiān)測點(diǎn)沉降影響最大。3號導(dǎo)洞通過斷面時(shí)，地表沉降量和沉降速率要遠(yuǎn)小于1號導(dǎo)洞。說明導(dǎo)洞開挖引起的最大地表沉降發(fā)生在導(dǎo)洞正上方的監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)離導(dǎo)洞越遠(yuǎn)，導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降越小。

(2)從圖5b)中可以看出，在1號導(dǎo)洞和3號導(dǎo)洞開挖至斷面時(shí)地表持續(xù)沉降，到4號導(dǎo)洞開挖時(shí)地表沉降量較小，在2號導(dǎo)洞開挖至斷面時(shí)地表沉降量最大。從監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖可以看出1號導(dǎo)洞和3號導(dǎo)洞關(guān)于L1監(jiān)測點(diǎn)對稱，2號導(dǎo)洞在L1監(jiān)測點(diǎn)正下方，1號導(dǎo)洞和3號導(dǎo)洞開挖時(shí)地表沉降量分別為 3.32 mm、3.01 mm。1號導(dǎo)洞和 3號導(dǎo)洞對地表沉降的貢獻(xiàn)基本上相同。2號導(dǎo)洞開挖時(shí)地表沉降量為5.13 mm，遠(yuǎn)大于1號導(dǎo)洞和3號導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降，說明在1號導(dǎo)洞和3號導(dǎo)洞開挖所引起的土層擾動疊加區(qū)域內(nèi)開挖2號導(dǎo)洞引起的地表沉降要遠(yuǎn)大于單獨(dú)開挖導(dǎo)洞引起的地表沉降。

(3)從圖5c)中可知，上排導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降比下排導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降要大。從圖中可知，在2號導(dǎo)洞開挖之前，地表沉降曲線比2號導(dǎo)洞開挖后沉降曲線要陡峭，上排導(dǎo)洞開挖完成后地表沉降量為14.98 mm，下排導(dǎo)洞開挖完成后地表沉降量為8.89 mm。2號導(dǎo)洞和6號導(dǎo)洞的開挖對地表沉降的影響最大，從監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖可以看出2號導(dǎo)洞和6號導(dǎo)洞都是在土層擾動區(qū)域，而且2號導(dǎo)洞引起的地表沉降要大于6號導(dǎo)洞，2號導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降量為10.25 mm，6號導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降量為5.37 mm。

(4)從圖5 可以看出，上排導(dǎo)洞開挖經(jīng)過斷面時(shí)，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬分析數(shù)據(jù)的差異比較小，主要的差異大部分發(fā)生在下導(dǎo)洞的開挖，而且滯后導(dǎo)洞開挖引起的差異大于先前導(dǎo)洞開挖，說明在模擬中上排導(dǎo)洞開挖對土層擾動比較小，應(yīng)力釋放比較小。

5 結(jié)語

(1)不同導(dǎo)洞開挖順序引起地表沉降變化規(guī)律不同，這與導(dǎo)洞開挖順序和導(dǎo)洞距地表距離有關(guān)。方案一最大地表沉降稍大于方案二，但土層擾動范圍要小于方案二，這有利于對地表沉降的控制，所以采用方案一進(jìn)行施工比較好。

(2)地表監(jiān)測點(diǎn)離導(dǎo)洞越近，所在的地表沉降速度越快，在導(dǎo)洞正上方時(shí)沉降速度最快;同時(shí)，在擾動區(qū)域開挖新導(dǎo)洞引起的地表沉降要大于單獨(dú)開挖導(dǎo)洞的地表沉降。

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