摘要 文章以實(shí)際工程中某地鐵區(qū)間風(fēng)道挑高開挖為例，借助有限元軟件模擬分析施工全過程，其中選取4個具有代表性的階段對隧道拱部沉降、地表沉降等指標(biāo)進(jìn)行分析，論證了門式剛架逐榀挑高與CD法、CRD法相結(jié)合的工法在挑高施工中的可行性。文中的建模方法能夠準(zhǔn)確地模擬施工過程，根據(jù)分析結(jié)果給出指導(dǎo)性的施工建議，希望能對后續(xù)類似工程提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞 數(shù)值模擬；隧道沉降；挑高開挖

中圖分類號 U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0090-03

0 引言

近年來，地鐵建設(shè)已在全國眾多城市掀起高潮，伴隨著出行便捷、節(jié)約土地、節(jié)約能源、減少污染等眾多優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入現(xiàn)實(shí)生活[1]。風(fēng)道是地鐵交通系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)整個地下區(qū)間或車站的通風(fēng)及排煙工作。由于風(fēng)道的過風(fēng)面積需要，風(fēng)道斷面尺寸較大，風(fēng)道高度通常高于區(qū)間或車站主體結(jié)構(gòu)，通過暗挖方式施工時，施工方向和施工組織受限嚴(yán)重[2]，因此對地鐵風(fēng)道的施工技術(shù)研究是非常必要的。

1 工程概況

某地鐵區(qū)間為單洞四線大斷面，采用CD法施工。區(qū)間的開挖高度13.2 m，開挖寬度25.7 m。在區(qū)間中部設(shè)一座區(qū)間風(fēng)道，風(fēng)道開挖寬度12.2 m，開挖高度16.6 m，風(fēng)道采用CRD法施工。埋深31.4 m，頂部微風(fēng)化、中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的厚度分別為5.9 m、2.9 m和19.2 m，素填土厚度為3.5 m，圍巖等級為Ⅳ2級。區(qū)間風(fēng)道拱頂比區(qū)間主體拱頂高3.4 m，原設(shè)計(jì)方案為先施工風(fēng)道，由風(fēng)道向兩側(cè)破壁開挖區(qū)間（高→低），但由于風(fēng)井處施工場地較小，風(fēng)道出渣受限，制約區(qū)間進(jìn)度，故對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，調(diào)整為由區(qū)間挑高開挖過風(fēng)道（低→高）。

2 施工方案設(shè)計(jì)

該工程擬采用門式剛架逐榀挑高與CD法、CRD法相結(jié)合的工法開挖。按工序及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)將整個施工過程分為工序轉(zhuǎn)換通道開挖、風(fēng)道大里程端及小里程端開挖、區(qū)間左線開挖、區(qū)間右線開挖四個階段。下面分別對四個階段的工法加以介紹[3]。

2.1 工序轉(zhuǎn)換通道開挖

開挖區(qū)間左線拱部，自區(qū)間左線開挖挑高左導(dǎo)洞，及時架設(shè)型鋼門式剛架施作初期支護(hù)后，再繼續(xù)采用門型剛架逐榀挑高進(jìn)入風(fēng)道并及時施作初期支護(hù)，待開挖至風(fēng)道大里程端時，聯(lián)立三榀門式剛架，封閉掌子面。在工序轉(zhuǎn)換通道內(nèi)的風(fēng)道小里程端位置架設(shè)橫向門式剛架，然后逐榀架設(shè)風(fēng)道內(nèi)層格柵剛架及臨時門式剛架，及時施作格柵噴混、錨桿打設(shè)等初期支護(hù)，工序轉(zhuǎn)換通道開挖完成[4]。

2.2 風(fēng)道大里程端及小里程端開挖

自工序轉(zhuǎn)換通道分別向風(fēng)道兩側(cè)施作馬頭門上方的超前支護(hù)。破除工序轉(zhuǎn)換通道一側(cè)初支，采用CRD法進(jìn)行風(fēng)道的掘進(jìn)開挖，及時施作格柵剛架、錨噴等初支。待開挖至風(fēng)道端頭時停止開挖，封閉掌子面，風(fēng)道開挖完成[5]。

2.3 區(qū)間左線開挖

自風(fēng)道大里程端向區(qū)間左線前進(jìn)方向打設(shè)超前支護(hù)，破除左導(dǎo)洞開洞處初支，及時架設(shè)區(qū)間主體格柵剛架，開洞處聯(lián)立五榀格柵剛架。繼續(xù)開挖區(qū)間主體的左線導(dǎo)洞。

2.4 區(qū)間右線開挖

待左前開挖≥15 m后，按“2.3”工序開挖右線。工序轉(zhuǎn)換完成。

3 建立有限元模型

根據(jù)該工程地質(zhì)情況采用Midas-GTS NX建立有限元模型，采用德魯克－普拉格本構(gòu)模型，選取重力方向?yàn)閆軸，平行于風(fēng)道方向?yàn)閄軸，平行于區(qū)間方向?yàn)閅軸，建立三維地層計(jì)算模型。模型的計(jì)算深度取風(fēng)道的最大開挖高度的三倍，上方計(jì)算范圍取至自然地面，模型側(cè)面施加水平約束，模型底部施加豎向約束，地面施加20 kPa超載[6]。將整個開挖進(jìn)行全過程模擬，其中選取4個具有代表性的階段進(jìn)行拱部沉降、地表沉降數(shù)據(jù)提取。

第一階段：工序轉(zhuǎn)換通道開挖；

第二階段：風(fēng)道大里程端及小里程端開挖；

第三階段：區(qū)間左線開挖；

第四階段：區(qū)間右線開挖。

4 結(jié)果分析

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50911

—2013）要求，礦山法隧道施工引起的拱部沉降應(yīng)控制＜30 mm，地表沉降應(yīng)控制＜20 mm。

4.1 第一階段（工序轉(zhuǎn)換通道開挖）

通過圖1可以看出，在第一階段，拱部沉降最大值出現(xiàn)在右下角測點(diǎn)處，為9.59 mm。該點(diǎn)位于挑高段起點(diǎn)處門式剛架跨中，即為支護(hù)剛度最小部位，與理論位置相符。拱部沉降控制值為30 mm，9.59 mm＜30 mm，該階段拱部沉降未超標(biāo)。

通過圖2可以看出該階段地表沉降最大值出現(xiàn)在右下角測點(diǎn)處，為3.12 mm。該點(diǎn)位于工序轉(zhuǎn)換通道正上方，向周圍有遞減趨勢，即處于沉降槽中心位置。地表沉降控制值為20 mm，3.12 mm＜20 mm，該階段地表沉降未超標(biāo)。

4.2 第二階段（風(fēng)道大里程端及小里程端開挖）

通過圖3可以看出，在第二階段拱部沉降最大值出現(xiàn)在右中測點(diǎn)處，為11.92 mm，隨著風(fēng)道開挖的進(jìn)行，已開挖完成的工序轉(zhuǎn)換通道沉降值隨之遞增。拱部沉降值11.92 mm＜30 mm，該階段拱部沉降未超標(biāo)。

通過圖4可以看出，該階段地表沉降最大值出現(xiàn)在中心測點(diǎn)處，為5.65 mm，最大值點(diǎn)出現(xiàn)位置轉(zhuǎn)移至風(fēng)道正上方，沉降趨勢向四周呈現(xiàn)遞減狀。地表沉降值為5.65 mm＜20 mm，該階段地表沉降未超標(biāo)。

4.3 第三階段（區(qū)間左線開挖）

通過圖5可以看出，在第三階段拱部沉降最大值出現(xiàn)在右中測點(diǎn)處，為13.26 mm，左線區(qū)間拱部變形明顯增大。拱部沉降值13.26 mm＜30 mm，該階段拱部沉降未超標(biāo)。

通過圖6可以看出，該階段地表沉降最大值出現(xiàn)在中心測點(diǎn)處，為6.67 mm，最大值點(diǎn)出現(xiàn)位置較上階段不變，沉降趨勢向四周呈現(xiàn)遞減狀。地表沉降值為6.67 mm＜20 mm，該階段地表沉降未超標(biāo)。

4.4 第四階段（區(qū)間右線開挖）

通過圖7可以看出，在第四階段拱部沉降最大值出現(xiàn)在左中測點(diǎn)處，為17.10 mm。拱部沉降值17.10 mm＜

30 mm，該階段拱部沉降未超標(biāo)。通過云圖可以看出，同一斷面中沉降的較大值出現(xiàn)在拱肩，而非拱頂。

通過圖8可以看出，該階段地表沉降最大值出現(xiàn)在中心測點(diǎn)處，為11.21 mm，最大值點(diǎn)出現(xiàn)位置較上階段不變，沉降趨勢向四周呈現(xiàn)遞減狀。地表沉降值為11.21 mm＜20 mm，該階段地表沉降未超標(biāo)。

5 結(jié)論

該文以某地鐵工程中區(qū)間風(fēng)道挑高開挖為背景，建立了有限元軟件模型，研究了挑高開挖過程中隧道的拱部沉降和地表沉降情況分布特征及規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）區(qū)間風(fēng)道處地表沉降、拱頂沉降的計(jì)算值與監(jiān)測值均在監(jiān)測預(yù)警值范圍內(nèi)，所以該工程擬采用的門式剛架逐榀挑高與CD法、CRD法相結(jié)合能夠滿足相關(guān)要求，該方案合理可行。

（2）中隔壁對控制拱部變形作用顯著，在大跨度隧道的施工過程中，有條件架設(shè)中隔壁的，盡量采用CD法或CRD法，無條件采用的，可在拱頂打設(shè)漲殼式（預(yù)應(yīng)力）錨桿，以錨固代替支撐，控制拱部變形。

參考文獻(xiàn)

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