北京地鐵4號線新增檢票廳工程離散元仿真分析

陳自龍

（中鐵十八局市政工程有限公司，天津 300222）

巖體的平衡狀態(tài)會隨著工程開挖產(chǎn)生改變，其位移和應(yīng)力都受其影響而變化。因此，新增線路的開挖會使周圍既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力和位移，對工程的安全性產(chǎn)生影響。施工前不僅要對工程主體進(jìn)行分析，也需要研究其對周邊既有結(jié)構(gòu)的影響。楊建烽[1]、扈世民[2]、侯艷娟[3]、白海衛(wèi)[4]分別通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和理論分析討論了開挖對周邊結(jié)構(gòu)的影響，耿俊巖[5]、張濤[6]、劉建美[7]、黃昌富[8]、楊修[9]、呂海英[10]、彭麗云[11]分別利用不同的計算分析軟件對隧道開挖后周邊既有結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行分析，為開挖工程對周邊結(jié)構(gòu)的影響研究提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文以北京地鐵4 號線宣武門站新增地下檢票廳為研究對象，分析檢票廳在開挖過程中自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及對周邊結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

北京地鐵4 號線宣武門站新增地下檢票廳采用暗挖施工，其結(jié)構(gòu)形式為單層雙跨拱頂直墻斷面結(jié)構(gòu)，廳寬14.9 m，高8.9 m，長32.0 m，頂板覆土深度為7.7 m，底板埋深為16.6 m，場地類別為Ⅱ類。擬定新建暗挖檢票廳二襯結(jié)構(gòu)頂拱0.5 m，底板0.5 m，邊墻0.5 m，頂梁2 000 mm×1 600 mm，底梁1 200 m×2 200 mm，均采用C40 防水混凝土。中柱為700 mm×1 000 mm，采用C50 混凝土[12-13]。

檢票廳周邊既有結(jié)構(gòu)包括車站主體、4 號線宣武門站換乘通道、西北出入口通道。其中，車站主體結(jié)構(gòu)為單層三跨拱頂直墻斷面結(jié)構(gòu)，廳寬19.7 m，高7.95 m。車站主體結(jié)構(gòu)頂板與檢票廳頂板標(biāo)高相同，走向與檢票廳走向平行，水平凈距5.4 m。4 號線西北出入口通道高5.3 m，寬6.8 m。西北出入口通道與檢票廳結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高相同，走向與檢票廳走向垂直，檢票廳與4 號線西北出入口結(jié)構(gòu)的水平凈距約0.5 m。換乘通道高5.4 m，寬5.0 m。換乘通道與檢票廳結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高相同，走向與檢票廳走向垂直，檢票廳與換乘通道結(jié)構(gòu)的水平凈距約0.8 m。既有結(jié)構(gòu)洞壁周邊均采用混凝土噴漿襯砌支護(hù)，襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C40，襯砌厚度為0.5 m。檢票廳與既有結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系如圖1、圖2 所示。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，4 號線宣武門站新增地下檢票廳工程位于永定河沖洪積扇的中上部，檢票廳的結(jié)構(gòu)底板位于卵石圓礫層內(nèi)，其天然密度為2.18 g/cm3，黏聚力為0，內(nèi)摩擦角為30°，密實(shí)，室內(nèi)滲透系數(shù)為2.0×10-1cm/s，地基承載力特征值為450 kPa。

圖1 地下檢票廳與車站主體結(jié)構(gòu)位置示意圖（單位：m）

圖2 地下檢票廳與其他結(jié)構(gòu)位置示意圖（單位：m）

2 施工措施及控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 施工措施

（1）車站主體結(jié)構(gòu)。施工前對既有4 號線車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，并進(jìn)行檢測和評估；初支施工過程中及時進(jìn)行初支背后注漿，多導(dǎo)洞開挖時應(yīng)多次補(bǔ)注漿，嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量，保證注漿效果；對拱頂及側(cè)壁初支外側(cè)1.5 m、內(nèi)側(cè)0.5 m 范圍內(nèi)進(jìn)行深孔注漿加固[14]；及時布設(shè)測點(diǎn)，初支施工過程中加密監(jiān)測頻率，根據(jù)檢測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)；制定針對性應(yīng)急預(yù)案。

（2）出入口通道及換乘通道。施工前對出入口通道及換乘通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，并進(jìn)行檢測和評估；對換乘通道北側(cè)端頭墻2 m 范圍內(nèi)進(jìn)行全斷面深孔注漿加固，西北出入口南側(cè)端頭墻2 m 范圍內(nèi)進(jìn)行全斷面深孔注漿加固；及時布設(shè)測點(diǎn)，初支施工過程中加密監(jiān)測頻率，根據(jù)檢測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)；制定針對性應(yīng)急預(yù)案。

2.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）車站主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)險等級為二級，其位移控制標(biāo)準(zhǔn)為結(jié)構(gòu)最大沉降量≤10 mm，最大水平位移≤4 mm，差異沉降≤2 mm。

（2）兩側(cè)通道的風(fēng)險等級為二級，其位移控制標(biāo)準(zhǔn)為結(jié)構(gòu)最大沉降量≤20 mm，最大水平位移≤5 mm，差異沉降≤4 mm。

表1 地層巖土性質(zhì)

圖3 計算模型

3 數(shù)值模擬分析

3.1 地層及材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料，工程場地的地層可分為粉土填土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂、細(xì)中砂、砂質(zhì)粉土、卵石圓礫。各地層物理力學(xué)性質(zhì)及地層厚度如表1 所示。

3.2 檢票廳開挖對車站主體結(jié)構(gòu)影響分析

3.2.1 計算模型

通過離散元UDEC 軟件進(jìn)行分析，計算模型采用摩爾庫倫彈塑性模型，模型水平計算長度為120 m，豎向計算長度60 m，檢票廳與車站主體結(jié)構(gòu)上覆土層厚7.7 m，檢票廳距模型左側(cè)邊界為45.85 m，廳高8.9 m，寬14.9 m。宣武門車站長19.7 m，高7.95 m。洞壁周邊采用混凝土噴漿襯砌支護(hù)，襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C40，襯砌厚度為0.5 m。模型邊界條件的設(shè)置包括對兩側(cè)邊界的水平方向位移進(jìn)行約束，底部邊界豎直和水平方向位移進(jìn)行約束，地表為自由邊界不受約束。計算模型如圖3 所示。

3.2.2 計算結(jié)果分析

模型計算得到的位移云圖如圖4 所示，分析如下。

（1）檢票廳開挖后，圍巖產(chǎn)生指向開挖區(qū)的位移，位移集中分布在檢票廳的頂板和底板2 處，以檢票廳中柱為中心成對稱分布。土體的擾動范圍覆蓋至車站主體結(jié)構(gòu)圍巖左側(cè)，但主體結(jié)構(gòu)處圍巖所受影響較小。

（2）檢票廳頂板的最大沉降量為8 mm，車站的頂板處最大沉降量為2 mm，其值均小于位移控制標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)最大沉降量10 mm；車站差異沉降值為2 mm，其值小于位移控制標(biāo)準(zhǔn)中的差異沉降4 mm；水平向位移主要產(chǎn)生在檢票廳頂板上方的土層內(nèi)以及檢票廳兩側(cè)，近似以檢票廳中柱為中心呈反對稱分布；檢票廳最大水平位移為3 mm，既有車站結(jié)構(gòu)周邊產(chǎn)生的位移極小，不足1 mm，滿足位移控制標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)水平最大位移5 mm。

根據(jù)位移矢量圖分析結(jié)果確定后續(xù)位移控制計算點(diǎn)，計算點(diǎn)1 為車站主體結(jié)構(gòu)左側(cè)洞壁中心，計算點(diǎn)2為車站左側(cè)洞室上部頂板中心。利用離散元UDEC 軟件對檢票廳開挖后計算點(diǎn)位移進(jìn)行分析。計算點(diǎn)的位移時程曲線如圖5 所示，分析如下。

（1）計算點(diǎn)1 水平位移發(fā)展至1.9 mm 后逐漸平緩并達(dá)到穩(wěn)定，其值小于位移控制標(biāo)準(zhǔn)中的5 mm。

（2）計算點(diǎn)2 豎向位移控制點(diǎn)的位移發(fā)展至7 mm后逐漸平緩并達(dá)到穩(wěn)定，其值小于位移控制標(biāo)準(zhǔn)中的10 mm。

圖4 車站主體及周邊位移云圖（單位：m）

圖5 車站主體結(jié)構(gòu)計算點(diǎn)位移時程曲線

3.3 檢票廳開挖對兩側(cè)通道的影響分析

3.3.1 計算模型

計算模型采用摩爾庫倫彈塑性模型。模型水平計算長度為120 m，豎向計算長度60 m，檢票廳與4 號線西北出入口、4 號線西北換乘通道底板結(jié)構(gòu)埋深16.6 m，4 號線西北出入口通道高5.3 m，寬6.8 m。4 號線西北換乘通道高5.4 m，寬5.0 m。暗挖檢票廳與4 號線西北出入口結(jié)構(gòu)的水平凈距約0.5 m，與4 號線西北換乘通道結(jié)構(gòu)的水平凈距約0.8 m。洞壁周邊采用混凝土襯砌支護(hù)，襯砌混凝土強(qiáng)度等級為C40，襯砌厚度為0.5 m。

模型邊界條件的設(shè)置包括對兩側(cè)邊界的水平方向位移進(jìn)行約束，底部邊界豎直和水平方向位移進(jìn)行約束，地表為自由邊界不受約束。檢票廳結(jié)構(gòu)沿長度方向分段開挖，模型顯示檢票廳全段開挖結(jié)束后的力學(xué)響應(yīng)。計算模型如圖6 所示。

3.3.2 計算結(jié)果分析

模型計算得到的位移云圖如圖7 所示，分析如下。

（1）檢票廳開挖后，其位移主要來自檢票廳頂板上部巖體，4 號線西北換乘通道以及4 號線出入口通道周邊產(chǎn)生的位移較小。

圖6 計算模型

圖7 兩側(cè)通道及周邊位移云圖（單位：m）

圖8 兩側(cè)通道計算點(diǎn)位移時程曲線

（2）檢票廳頂板最大豎向位移為15 mm，兩側(cè)通道的頂板處最大豎向位移為5 mm，其值均小于位移控制標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)最大沉降量20 mm；水平位移主要產(chǎn)生在其頂板上方的土層內(nèi)，結(jié)構(gòu)周邊產(chǎn)生的位移極小，其最大水平位移為4 mm，兩側(cè)通道水平位移近似為0，滿足位移控制標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)水平最大位移5 mm。

根據(jù)位移矢量圖分析結(jié)果確定后續(xù)位移控制計算點(diǎn)，計算點(diǎn)1 為出入口通道右側(cè)洞壁中心，計算點(diǎn)2 換乘通道左側(cè)洞壁中心，計算點(diǎn)3、計算點(diǎn)4 分別為出入口通道和換乘通道上部頂板中心。利用離散元軟件對檢票廳開挖后計算點(diǎn)位移進(jìn)行分析。計算點(diǎn)的位移時程曲線如圖8 所示，分析如下。

（1）出入口通道計算點(diǎn)1 水平位移發(fā)展至0.7 mm后逐漸平緩并達(dá)到穩(wěn)定，換乘通道計算點(diǎn)2 水平位移發(fā)展至1.1 mm 后逐漸平緩并達(dá)到穩(wěn)定，計算點(diǎn)的最大水平位移均小于位移控制標(biāo)準(zhǔn)中的5 mm。

（2）出入口通道計算點(diǎn)3 豎向位移發(fā)展至7.5 mm后逐漸平緩并達(dá)到穩(wěn)定，換乘通道計算點(diǎn)4 豎向位移控制點(diǎn)的位移發(fā)展至3.5 mm 后逐漸平緩并達(dá)到穩(wěn)定，計算點(diǎn)的最大豎向位移均小于位移控制標(biāo)準(zhǔn)中的10 mm。

4 結(jié)論

（1）檢票廳開挖對宣武門4 號線車站主體結(jié)構(gòu)影響較小，其豎向最大位移為2 mm，水平最大位移不足1 mm，在位移控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，滿足風(fēng)險等級要求。

（2）檢票廳開挖對4 號線換乘通道和出入口通道的影響較小，4 號線通道的頂板處最大沉降量為5 mm，水平最大位移值為4 mm，在位移控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，滿足風(fēng)險等級要求。

（3）檢票廳周邊既有結(jié)構(gòu)位移控制計算點(diǎn)位移均在位移控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，滿足風(fēng)險等級要求。

（4）施工過程中及時對開挖周邊區(qū)域進(jìn)行注漿支護(hù)，可以有效減少對周邊建筑物的影響。施工過程中應(yīng)增加監(jiān)測頻率防止?jié)撛跒?zāi)害的產(chǎn)生。