地鐵車站暗挖施工過程支護結構受力分析

李磊

摘要：結合某地鐵車站暗挖施工，采用模擬計算方法簡化邊樁結構及支護結構，分析導洞及車站施工期間對支護結構受力的影響。研究結果表明：導洞施工階段對地表沉降影響顯著，導洞施工至其前后一個洞徑范圍內地表沉降速率顯著加快，其余區域施工期間地表沉降較小；但是支護結構部分修建完成后，車站主體施工對地表沉降影響明顯減小。支護橫向及縱向受力規律相似，均在導洞施工期間受力較大，車站主體施工期間分別占最大應力值變化的39%和35.1%。

關鍵詞：地表沉降；導洞開挖；地鐵暗挖；受力分析

0? ?引言

城市地鐵系統作為緩解交通壓力的有效手段，已經在越來越多的城市中推廣應用[1-2]。地鐵工程建設期間常采用暗挖施工，具有拆遷占地少、不擾民、不干擾交通的特點，但是其對地層地表變形影響較大，如果施工不合理，將造成極大的交通隱患[3]。王夢恕等[4]創建并完善了地下工程淺埋暗挖法設計與施工配套技術；趙文等[5]采用STS（steel tube slab）管幕功法作為淺埋地鐵暗挖的新型施工手段，解決了實際工程問題，確保了地鐵暗挖車站管幕結構的成功實施。

本文基于豐西二號路與規劃康辛路十字交口處的看丹站西端地鐵工程，結合有限元模擬計算方法，針對導洞及車站施工期間地層地表變形及支護受力展開研究，以期為同類型施工工程提供理論分析思路。

1? ?工程概述

施工區間位于看丹站西端，出站后施工路線由東向西敷設，自康辛路開始止于榆樹莊站。施工期間存在下穿市政管線風險，因此施工前對周邊地下管線進行復探，對管線雨水、污水滲流情況采取超前探測。本段區間里程位于行車路段下方，施工基底處于建筑垃圾填土內。暗挖區間采用管幕法進行施工，區間浮土厚度為7.2～7.7m。

本段基底設置管幕結構區間，整體位于雜填土①層，考慮該土層的地基承載能力，結構基底設置承載樁。地層探測結果顯示，土層依次為雜填土①層、卵石④層、⑤層、黏土巖⑥層及礫巖⑦層。施工區間潛水面西部高、東部低，2018年12月下旬，測得施工站點西部地下水位標高為30m，施工站點東部地下水位標高約為25m。本段施工區間基底承載樁布設位置在地下水位上方，因此不考慮地下水影響。

2? ?主要施工流程

本區間段主要采用管幕施工，其主要工藝流程為：機械設備進場→掌子面注漿加固→頂進位置破樁開孔→吊裝鋼管就位→頂進鋼管、鋼管頂進糾偏→鋼管頂進合格檢驗→依次調整感鋼管頂進就位→管間清理和螺栓就位→管內管間混凝土灌注→完工退場。

初支結構施工完成后進行左右線洞內承載樁施工，承載樁施工可由堵頭墻向臨時豎井口出施工（由南側向北側施工），以便于二襯結構施工。

3? ?計算模型簡化

將邊樁結構及管幕結構簡化為連續墻和矩形結構體，將連續墻單元厚度設置為0.688m。依據抗彎剛度等效原則，將管幕結構簡化為矩形結構。對管幕結構采用單調靜壓試驗，獲得其荷載-變形曲線，取其線性段剛度作為等效橫向剛度。荷載-變形曲線如圖1所示。

4? ?力學性能分析

4.1? ?導洞施工對地表沉降影響

隨導洞開挖施工進行，不同區間地表沉降量變化形勢不同。導洞開挖完成后地表沉降變化如圖2所示。從圖2可以看出，不同導洞開挖過后地表沉降量呈現低谷形，左下導洞最先開挖，其最大沉降量大約在中部區域，距兩端約70m，為2.13mm。隨后右下導洞開挖過程，其地表沉降量最高沉降達3.28mm，較左下導洞開挖完成后下降了1.15mm，左下、右下導洞完成后沉降量占總沉降量87.9%。

最后左上導洞和右上導洞開挖對地表沉降影響較小，地表沉降值最大分別達到3.56mm和3.73mm，較右下導洞施工完成后僅增大了0.45mm。同時還可以發現，地表最大沉降量均反映在剖面中部區域，由兩端向中間發展不斷增大，呈現波谷形趨勢。

4.2? ?導洞施工對地表沉降縱向影響

圖3為導洞施工期間地表沉降縱向影響曲線。其中，監測斷面位置為距地表-12m處，d表示導洞直徑，從圖3可以看出，開挖至導洞附近對地表沉降影響極大，沉降量在導洞開挖至-12m及開挖至-22m后地表沉降量速率減緩，且各導洞開挖后地表沉降規律相似。這是由于開挖前地層處于密實狀態，導洞開挖完成后施工區域封閉，上覆土被人工夯實，因此地表沉降放緩。

各導洞在開挖至導洞附近2d范圍，地表沉降量分別達到其導洞開挖總沉降量68.1%、71.8%、71%、77.8%。此時導洞開挖導致附近土體形成鏤空層，容易出現土體沉降。導洞開挖完成1d后，地表沉降基本穩定，地層無明顯變形發生，各導洞地表沉降量分別占其導洞總沉降量的10.4%、9.4%、16.1%、11.1%。

4.3? ?車站主體施工對地表沉降影響

車站主體施工期間對地表沉降影響見圖4。從圖4可以看出，各層施工對地表沉降影響規律均由兩端向中部位置發展，各層施工期間對應最大地表沉降量分別為3.95mm、4.14mm、4.25mm，沉降區域主要控制在距地表40～90m之間。同時可以看出，由于支護結構形成，車站主體施工階段對地表沉降影響較小。

4.4? ?支護橫向受力分析

隨施工進行支護所受應力逐漸增大，不同施工階段對支護受力影響不同。支護受力一方面隨施工工序開展逐漸增大，另一方面不同施工階段，支護受力相應增加。在車站主體施工階段，橫向支護應力發展緩慢，僅從0.411MPa增大至0.615MPa，導洞施工階段支護橫向應力增量占總應力值的61%。其余車站主體開挖期間，橫向應力值占最大應力變化39%。支護橫向應力變化狀況如表1所示。

4.5? ?支護縱向受力分析

支護縱向應力變化狀況如表2所示。從表2可知，下方導洞開挖對支護縱向受力幾乎沒有影響，下方導洞埋置位置較深距支護較遠，因此下方導洞開挖完成后，最終支護縱向應力值僅0.068MPa。同時還可以看出，車站主體施工階段對支護縱向受力影響較小，負一層至負三層開挖期間應力數值由0.281MPa升至0.433MPa，增長應力值占最大應力值的35.1%，導洞開挖期間應力數值由0增大至0.271MPa，占最大應力值的62.6%。主要是由于車站主體施工過程中支護系統已經完成部分，有一定支撐作用，使得支護縱向受力影響不大。

5? ?結束語

地鐵工程建設期間常采用暗挖施工，具有拆遷占地少、不擾民、不干擾交通的特點，但是其對地層地表變形影響較大，如果施工不合理，將造成極大的交通隱患。本文結合某地鐵車站暗挖施工，采用模擬計算方法簡化邊樁結構及支護結構，分析導洞及車站施工期間對支護結構受力的影響。針對某地鐵車站暗挖施工期間支護結構進行受力分析，得出以下結論：

施工期間地表沉降規律為車站中部沉降區域最大，向兩端發展逐漸減弱，形成低谷形。下側導洞施工期間對沉降影響較顯著，導洞施工完成后沉降量最大值為3.73mm。

導洞施工至其周圍2d范圍對地表沉降影響最顯著。在此期間，開挖地表沉降量達到總沉降量的68.1%～77.8%，其余部位開挖對地表沉降影響不大。車站主體施工期間引起的地表沉降量區間在3.95mm～4.25mm，對地表變形影響不大。

施工期間，支護結構橫向受力及縱向受力最大值分別為0.615MPa和0.433MPa，導洞施工對支護結構受力影響顯著。由于支護系統部分完成，車站主體施工期間對支護受力影響較小。

參考文獻

[1] 趙杰，劉歷勝，王桂萱，等.大連地鐵暗挖隧道變形監測及參數智能反演[J].防災減災工程學報，2016，36（4）：640-645+651.

[2] 吳學鋒，呂文杰，張黎明，等.暗挖地鐵車站圍巖穩定性分析與支護優化[J].地下空間與工程學報，2012，8（5）：1059-1064.

[3] 李東勇，徐禎祥，王琳靜.地鐵暗挖隧道初期支護聯合系統數值模擬分析[J].鐵道建筑，2007（5）：34-37.

[4] 王夢恕著. 地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥：安徽教育出版社， 2004.12.

[5] 趙文，董駕潮，賈鵬蛟，等.地鐵暗挖車站STS管幕結構施工技術研究[J].隧道建設（中英文），2018，38（1）：72-79.