淺埋暗挖地鐵車站雙側壁導坑法施工數值分析

王德峰

(中鐵二十三局集團第八工程有限公司，四川成都 610091)

1 工程概況

某地鐵車站，采用雙側壁導坑法施工，臨時中隔墻采用25 cm的C25噴射混凝土及長2.5 m，φ22普通砂漿錨桿支護，以Ⅰ20a支撐加強，鋼支撐標準段每75 cm一榀，加強段50 cm一榀，臨時型鋼拱架縱向采用φ22鋼筋連接，其環向間距1 m。拱部120°范圍內設置雙層φ42小導管，側墻設單層φ42小導管。具體車站斷面圖如圖1所示。隧道的施工步序為:1)左側導洞上臺階開挖;2)左側導洞上臺階施作初支及底板型鋼橫撐;3)右側導洞上臺階開挖;4)右側導洞上臺階施作初支及底板型鋼橫撐;5)左側導洞中臺階開挖;6)左側導洞中臺階施作初支及底板型鋼橫撐;7)右側導洞中臺階開挖;8)右側導洞中臺階施作初支及底板型鋼橫撐;9)左側導洞下臺階開挖;10)左側導洞下臺階施作初支;11)右側導洞下臺階開挖;12)右側導洞下臺階施作初支;13)核心土上臺階開挖;14)核心土上臺階施作初支;15)核心土中臺階開挖;16)核心土下臺階開挖;17)核心土下臺階施作初支;18)拆除支撐;19)二襯混凝土澆筑;20)內部梁、板、柱澆筑;每道工序的縱向間距不應大于6 m，并且應隨開挖、隨支護。為了有效模擬施工過程中的各個力學參數的變化，及時掌握施工的安全信息，運用有限差分軟件對施工過程進行了數值模擬。

圖1 某地鐵車站雙側壁導坑法施工的斷面圖

2 計算平臺及基本參數

本次三維數值模擬采用地層與結構共同作用的三維地層結構模型，計算平臺為大型巖土工程專業有限差分軟件Flac3D。地層、初期支護、臨時支撐、二次襯砌，均采用實體單元來進行模擬。實體單元的內力狀況由應力來表示。由于結構的三維復雜性，為了便于計算，抓住問題的主要矛盾，減少計算時間，提高計算效率，本次數值模擬對原結構模型進行了簡化處理，不考慮排水固結問題，并采用荷載釋放來體現開挖、支護等的物理力學過程，隧道開挖荷載釋放10%，臨時支撐荷載釋放80%，最終二次襯砌釋放10%。本次計算模擬的地層采用傳統的摩爾—庫侖理想彈塑性本構模型，混凝土襯砌采用彈性模型，根據已有的地勘報告，基本力學參數如表1，表2所示。

表1 地層參數

表2 混凝土結構參數

3 三維有限差分模擬計算

3.1 三維有限差分模型

整體模型總共66 340個節點，62 190個單元，邊界條件為在模型底部豎向位移約束，前后、左右位移也約束，如圖2所示。

3.2 計算結果

1)左上側導洞施工完畢后的結果。從圖3可以看出地層的最大位移約為12 mm，最大的地表沉降約為10 mm，在計算過程中，沒有考慮地下水的滲流固結作用，以及假設施工過程中小導管注漿良好以及臨時支撐施工質量效果良好。由圖4，圖5可以得出，初期支護的最大壓應力約為1.6 MPa，最大拉應力約為0.2 MPa，處于安全可控范圍之內。

圖2 整體三維模型

圖3 左上側導洞開挖完后的整體沉降位移

圖4 左上側導洞開挖完后初期支護的最大主應力

圖5 左上側導洞開挖完后初期支護的最小主應力

2)右側中導洞施工完畢后的結果。由圖6可以得出:隧道的最大拱頂沉降約為12.8 mm，最大地表沉降約為11 mm，說明中導洞的開挖對地表位移的影響不大，位移處于可控狀態。由圖7，圖8可以看出初期支護的最大壓應力約為1.77 MPa，最大拉應力約為1.4 MPa，處于可控范圍之內。

圖6 右側中導洞施工完畢后的整體Y向位移

圖7 右側中導洞施工后初期支護的最大主應力

圖8 右側中導洞施工后初期支護的最小主應力

3)下側中導洞施工完畢后的結果。由圖9可以得出:隧道的最大拱頂沉降約為16.5 mm，最大地表沉降約為14.5 mm，位移處于可控狀態。由圖10，圖11可以看出初期支護的最大壓應力約為4.3 MPa，最大拉應力約為0.5 MPa，說明應力狀態進一步重分布了，并且處于可控范圍之內。

圖9 下側中導洞施工完畢后的整體Y向位移

圖10 下側中導洞施工后初期支護的最大主應力

圖11 下側中導洞施工后初期支護的最小主應力

4 結語

淺埋暗挖地鐵車站，因地層體積損失及排水固結的影響勢必會引起既有路面的沉降變形或開裂，為了確保周邊建(構)筑物和工程的安全，除在開挖掘進上采取必要的盡量減少地層沉降的措施外，非常有必要對地表沉降進行及時的監測，以及運用數值分析的手段掌握、評估當前施工的安全狀態，并采取相應的預防措施，把安全事故杜絕在搖籃里。

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