十導洞CRD工法地鐵風道結構流固耦合數值分析

孫明志，戴文亭，郝佰洲，武 皓

(吉林大學交通學院，吉林 長春 130022)

0 引言

隨著我國城市規模的不斷擴大，城市交通負擔日益嚴重。城市軌道交通依靠其安全、快速、準時的優點，在改善城市交通環境、打造城市快速立體交通網絡方面發揮著越來越大的作用。而地鐵大多在城市中心區修建，不可避免地會對周圍的道路、管線、建筑物、綠地及地面的各種設施造成影響。尤其是地鐵車站的修建，地鐵車站開挖范圍大，施工步序多，頻繁對地層進行擾動，會引起車站開挖一定范圍的地層沉降［1－3］。

目前隧道開挖引起地層變形的計算方法大致有經驗公式法、理論解析法、數值分析法、模型試驗法、隨機介質方法和神經網絡方法等［4－5］。由于數值方法能考慮不同地層環境的變形、復雜的邊界條件及施工工藝，所以數值分析法越來越廣泛地應用于地下工程中。黃明利等［6］采用三維有限元方法對廈門海底暗挖洞口段CRD法施工的不同工序進行彈塑性數值模擬，分析各工序間變形分配比例和施工工序對沉降的影響。劉慧敏等［7］利用有限元軟件ANSYS，優化分析了2種不同的導洞開挖及3種不同的拆撐順序。但目前的研究大多針對四導洞或六導洞CRD工法進行計算，對于十導洞拱頂直墻CRD工法結構尚無具體的針對性分析。

本文依托長春地鐵解放大路站十導洞CRD工法施工風道結構工程，在總結前人研究經驗的基礎上采用數值模擬與現場監測相結合的方法，確定最優化的導洞開挖順序，并對整個施工過程進行風險預測，結合工程實踐提出具體的改進措施。

1 工程概況

長春地鐵解放大路站位于人民大街與解放大路交匯處，為地鐵1號線和2號線換乘車站，在區間配有聯絡線和單渡線。解放大路站1，2，3，4號風道均采用十導洞CRD法施工，具體施工方案如圖1所示。

圖1 十導洞CRD風道施工順序圖Fig.1 Construction sequence of 10-pilot-heading CRD method

如圖1所示，首先在豎井內施作超前管棚及超前小導管，注漿加固地層，先后開挖10個導洞洞室土體，施作初期支護及鎖腳錨管，并根據現場情況及時封閉掌子面，各洞室縱向間距保持15 m左右。導洞完成后采用逆作法進行二次襯砌結構施工，分段鑿除臨時支撐，由下至上分別施作防水層，底板、中板及頂拱，完成二次襯砌澆筑。

工程范圍內地層由第四系全新統人工填土層、第四系中更新統沖洪積黏性土和砂土、白堊系泥巖組成;地層存在3層地下水，第1層為孔隙性潛水，第2層為淺層承壓水，第3層為巖石裂隙水，無穩定地下水位。

2 模型建立

數值計算分析采用 FLAC3D有限差分程序［8］。根據地質勘測結果，模型簡化為4個土層，填土厚2 m，黏土層厚8 m，粗砂層厚2 m，最下為泥巖層。假定地表和各土層均勻水平分布，土體材料采用摩爾－庫侖本構模型，混凝土材料采用彈性模型。導洞超前支護管棚和小導管注漿根據經驗簡化為2 m厚的注漿加固層。地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化，地應力場由自重應力自動生成。考慮空隙性潛水與淺層承壓水的影響，兩者相互聯通，承壓水主要由潛水補給。采用fluid流體模塊與力學模塊耦合分析整個施工過程，其中流體模塊選擇fl-isotropic均質流體模型進行計算，假定固體顆粒骨架是不可壓縮的。含水層中取粘土滲透系數為3×10－8m/s、粗砂滲透系數為4 ×10－5m/s。

由于建模范圍考慮到尺寸效應，兩側至少2倍風道寬度，所以整個模型取寬60 m，高40 m，縱向取45 m。模型力學邊界上表面為自由表面，對其他5個表面進行法向約束，滲流邊界將模型側方邊界孔隙壓力固定。具體模型如圖2所示。

圖2 CRD風道模型圖Fig.2 Model of ventilation passage constructed by CRD method

依據勘測單位提供的土工實驗數據及原位實驗結果，并結合本地經驗，確定材料如表1所示。

表1 模型參數Table 1 Model parameters

3 結果分析

3.1 CRD 風道導洞開挖順序研究

在工程實踐中，十導洞CRD工法施工風道結構較為常見的導洞開挖順序有2種，如圖3所示。

圖3 不同開挖順序導洞施工方案Fig.3 Sequence of pilot heading

3.1.1 地表沉降

參照實際地表沉降監測點布置情況，以模型中間斷面為基準選擇10個地表沉降監測點，各監測點位置布置情況如圖4所示。

圖4 地表監測點布置圖Fig.4 Layout of ground surface monitoring points

導洞開挖完成時地表沉降對比如圖5所示。

圖5 導洞開挖完成時地表沉降對比圖Fig.5 Curves of ground surface settlement when pilot heading is completed

分析圖5可知，方案2地表沉降整體上較方案1大，與方案1相比，方案2開挖中軸線位置地表沉降要大10%，距離中軸線較遠處2方案地表沉降值更為接近。

3.1.2 地表最大沉降歷時變化

選擇地表最大沉降值點作為分析點，2方案中軸線地表沉降最大值點的沉降歷時變化如圖6所示。

圖6 地表最大沉降值點沉降歷時對比圖Fig.6 Time-dependent ground surface settlement at the point with the maximum settlement

分析圖6可知，相對于方案1，方案2在2號導洞開挖支護時，地表最大沉降值增加很快，對上部土體的造成的擾動較大，這在一定程度上削弱了土體的抗變形能力，造成后序的施工步驟引起的沉降也相應增大，使方案2的各沉降值均大于方案1的沉降值。

3.1.3 側壁水平收斂

由于風道結構高跨比較大，風道結構中下部邊墻會受到較大的側向土壓力的影響，所以在開挖風道結構內部土體時，會產生比較明顯的向內水平位移，甚至比豎向位移更需要得到重視。在風道結構周圍布置18個水平位移監測點，監測點布置圖如圖7所示。

圖7 水平位移監測點布置圖Fig.7 Layout of horizontal displacement monitoring points

當10個導洞開挖完成時，水平相對的2個監測點均向風道內部偏移?？紤]到2個方案的不同導洞開挖順序，選取十導洞開挖完成時，水平相對的2個監測點整體水平收斂值進行對比分析。2方案的各監測點水平收斂對比如圖8所示。

分析圖8可知，風道結構上方的7個位置處的監測點水平收斂是方案1優于方案2，風道結構下方的2個位置處的監測點水平收斂是方案2優于方案1。

圖8 不同埋深處各監測點側壁水平收斂對比圖Fig.8 Horizontal convergence at monitoring points at different depths

3.1.4 土體塑性區分布

圖9為2種方案導洞開挖完成時塑性區分布。

圖9 2種方案塑性區分布Fig.9 Distribution of plasticized zone

分析圖9可以看出，與方案1相比，當10個導洞開挖完成后，方案2洞室周圍土體的塑性區分布范圍要大一些。

3.1.5 水平應力和豎向應力

選擇圖7所示的監測點17和監測點18作為分析點1和分析點2，不同的開挖順序時水平壓應力圖和豎向壓應力圖如圖10和圖11所示。

分析圖10和圖11可知，與方案1相比，當10個導洞開挖完成后，方案2在分析點1和2處的水平壓應力較大，而當10個導洞開挖完成后，2個方案在分析點1和2處的豎向壓應力相差不大。

綜合分析以上數據，在控制地表沉降、側壁收斂及土體塑性區分布上，方案1要優于方案2，水平應力比較方案1也要優于方案2，只有從豎向應力比較方案2略優于方案1，所以根據對比結果綜合考慮，導洞開挖順序應優先選擇方案1。

圖10 水平壓應力對比圖Fig.10 Horizontal stress

圖11 豎向壓應力對比圖Fig.11 Vertical stress

3.2 CRD風道施工過程模擬研究

3.2.1 沉降分析

圖12為風道整體完成豎向沉降云圖。

圖12 CRD風道整體完成豎向沉降云圖Fig.12 Contour of vertical settlement of ventilation passage constructed by CRD method when the construction is completed

圖13為通過數值模型計算后，典型監測斷面施工各階段地表沉降的變化情況。

施工完成后中軸線最大沉降點沉降值達到60.3 mm，CRD風道10個導洞開挖完成時該點沉降值為35.1 mm，與實際監測數據吻合(目前工程已完成10個導洞開挖，10導洞完成各斷面實際監測數據顯示最大地表沉降值為32～37 mm)，10導洞完成時地表沉降大約占總沉降值的58%。

底二次襯砌施工時會先破除底部初期支護，此工序引起極大的受力轉換，該工序完成時地表最大沉降值達到54 mm，較上一步增加18.9 mm，占總沉降量的31.3%?？梢?，拆除底部初期支護要采取相應的加強措施，建議底初期支護拆除完成后及時換撐，換撐可選用工字鋼，1.5 m一道，同時加強拱頂注漿，及時監測反饋施工。后序的二次襯砌施工引起的變化比較小。

圖13 施工各階段地表沉降曲線圖Fig.13 Curves of ground surface settlement in different construction stages

3.2.2 水平位移分析

圖14為CRD風道整體完成時水平位移云圖。

圖14 CRD風道整體完成時水平位移云圖Fig.14 Contour of horizontal displacement of ventilation passage constructed by CRD method when the construction is completed

根據計算得到數據，做出風道結構收斂變化歷時曲線如圖15所示。

由圖15數據分析可知:

1)導洞全部開挖完成后，由于土體的開挖引起風道兩側的土體向內側收斂移動，最大水平收斂出現在監測點15和16之間，達到38.6 mm，由于土壓力的作用，風道下層的水平收斂要大于上部。

2)拆除底部初期支護，施作二次襯砌結構，風道側壁失去水平初期支護的支撐會發生較大的向內側收斂，風道水平監測點13和14向內側收斂達到45.7 mm，較導洞開挖完成時增長了39%，變形較大。所以此過程需要嚴格控制每步的開挖距離，增加臨時橫向支撐結構。

圖15 風道水平收斂歷時曲線Fig.15 Time-dependent curves of horizontal convergence of ventilation passage

3)中板施作結束后下方二次襯砌形成了封閉結構，中板下側水平收斂基本穩定。

4)頂部二次襯砌施工時拆撐部位水平位移變化明顯，監測點1和2間水平收斂達到34.5 mm，較拆撐前增加78%;監測點3和4間水平收斂達到39.8 mm，較拆撐前增加80%;監測點5和6間水平收斂達到42.5 mm，較拆撐前增加57%。此階段拆撐位置水平收斂明顯增加，需要特別注意，增加臨時支護，減小施工步距。已經施作二次襯砌的結構處水平位移稍有增加，風道結構整體完成后，最大水平收斂發生在監測點13和14之間，達到52.6 mm，較上一階段增加2.7%，基本處于穩定狀態。

4 現場監測數據與模擬結果對比

4.1 監測點布置情況

測點布置是以滿足現場安全管理管理和監控為前提，在保證施工監測與第三方監測同點同時段監測的基本要求下，綜合施工圖監測設計、第三方監測設計圖優化而成。地表沉降各監測點斷面布置如圖4所示，每隔5 m布置1個監測斷面。

4.2 監測值與模擬值對比

本工程已經完成10個導洞開挖，地表沉降現場監測數據與模擬數據對比如圖16所示。

圖16 10個導洞開挖完成地表沉降監測值與模擬值對比圖Fig.16 Measured ground surface settlement when pilot heading is completed Vs simulated values

由圖16可知，風道結構導洞開挖支護完成地表沉降曲線數值模擬值與實際監測數據基本吻合，同樣，側壁收斂監測數據與模擬結果也較為吻合。表明前文對導洞開挖順序研究的正確性，也為后續對拆撐施作二次襯砌結構的風險預測提供了支持。

5 結論與討論

5.1 結論

以長春地鐵解放大路站十導洞CRD法地鐵風道為工程背景，采用FLAC3D數值模擬與現場實測相結合的方法，得出以下結論:

1)對比分析2種不同的導洞開挖方案，最終得出本文4.2節方案1為最優的導洞開挖方案。

2)施工完成后中軸線最大沉降點沉降量達到60.3 mm，CRD風道10個導洞開挖完成時該點沉降值為35.1 mm，與實際監測數據吻合。

3)拆除底層初期支護施工底板二次襯砌為該工法的薄弱環節，建議底初期支護拆除后及時換撐，換撐可選用工字鋼，每1.5 m布置一道，同時加強拱頂注漿，及時監測反饋施工，可保證工程安全有序進行。

4)風道結構整體完成后最大水平收斂達到52.6 mm，下側的水平收斂要大于上側，拆除臨時仰拱時會另臨近側壁產生較大的水平收斂，建議拆除臨時仰拱時要及時換撐，要減小風道結構下側每段破除支護距離，增加下側臨時水平支撐數量。

5)從目前的施工效果看，此工法可以較好地適應長春地層環境，具有一定的推廣價值。

5.2 討論

1)本研究計算內容并沒有考慮工前的降水作業，現場監測數據顯示降水過程后地表沉降可達到1 cm以上，后續的研究應考慮得更加全面來使計算更接近于實際。

2)對于工后沉降目前還沒有系統完善的研究，而工后沉降是地鐵工程運營過程中發生的，這方面的工作具有重要意義。

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