地鐵隧道豎井支護結構的空間合理布局

錢 康，幸林彬，于 正，宮全美

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中交第三航務工程局有限公司交建工程分公司，上海200940）

地鐵隧道豎井支護結構的空間合理布局

錢 康1，幸林彬2，于 正1，宮全美1

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中交第三航務工程局有限公司交建工程分公司，上海200940）

受周邊城市道路及既有建筑影響，暗挖隧道施工的豎井空間有限。支護結構空間布局將影響其出渣效率，因此支護結構空間布局合理性對暗挖隧道施工將產生顯著影響。針對開挖過程中豎井變形和空間布局，以青島某地鐵隧道暗挖施工豎井為背景，利用現場實測與數值模擬相結合的方法，采用豎井開挖引起的周邊地面沉降、井壁水平變形以及洞口有效面積率作為豎井變形控制效果和空間布置合理性的評價指標，對比分析環框梁和橫撐支兩種支護形式的差異。研究結果表明：洞口有效面積率相同時，環框梁的支護變形控制效果優于橫撐支護，并兼顧豎井變形和平面布置合理性，確定了較合理的環框梁尺寸。

地鐵隧道；豎井；空間布局；支護形式；數值模擬

隨著經濟的發展和城市的建設，各城市地鐵建設范圍也不斷擴大。豎井是礦山法地鐵隧道施工中經常遇到的一種輔助性結構[1]。作為地鐵施工與外界聯系的主要通道，豎井出渣效率是地鐵施工進程重要影響因素。在城市地鐵施工過程中，受施工場地狹小和環境保護要求高等因素[2]限制，豎井的出渣效率受到豎井空間布局合理性的影響，從而對施工進程產生顯著影響。此外，支護結構還需滿足豎井變形控制要求。因此對豎井支護結構的設計顯得非常重要。

孫闖等[3]采用收斂-約束法對豎井開挖穩定性進行分析，從穩定性角度得出豎井開挖中合理的支護方案。孫淑娟等[4]采用Hamilton原理，對深部巷開挖過程進行分析，得出了開挖過程中巷道圍巖應力及應變的變化規律，并得出了開挖的影響范圍。代鑫等[5]采用ABAQUS有限元軟件，對某深豎井施工過程進行了三維數值模擬研究，得出在豎井施工過程中的井壁最大應力位置、最大位移位置以及土體位移規律。廖文來等[6]通過對地下連續墻支護形式的豎井內力發展及分布情況的監測，得出豎井在開挖過程中最不利的工況及最危險部位。楊官濤等[7]根據彈塑性力學及豎井圍巖與支護相互作用，推導了豎井圍巖支護的應力、位移等計算公式，從而為豎井圍巖支護提供了支護方位及厚度的合理參數。

總體來說，目前關于豎井支護的研究主要針對結構的穩定性及變形控制，關于豎井支護結構合理空間布局的成果較少。基于此，本文通過定義豎井平面的有效面積率作為空間布局合理性的評價指標，對不同支護結構形式的豎井出渣效率進行對比，并采用數值模擬的方法，對比分析環框梁支護和橫撐支護情況下的豎井變形和空間布局合理性，最終確定了環框梁的最優尺寸。

1 工程概況

豎井所處土層自上而下主要為①素填土、④中粗砂、⑥淤泥質粉質黏土、11○粉質黏土、12○含粘性砂礫、17○中風化花崗斑巖，如圖1所示。地勘以及室內試驗確定的各土層力學參數建議值如表1。

表1 土層主要物理力學參數Tab.1 Parameters of soil

豎井井口長a=11.0 m，寬h=8.0 m，深H=38.5 m，采用φ1000@750旋噴樁作為止水帷幕，旋噴樁深入不透水巖層不少于0.5 m，不考慮旋噴樁對土層的加固效果和對豎井的支護作用；為了監測豎井施工過程中的地表沉降和圍護結構變形，在豎井的周圍進行了監測點布置，如圖2所示。另外在DBC01、DBC02監測點布置方向有范圍為9 m×10 m的堆渣，堆渣最大高度3 m；在DBC03、DBC04監測點布置方向有設計標準為一級的雙向4車道公路；在DBC05、DBC06監測點布置方向有范圍2 m×9 m的空壓機設備；在DBC07、DBC08監測點布置方向有范圍為9 m×10 m的配料及攪拌機等設備。豎井基坑支護結構安全等級為一級，結構重要性系數γ0=1.1。圍護結構允許的最大水平位移≤0.15%H，且≤30 mm；地面最大沉降量≤0.15%H，且≤30 mm。

出渣效率是施工進程重要影響因素，而豎井出渣效率受限于豎井出渣口面積，此處定義洞口有效面積率為出渣口面積與豎井井口面積之比，以有效面積率衡量豎井出渣效率的高低，洞口有效面積率定義為

其中：a為井口長度；h為豎井進口寬度，為樓梯、錨噴厚度、橫撐寬度等無效寬度；b為環框梁寬度；n為無效寬度個數。

圖1 豎井剖面圖（單位：mm）Fig.1 Shaft section （unit:mm）

圖2 環框梁方案圖Fig.2 Ring frame beam scheme

圖3 橫撐方案圖Fig.3 Transverse bracing scheme

考慮豎井變形和空間布局合理性，本文針對“鉆孔灌注樁+環框梁”和“噴錨支護+橫撐”兩種支護形式進行分析。采用環框梁支護時，在土層范圍內采用φ800@1 500鉆孔灌注樁作為豎井圍護結構，鉆孔灌注樁頂施做截面1 000 mm×800 mm的鋼筋混凝土冠梁，圍護支撐結構采用鋼筋混凝土環框梁。為了研究環框梁截面尺寸對豎井變形和空間布局合理性的影響，并確定較合理截面尺寸，對三種橫截面尺寸進行分析，分別為1 300 mm×800 mm，1 100 mm×800 mm，900 mm×800 mm；采用橫撐時，若采用鉆孔灌注樁作為圍護結構，橫撐需要通過腰梁架進行連接，洞口的有效面積率減少，削減了橫撐在節省豎井空間的優勢。因此在土層范圍內先采用小導管注漿，然后采用“格柵拱架+噴射混凝土+中空注漿錨桿”作為豎井圍護結構架設。為研究橫撐布設數量的影響，對兩種布設方案進行分析，兩種橫撐布設方式分別為一道雙拼I18工字鋼和兩道雙拼I18工字鋼，平面布置如圖3所示。橫撐方案在豎直方向每間隔0.5 m布置一道橫撐。所有方案在巖層范圍內采用“格柵拱架+噴射混凝土+中空注漿錨桿”作為豎井圍護結構，內部采用I20 a型鋼角撐作為內撐。

根據洞口有效面積率的定義式（1）可知，各種方案下的豎井洞口有效面積率計算公式

其中：a為井口長度；h為豎井進口寬度；b為環框梁寬度；c=1.6 m為樓梯寬度；d=4 m（綜合考慮出渣效率和變形控制）；f=2 m為樓梯寬度和格柵鋼架厚度；e=5 m為兩道橫撐之間的的出渣口寬度。、

2 數值計算

2.1 模型建立

利用三維PLAXIS有限元軟件對豎井開挖進行模擬計算，為考慮開挖過程應力路徑相關性，本文土體采用土體硬化模型作為土體本構模型[8]，支護結構采用線彈性本構模型。考慮到邊界效應，模型的尺寸為160 m×130 m×70 m，如圖4（a）所示。土體頂面采用自由邊界，底面采用固定邊界，其余各側面均限制法向位移。在環框梁方案中，鉆孔灌注樁和環框梁采用實體單元模擬，格柵鋼架采用板單元進行模擬；橫撐方案中，豎井周圍錨桿注漿加固土體采用實體單元，計算參數采用等模量法[9]換算，橫撐采用梁單元模擬，各材料參數如表2。在巖層范圍內，格柵拱架+噴射混凝土采用板單元進行模擬。本文豎井周圍堆渣荷載、設備及公路荷載都采用面荷載進行模擬。堆渣模擬面荷載的取值=60 kN/m2；一級公路模擬面荷載取值=15 kN/m2；空壓機設備模擬面荷載取值=10 kN/m2；攪拌設備及配料模擬面荷載取值=15 kN/m2，荷載布置如圖4（b）所示。

圖4 模型網格圖Fig.4 Model grid

表2 材料物理力學參數Tab.2 Parameters of material

2.2 施工模擬

環框梁方案主要施工步驟模擬：位于中風化花崗巖上部的土層，每一次開挖至冠梁或者環框梁底部標高，然后澆筑環框梁，共開挖7次，每次開挖深度分別為1.6，5，4.5，4，2，2 m和2.5 m，在位于中風化花崗巖中，每一次開挖2 m，每一次開挖后進行格柵拱架+噴射混凝土+角撐的施工；橫撐方案主要施工步驟模擬：每一次開挖2 m，每次開挖前先進行小導管注漿，一次開挖后進行格柵拱架+噴射混凝土+角撐+橫撐的施工。

3 計算結果分析

3.1 數值模擬計算結果

各個方案下的地表沉降模擬計算結果如圖5～圖7所示。圖5為1 300 mm寬環框梁地表沉降曲線圖，可知地表沉降隨豎井開挖逐漸發展，淤泥質土層開挖時引起的地表沉降顯著增大。DBC02監測點處由于地表大量堆渣，地表沉降值最大為18.6 mm，DBC05監測點處地表沉降最小4.2 mm。DBC07，DBC08，DBC03，DBC04監測點位于豎井的長邊，空間約束較弱，所以其地表沉降要大于位于豎井短邊DBC05，DBC06。當采用1 100 mm和900 mm寬環框梁支撐方案時，地表沉降曲線規律與1 300 mm寬環框梁相似，但地表最大累計沉降有所差異，1 100 mm和900 mm寬環框梁支護方案地表最大沉降分別是22.6 mm和26.6 mm。當采用一道橫支撐時，地表沉降曲線如圖6所示，地表沉降隨豎井開挖逐漸發展，淤泥質土層開挖時引起的地表沉降顯著增大。地表累計沉降最大值為61.6 mm。當采用兩道橫支撐時，地表沉降曲線如圖7所示，最大沉降為29.7 mm。當采用環框梁方案或兩道橫撐方案豎井周圍土體地表沉降均滿足地面最大沉降量30 mm的控制標準。當采用一道橫撐方案不滿足相應的設計規范。

圖5 1 300 mm環寬環框梁地表沉降圖Fig.5 Surface settlement of 1 300 mm wide ring frame beam

圖6 一道橫撐地表沉降圖Fig.6 Settlement of a transverse bracing

圖7 兩道橫撐地表沉降圖Fig.7 Settlement of two transverse bracing

各方案下豎井側壁最大水平位移如圖8所示，可知當采用1 100 mm環框梁、900 mm環框梁以及橫撐圍護結構時，豎井的側壁水平位移分別達到了33.7，39.6，99.4 mm和64.7 mm，都不滿足側壁水平位移控制標準30 mm；當采用1 300 mm寬環框梁時，滿足控制標準30 mm。

地表沉降、側壁水平位移和洞口有效面積率的計算結果匯總如表3所示，由環框梁方案和兩道橫撐方案可知在洞口有效面積率相近情況下，采用環框梁結構的支護形式的變形要大大高于采用橫撐結構圍護形式；同時，當環框梁寬度由1 300 mm減小至900 mm、相應的洞口面積率由41.73%增大至50.09%時，地表變形由18.5 mm增大至26.6 mm，說明環框梁的寬度對于豎井支護結構變性影響較大，豎井變形控制與有效面積優化之間確實存在矛盾，需兼顧兩者，確定最優支護形式和尺寸。綜上所述，根據變形控制和空間優化要求，采用截面尺寸1 300 mm×800 mm的環框梁方案為最優支護形式。

表3 數據匯總Tab.3 Data summary

3.2 與實測數據對比分析

豎井實際施工時，采用了1 300 mm×800 mm環框梁支護結構，并對豎井周圍地表開挖進行了同步監測，沉降曲線圖如圖9所示。由于現場不可能控因素，實測有效的監測點只有6個，另外淤泥層開挖主要位于2016年5月底到6月初。

由實測數據可知，豎井的主要沉降主要發生在淤泥質粉質黏土層開挖。地表沉降最大值主要在位于監測DBC02號點，為18.9 mm。對比同樣采用1 300 mm×800 mm環框梁數值模擬結果發現，數值模擬結果中，豎井地表沉降的最大值位置與實測位置相似，為18.6 mm，與實測較吻合，說明本文的研究方法和結論具有一定的合理性。

圖8 各方案下豎井側壁最大水平位移圖Fig.8 The maximum horizontal displacement of the side wall of the shaft

圖9 實測豎井地表沉降圖Fig.9 Measured ground settlement

4 結論

針對地鐵豎井開挖過程中豎井穩定性和空間合理布局問題，采用有限元軟件PLAXIS對其進行豎井開挖及支護全過程的數值模擬及現場實測，對比分析環框梁和橫撐兩種支護方案下，豎井開挖引起的周邊地面沉降、豎井井壁水平變形以及洞口有效面積率。可以得到以下結論：

1）當豎井洞口有效面積率相同時，采用環框梁支護的豎井周圍地表沉降及豎井側壁水平變形只有采用橫撐支護的50%左右，因此同時考慮地鐵豎井空間合理布局和豎井的穩定性，采用環框梁支護結構要優于采用橫撐支護結構。

2）在采用環框梁支護形式的內支護方案中，當環框梁的寬度減小8%～15%時，豎井周圍土體的變形增大了30%～50%，因此環框梁的寬度對豎井支護穩定性影響較大。

3）由數值模擬和實測結果發現，在淤泥質土層中進行豎井開挖，將導致較大的地表沉降和支護結構變形，因此，可對淤泥質土層中的開挖和支護方案進行進一步優化分析。

4）由數值模擬計算結果可知，地表沉降變化規律、最大沉降位置和沉降值與實測數據吻合較好。表明數值計算可以較好的模擬豎井開挖對周邊土層沉降變化。這表明了數值模擬結果具有可信性以及相關參數合理性。

[1]朱正國，安辰亮，朱永全，等.地鐵深豎井土壓力理論研究[J].巖石力學與工程學報，2013（S2）：3776-3783.

[2]駱建軍，張頂立，王夢恕，等.地鐵施工對鄰近建筑物安全風險管理[J].巖土力學，2007（7）：1477-1482.

[3]孫闖，張向東，張建俊.深部斷層破碎帶豎井圍巖與支護系統穩定性分析[J].煤炭學報，2013（4）：587-594.

[4]孫淑娟，王琳，張敦福，等.深部巷道開挖過程中圍巖體的時程響應分析[J].煤炭學報，2011（5）：738-746.

[5]代鑫，徐偉，鄒麗，等.豎井開挖過程的數值模擬分析[J].巖土工程學報，2012（S1）：154-157.

[6]廖文來，張君祿，陳曉文，等.湛江灣厚砂層深挖豎井結構施工監測分析[J].巖土工程學報，2014（S2）：460-465.

[7]楊官濤，李夕兵，劉希靈.豎井圍巖-支護系統穩定性分析的最小安全系數法[J].煤炭學報，2009（2）：175-179.

[8]王海波，宋二祥，徐明.地下工程開挖土體硬化模型[J].清華大學學報：自然科學版，2010（3）：351-354.

[9]吳波.復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降研究[D].重慶：西南交通大學，2003：24-25.

Spatial Reasonable Layout of Shaft Support Structure for Metro Tunnel

Qian Kang1，Xing Linbin2，Yu Zheng1，Gong Quanmei1
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Communication Engineering Construction Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200940，China）

By the roads and existing buildings of surrounding cities，the construction of underground tunneling space is limited.The rationality of the layout of the supporting structure will influence its slag efficiency，so the rational layout of the supporting structure will have a significant effect on the construction of the tunnel.According to the method of field measurement and numerical simulation,the surrounding ground subsidence caused by shaft excavation，the horizontal deformation of the borehole wall and the deformation of the borehole wall were carried out based on the excavation of a metro tunnel in Qingdao.The effective area ratio is used as the evaluation index of the shaft deformation control effect and the rationality of the spatial arrangement，and the difference between the two kinds of support forms was analyzed.The results showed that with the effective area ratio of the hole unchanged，the control effect of the ring beam is better than that of the bracing,and the rationality of the deformation and the layout of the shaft is taken into account.

metro tunnel；shaft；space layout；support form；numerical simulation

TU443

A

（責任編輯 王建華）

1005-0523（2017）04-0007-06

2017－03－30

錢康（1994—），男，碩士研究生，主要從事城市軌道交通研究。

宮全美（1967—），女，教授，博士生導師，主要從事軌道交通結構設計理論研究與施工、線路動力學。