地鐵下穿施工工法對(duì)既有車站變形控制優(yōu)化研究

摘 要：隨著我國(guó)城市蓬勃迅猛的發(fā)展，城市地下線路的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是不可避免的[1]。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將導(dǎo)致新線路和以往線路的交叉，隧道施工下穿既有構(gòu)筑物案例不斷出現(xiàn)。為了研究新建區(qū)間隧道下穿既有地鐵車站的地層變形規(guī)律與控制方法，本文依托深圳地鐵7號(hào)線區(qū)間隧道下穿既有4號(hào)線福民車站實(shí)際工程，基于FLAC3D三維有限差分軟件，建立三維有限差分模型。根據(jù)實(shí)際施工條件和地質(zhì)參數(shù)，對(duì)地鐵下穿既有車站工況進(jìn)行模擬，探究車站變形規(guī)律。研究表明：隧道具體開(kāi)挖方式對(duì)車站結(jié)構(gòu)變形有較大影響，全斷面法與臺(tái)階法施工產(chǎn)生沉降明顯大于CRD法，同時(shí)全斷面法沉降發(fā)育過(guò)于集中，為了便于施工變形控制，應(yīng)盡量選用CRD法施工。

關(guān)鍵詞：地鐵車站;下穿施工;開(kāi)挖方法;變形優(yōu)化;數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.064

1 引言

隨著我國(guó)城市蓬勃迅猛的發(fā)展，城市地下線路的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是不可避免的[1]。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將導(dǎo)致新線路和以往線路的交叉，隧道施工下穿既有構(gòu)筑物案例不斷出現(xiàn)。為了防止地鐵施工使既有構(gòu)筑物沉降過(guò)大從而導(dǎo)致坍塌的事故發(fā)生，同時(shí)也為了施工安全，研究地鐵下穿施工工法變形優(yōu)化就非常有意義[2]。經(jīng)過(guò)多年的研究和積累，國(guó)內(nèi)外學(xué)者隧道施工對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)變形的影響、分析和經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，預(yù)測(cè)實(shí)際工程問(wèn)題可以達(dá)到相對(duì)簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確。但是在實(shí)際工程運(yùn)用中還是存在一些問(wèn)題：例如，對(duì)結(jié)構(gòu)變形有重要影響的因素，如混凝土施工方法、輔助施工方法、實(shí)際土層分層等，分析方法難以考慮。這些方面是數(shù)值模擬方法的優(yōu)點(diǎn)，因此可以運(yùn)用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D，來(lái)研究在不同的地鐵施工工況下下穿既有車站的變形規(guī)律。

2 工程概述

深圳地鐵7號(hào)線7304-2標(biāo)皇崗村～福民區(qū)間全長(zhǎng)392.499m，右線全長(zhǎng)396.077m?；省^(qū)間隧洞零距離下穿既有4號(hào)線福民站，下穿段右線長(zhǎng)28.059m，左線長(zhǎng)28.877m，斷面形式為矩形，寬6.6m，高7.885m;左右線隧道平行布置，凈距為8.9m;隧道軸線與既有4號(hào)線福民站軸線呈75度夾角。

3 數(shù)值計(jì)算模型與分析方法

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

本文利用大型數(shù)值模擬軟件Flac3D，依據(jù)深圳地鐵7號(hào)線下穿富民車站實(shí)際工況，建立一個(gè)和實(shí)際工況接近的三維數(shù)值模型。在實(shí)際工況下，車站全長(zhǎng)216.1m，下穿區(qū)間寬度為28.8m，綜合考慮邊界影響效應(yīng)和簡(jiǎn)化建模，模型的尺寸為126*28.8*50m。數(shù)值模型如圖所示1。

3.2 力學(xué)參數(shù)

3.3 邊界約束

對(duì)模型施加的約束條件，在x、y和z軸方向都施加各自的法向約束，模型，模型上邊界不施加約束，為自由面。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

表2是測(cè)點(diǎn)沉降統(tǒng)計(jì)情況進(jìn)行對(duì)比分析，表中的數(shù)據(jù)內(nèi)容為5個(gè)施工過(guò)程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)處車站底板的沉降占最終沉降的比例。

對(duì)比CRD法和臺(tái)階法，如表2所示為其施工工藝下車站底板沉降發(fā)育曲線圖?？梢钥闯?，其車站底板沉降發(fā)育曲線趨勢(shì)比較接近，但是沉降數(shù)值有所不同。當(dāng)右線即將通過(guò)測(cè)點(diǎn)斷面時(shí)，CRD法和臺(tái)階法的沉降變形都不明顯，不同的是CRD法右線中點(diǎn)沉降8.7%，向下略微沉降，但是臺(tái)階法右線中點(diǎn)沉降-0.8%，略微隆起;但CRD法左線中點(diǎn)沉降-11.1%，臺(tái)階法左線中點(diǎn)沉降-8.2%，都發(fā)生隆起現(xiàn)象，但是沉降比例略微不同，數(shù)值也不同。說(shuō)明在左線隧道未施工時(shí)，右線隧道施工使左線隧道發(fā)生隆起，在施工中應(yīng)該注意該現(xiàn)象并施加相應(yīng)的防護(hù)措施。當(dāng)右線通過(guò)測(cè)點(diǎn)后，CRD法和臺(tái)階法右線中點(diǎn)沉降比例都為50%左右，但對(duì)于左線中點(diǎn)沉降比例，CRD法是8.9%，臺(tái)階法是22.2%，臺(tái)階法沉降比例比較大。說(shuō)明左線施工未施工時(shí)，右線隧道施工后使左線隧道發(fā)生大幅度沉降，并且臺(tái)階法的沉降比例比CRD法大。當(dāng)施工步驟進(jìn)行到左線即將通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，CRD法右線中點(diǎn)沉降比例從50.3%增加到60.8%，臺(tái)階法右線中點(diǎn)沉降從49.3%增加到51.5%;CRD法左線中點(diǎn)沉降比例從8.9%增加到21.1%，臺(tái)階法右線中點(diǎn)沉降從21.6%增加到28.1%，變化不太明顯，但是CRD法略大于臺(tái)階法。當(dāng)左線通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，CRD法和臺(tái)階法都發(fā)生大幅度的沉降，沉降比例都達(dá)到90%左右?？梢钥闯?，CRD法在控制沉降方面優(yōu)于臺(tái)階法。

對(duì)比CRD法和全斷面法，其發(fā)育曲線和發(fā)育規(guī)律有較大的不同，具體的不同體現(xiàn)在：從表2中可以看出，在右線即將通過(guò)測(cè)點(diǎn)斷面時(shí)，CRD法和全斷面法沒(méi)有差別;當(dāng)右線通過(guò)測(cè)點(diǎn)后，右線中點(diǎn)的沉降比例都是增加到50%左右，但是左線中點(diǎn)的沉降比例不同，CRD法從-11.1%增加到8.9%，全斷面法從-13.1%增加到20.1%，說(shuō)明臺(tái)階法施工時(shí)，左線未施工時(shí)，右線施工對(duì)左線的影響更大。在左線通過(guò)測(cè)點(diǎn)后，臺(tái)階法施工仍然使左右線中點(diǎn)發(fā)生先在沉降，并且說(shuō)明臺(tái)階法在右線穿越斷面后續(xù)施工仍造成測(cè)線沉降顯著發(fā)育，尤其當(dāng)雙線貫通后沉降明顯增加，說(shuō)明左右線隧道開(kāi)挖存在較強(qiáng)的相互影響關(guān)系。可以看出，CRD法在控制沉降方面優(yōu)于全斷面法。

綜上所述，CRD法應(yīng)該盡可能使用。

5 結(jié)論

本文利用大型數(shù)值Flac3D軟件建立了深圳地鐵7號(hào)線下穿富民車站三維數(shù)值模型，并根據(jù)實(shí)際工況對(duì)下穿施工中所采用的工法進(jìn)行了模擬，研究其對(duì)既有車站變形規(guī)律的影響，有以下結(jié)論。

對(duì)于沉降發(fā)育曲線和發(fā)育規(guī)律，CRD法與臺(tái)階法的最終沉降云圖變化趨勢(shì)相似，測(cè)點(diǎn)沉降主要發(fā)生在左右線隧道穿越測(cè)點(diǎn)斷面時(shí)，左右線開(kāi)挖互相有影響，但是臺(tái)階法的沉降量比較大。全斷面法施工沉降分布規(guī)律略有不同，其車站沉降發(fā)生在隧道通過(guò)測(cè)點(diǎn)斷面過(guò)程中以及通過(guò)后，左右線隧道開(kāi)挖存在較強(qiáng)的相互影響關(guān)系。綜上所述，在地鐵施工中應(yīng)該盡量選取CRD法。

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作者簡(jiǎn)介：周石喜（1974-），男，湖南邵東人，碩士，工程師，主要研究方向：地下結(jié)構(gòu)。