模擬云計(jì)算在地鐵建設(shè)中的運(yùn)用

楊秀才

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽 550000）

0.引言

地鐵暗挖大跨度車站開挖是比較復(fù)雜和系統(tǒng)化的，在工程實(shí)施時會受到一系列要素的制約，需要根據(jù)具體工程場地的實(shí)際現(xiàn)狀，思考與探究開挖方法，不斷地調(diào)整與優(yōu)化開挖技術(shù)，最終提高地鐵暗挖大跨度車站的開挖高效性與安全性[1]。

1.工程概況

貴陽地鐵2號線一期三橋站，位于貴遵高速公路與三橋北路交叉口東南象限內(nèi)，沿貴遵高速公路呈南北布置。車站結(jié)構(gòu)由明挖段、暗挖段兩部分組成，采用地下4層雙跨矩形框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3m，長118.5m，其中暗挖段長24m。該站與物業(yè)結(jié)合緊密，上蓋物業(yè)由兩棟高層建筑及一棟多層酒店組成，場地及周邊環(huán)境復(fù)雜。

2.工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、現(xiàn)場地質(zhì)測繪及鉆探結(jié)果，場地范圍內(nèi)巖土層自上而下主要依次為人工填土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖夾泥質(zhì)灰?guī)r以及中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖夾泥質(zhì)灰?guī)r。素填土層（Qml），為碎石及黏土組成，結(jié)構(gòu)松散～稍密，厚度1.7m～10.3m；基巖為三疊系中統(tǒng)松子坎組（T2sz）泥質(zhì)白云巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，為薄至中厚層。

場區(qū)地下水主要有孔隙水及基巖裂隙水以及巖溶管道水3種類型，富水性較高。孔隙水主要賦存于第四系松散覆蓋層內(nèi)，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，局部為上層滯水；基巖溶裂隙水含量較豐富，賦存于碳酸鹽巖的風(fēng)化裂隙內(nèi)，接受大氣降雨及上游地表及地下水補(bǔ)給。巖溶管道水主要賦存于白云巖溶穴或巖溶管道內(nèi)，接受大氣降雨的入滲補(bǔ)給以及地表徑流通過巖溶洼地、落水洞等集中注入補(bǔ)給。

巖溶、地下水、基巖順層滑動等不良地質(zhì)對施工影響較大，暗挖車站斷面空間大，局部上覆巖體單薄，圍巖穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)開挖隧道洞頂?shù)孛嫠荨?/p>

3.設(shè)計(jì)施工方案

三橋站暗挖段設(shè)計(jì)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工步驟如下。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法又稱雙側(cè)壁導(dǎo)洞法或眼睛工法，可分為主次開挖、裝碴運(yùn)輸、初期支護(hù)、施工監(jiān)測和二次支護(hù)等主要施工內(nèi)容。利用2個中隔壁將整個隧道大斷面分成4個小斷面進(jìn)行施工，左右導(dǎo)洞先行，中間斷面緊跟其后，初期支護(hù)仰拱成環(huán)后，拆除兩側(cè)導(dǎo)洞臨時支撐，從而形成全斷面，兩側(cè)導(dǎo)洞皆為倒鵝蛋形，有利于控制拱頂下沉。由于三橋站暗挖段地下施工環(huán)境屬于粘土層，在進(jìn)行實(shí)際開挖導(dǎo)坑時，需要盡最大程度減少對圍巖的擾動，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。初期支護(hù)需要根據(jù)實(shí)際情況，采用格柵鋼架、掛網(wǎng)、噴混凝土柔性支護(hù)體系，及時施作使斷面及早閉合，充分利用圍巖的自承能力，防止圍巖變形。在此基礎(chǔ)上，需要利用云計(jì)算技術(shù)建立一套完整的圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息化施工管理，隨時掌握施工過程中的動態(tài)變化，及時調(diào)整施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)，確保施工安全。

從施工步驟方面看：第一，需要拱頂小導(dǎo)管注漿是，先開挖側(cè)洞①②室，施作初期支護(hù)及中隔壁、中隔板。①號洞室超前③號洞室3m～5m，開挖洞室③土體，施作初期支護(hù)及中隔壁和中隔板；第二，拱頂小導(dǎo)管注漿，開挖洞室④⑤，③號洞室超前④⑤號洞室15m～20m，施作初期支護(hù)及中隔壁和中隔板。④⑤號洞室超前⑥號洞室3m～5m，開挖洞室⑥號土體，施作初期支護(hù)及中隔壁隔板；第三，拱頂小導(dǎo)管注漿，開挖洞室⑦⑧，施作初期支護(hù)及中隔板，⑥號洞室超前⑦⑧號洞室20m～30m；第四，開挖洞室⑨，洞室⑦⑧、⑨之間掌子面錯開3m～5m，施作初期支護(hù)；第五，需要根據(jù)實(shí)際監(jiān)測情況，分段截?cái)嘌龉昂穸确秶鷥?nèi)的中隔壁，剔除處初支混凝土及鋼筋網(wǎng)，保留格柵鋼筋100mm長在二襯范圍內(nèi)，鋪設(shè)仰拱防水層，施作二次襯砌，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%后，頂緊豎向臨時支撐與二襯結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，分段局部破除臨時支撐，一般情況下縱向?yàn)?m～6m，敷設(shè)防水層、綁扎鋼筋、臺車就位澆筑拱部邊墻及拱部混凝土，形成封閉二襯結(jié)構(gòu)。

在應(yīng)用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中值得注意的是，側(cè)壁導(dǎo)坑形狀需要近似于橢圓形斷面，導(dǎo)坑斷面寬度需要調(diào)整為整體斷面的1/3，在土方開挖過程中，需要利用人工與機(jī)械有機(jī)結(jié)合的開挖形式，距離輪廓邊緣線30cm～40cm設(shè)置修面層，必須要采用人工開挖才能保證開挖輪廓線的圓順。為了確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定，需要在工序變化處設(shè)置鎖腳鋼管，且必須對其進(jìn)行注漿，同時當(dāng)各個洞室開挖后需要及時準(zhǔn)確地進(jìn)行初支及臨時支護(hù)，并盡早封閉成環(huán)。拆撐對初期支護(hù)內(nèi)力影響較大，需要嚴(yán)格控制拆撐長度，相應(yīng)的圍巖塑性區(qū)呈現(xiàn)經(jīng)典蝶形，最大發(fā)展深度在拱腳和墻腳位置，在施工過程中應(yīng)該加強(qiáng)對掌子面的監(jiān)測，必要時采取相應(yīng)措施加固掌子面。開挖后拱部鋼架與兩側(cè)壁鋼架連接是難點(diǎn)，在兩側(cè)壁施工過程中，需要對鋼架位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，確保各部鋼架架設(shè)后在同一垂直面上，能夠有效避免鋼架發(fā)生扭曲現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 三橋站暗挖段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工

4.初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算及位移、應(yīng)力云圖

為確保開挖過程中的安全并合理地分區(qū)、分段拆除支撐，利用初期支護(hù)和圍巖自穩(wěn)的時效性進(jìn)行二襯結(jié)構(gòu)的施工，在開挖前委托專業(yè)的單位根據(jù)施工現(xiàn)場并結(jié)合開挖過程中揭露的掌子面實(shí)際圍巖情況對暗挖段的開挖工法分步進(jìn)行數(shù)值模擬，以便在施工過程中進(jìn)行有效管控[2]。

4.1 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

計(jì)算采用專門求解巖土力學(xué)問題的大型商用Midas-GTS有限元分析軟件。其運(yùn)用節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)條件，對連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行大變形分析，基于顯式差分法求解運(yùn)動方程和動力方程，由于采用混合離散技術(shù)，從而使模擬塑性破壞與塑性流動更精確。

計(jì)算模型的側(cè)面邊界分別受到X軸方向位移約束，模型的地層下部邊界受到Y(jié)軸方向的位移約束。斷面最大開挖寬度25.75m，最大開挖高度20.95m，取地面以下70m，寬度80m范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。初期支護(hù)采用C25噴射混凝土厚330mm，型鋼鋼架采用工25b型鋼，臨時鋼架采用工22a型鋼鋼架，拱頂設(shè)φ159@400大管棚。整個計(jì)算模型采用平面應(yīng)變建模對施工階段進(jìn)行模擬。模型計(jì)算出各分布開挖步驟的位移、應(yīng)力情況，模擬計(jì)算圍巖參數(shù)取值如表1所示。

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)取值

4.2 開挖過程中X方向及Y方向位移云圖（見圖2和圖3）

圖2 X方向位移云圖

圖3 Y方向位移云圖

根據(jù)GTS模擬計(jì)算結(jié)果顯示：X方向最大正位移出現(xiàn)在邊墻處，為4.2mm，最大負(fù)位移出現(xiàn)在拱頂處為-4.2mm；其中上臺階開挖完成后拱頂最大位移為2.945mm。

根據(jù)GTS模擬計(jì)算結(jié)果顯示：Y方向最大正位移出現(xiàn)在仰拱處，為11.2mm，最大負(fù)位移出現(xiàn)在拱頂處，為17.8mm，其中上臺階開挖完成后拱頂最大位移為13.1mm。

4.3 開挖過程中X方向和Y方向圍巖應(yīng)力云圖（見圖4和圖5）

圖4 X方向圍巖應(yīng)力云圖

圖5 Y方向圍巖應(yīng)力云圖

根據(jù)GTS模擬計(jì)算結(jié)果顯示：X-X方向圍巖最大應(yīng)力為299kN/m2，Y-Y方向圍巖最大應(yīng)力為2481kN/m2。

5.結(jié)論及建議

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析結(jié)果，開挖工法最大風(fēng)險為拱頂沉降，拱頂沉降累計(jì)為17.8mm，比原設(shè)計(jì)拱頂沉降16.2mm多1.6mm。其中第7步開挖過程中（中導(dǎo)洞上臺階開挖）拱頂最大沉降為8.7mm。根據(jù)《城市軌道交通工程技術(shù)監(jiān)測規(guī)范》9.2.3條相關(guān)內(nèi)容，并結(jié)合三橋站周邊環(huán)境情況，三橋站暗挖段拱頂沉降量按20mm控制，開挖工法理論上可以確保后期施工安全。但第七步開挖過程中沉降較大，應(yīng)嚴(yán)格按照施工圖及相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行施工，同時應(yīng)及時架設(shè)臨時豎撐和橫撐，確保隧洞施工過程中安全[3]。

通過模擬計(jì)算對設(shè)計(jì)的安全性進(jìn)行檢算分析，對后期的施工開挖步距控制、監(jiān)控量測、臨時支撐拆除、二襯施工長度控制等起到了很好的指導(dǎo)作用，在復(fù)雜條件下的大跨度隧道施工中可以推廣應(yīng)用。