地鐵區間風道挑高開挖技術研究

摘要 文章以實際工程中某地鐵區間風道挑高開挖為例，借助有限元軟件模擬分析施工全過程，其中選取4個具有代表性的階段對隧道拱部沉降、地表沉降等指標進行分析，論證了門式剛架逐榀挑高與CD法、CRD法相結合的工法在挑高施工中的可行性。文中的建模方法能夠準確地模擬施工過程，根據分析結果給出指導性的施工建議，希望能對后續類似工程提供借鑒與參考。

關鍵詞 數值模擬；隧道沉降；挑高開挖

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0090-03

0 引言

近年來，地鐵建設已在全國眾多城市掀起高潮，伴隨著出行便捷、節約土地、節約能源、減少污染等眾多優點進入現實生活[1]。風道是地鐵交通系統的重要組成部分，負責整個地下區間或車站的通風及排煙工作。由于風道的過風面積需要，風道斷面尺寸較大，風道高度通常高于區間或車站主體結構，通過暗挖方式施工時，施工方向和施工組織受限嚴重[2]，因此對地鐵風道的施工技術研究是非常必要的。

1 工程概況

某地鐵區間為單洞四線大斷面，采用CD法施工。區間的開挖高度13.2 m，開挖寬度25.7 m。在區間中部設一座區間風道，風道開挖寬度12.2 m，開挖高度16.6 m，風道采用CRD法施工。埋深31.4 m，頂部微風化、中風化和強風化花崗巖的厚度分別為5.9 m、2.9 m和19.2 m，素填土厚度為3.5 m，圍巖等級為Ⅳ2級。區間風道拱頂比區間主體拱頂高3.4 m，原設計方案為先施工風道，由風道向兩側破壁開挖區間（高→低），但由于風井處施工場地較小，風道出渣受限，制約區間進度，故對原設計方案進行修改，調整為由區間挑高開挖過風道（低→高）。

2 施工方案設計

該工程擬采用門式剛架逐榀挑高與CD法、CRD法相結合的工法開挖。按工序及關鍵節點將整個施工過程分為工序轉換通道開挖、風道大里程端及小里程端開挖、區間左線開挖、區間右線開挖四個階段。下面分別對四個階段的工法加以介紹[3]。

2.1 工序轉換通道開挖

開挖區間左線拱部，自區間左線開挖挑高左導洞，及時架設型鋼門式剛架施作初期支護后，再繼續采用門型剛架逐榀挑高進入風道并及時施作初期支護，待開挖至風道大里程端時，聯立三榀門式剛架，封閉掌子面。在工序轉換通道內的風道小里程端位置架設橫向門式剛架，然后逐榀架設風道內層格柵剛架及臨時門式剛架，及時施作格柵噴混、錨桿打設等初期支護，工序轉換通道開挖完成[4]。

2.2 風道大里程端及小里程端開挖

自工序轉換通道分別向風道兩側施作馬頭門上方的超前支護。破除工序轉換通道一側初支，采用CRD法進行風道的掘進開挖，及時施作格柵剛架、錨噴等初支。待開挖至風道端頭時停止開挖，封閉掌子面，風道開挖完成[5]。

2.3 區間左線開挖

自風道大里程端向區間左線前進方向打設超前支護，破除左導洞開洞處初支，及時架設區間主體格柵剛架，開洞處聯立五榀格柵剛架。繼續開挖區間主體的左線導洞。

2.4 區間右線開挖

待左前開挖≥15 m后，按“2.3”工序開挖右線。工序轉換完成。

3 建立有限元模型

根據該工程地質情況采用Midas-GTS NX建立有限元模型，采用德魯克－普拉格本構模型，選取重力方向為Z軸，平行于風道方向為X軸，平行于區間方向為Y軸，建立三維地層計算模型。模型的計算深度取風道的最大開挖高度的三倍，上方計算范圍取至自然地面，模型側面施加水平約束，模型底部施加豎向約束，地面施加20 kPa超載[6]。將整個開挖進行全過程模擬，其中選取4個具有代表性的階段進行拱部沉降、地表沉降數據提取。

第一階段：工序轉換通道開挖；

第二階段：風道大里程端及小里程端開挖；

第三階段：區間左線開挖；

第四階段：區間右線開挖。

4 結果分析

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911

—2013）要求，礦山法隧道施工引起的拱部沉降應控制＜30 mm，地表沉降應控制＜20 mm。

4.1 第一階段（工序轉換通道開挖）

通過圖1可以看出，在第一階段，拱部沉降最大值出現在右下角測點處，為9.59 mm。該點位于挑高段起點處門式剛架跨中，即為支護剛度最小部位，與理論位置相符。拱部沉降控制值為30 mm，9.59 mm＜30 mm，該階段拱部沉降未超標。

通過圖2可以看出該階段地表沉降最大值出現在右下角測點處，為3.12 mm。該點位于工序轉換通道正上方，向周圍有遞減趨勢，即處于沉降槽中心位置。地表沉降控制值為20 mm，3.12 mm＜20 mm，該階段地表沉降未超標。

4.2 第二階段（風道大里程端及小里程端開挖）

通過圖3可以看出，在第二階段拱部沉降最大值出現在右中測點處，為11.92 mm，隨著風道開挖的進行，已開挖完成的工序轉換通道沉降值隨之遞增。拱部沉降值11.92 mm＜30 mm，該階段拱部沉降未超標。

通過圖4可以看出，該階段地表沉降最大值出現在中心測點處，為5.65 mm，最大值點出現位置轉移至風道正上方，沉降趨勢向四周呈現遞減狀。地表沉降值為5.65 mm＜20 mm，該階段地表沉降未超標。

4.3 第三階段（區間左線開挖）

通過圖5可以看出，在第三階段拱部沉降最大值出現在右中測點處，為13.26 mm，左線區間拱部變形明顯增大。拱部沉降值13.26 mm＜30 mm，該階段拱部沉降未超標。

通過圖6可以看出，該階段地表沉降最大值出現在中心測點處，為6.67 mm，最大值點出現位置較上階段不變，沉降趨勢向四周呈現遞減狀。地表沉降值為6.67 mm＜20 mm，該階段地表沉降未超標。

4.4 第四階段（區間右線開挖）

通過圖7可以看出，在第四階段拱部沉降最大值出現在左中測點處，為17.10 mm。拱部沉降值17.10 mm＜

30 mm，該階段拱部沉降未超標。通過云圖可以看出，同一斷面中沉降的較大值出現在拱肩，而非拱頂。

通過圖8可以看出，該階段地表沉降最大值出現在中心測點處，為11.21 mm，最大值點出現位置較上階段不變，沉降趨勢向四周呈現遞減狀。地表沉降值為11.21 mm＜20 mm，該階段地表沉降未超標。

5 結論

該文以某地鐵工程中區間風道挑高開挖為背景，建立了有限元軟件模型，研究了挑高開挖過程中隧道的拱部沉降和地表沉降情況分布特征及規律，得出以下結論：

（1）區間風道處地表沉降、拱頂沉降的計算值與監測值均在監測預警值范圍內，所以該工程擬采用的門式剛架逐榀挑高與CD法、CRD法相結合能夠滿足相關要求，該方案合理可行。

（2）中隔壁對控制拱部變形作用顯著，在大跨度隧道的施工過程中，有條件架設中隔壁的，盡量采用CD法或CRD法，無條件采用的，可在拱頂打設漲殼式（預應力）錨桿，以錨固代替支撐，控制拱部變形。

參考文獻

[1]郭建峰， 鄭金雷， 李衛娟， 等. 淺埋暗挖地鐵大斷面隧道施工引起的地層變形特性[J]. 鐵道建筑， 2018（5）： 74-76.

[2]朱才輝， 李寧. 地鐵施工誘發地表最大沉降量估算及規律分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2017（S1）： 3543-3560.

[3]代志杰. 石家莊地鐵礦山法施工注漿加固區參數反演及地表沉降規律研究[D]. 北京：北京交通大學， 2018： 135-

136.

[4]裴樹林. 深埋大斷面隧道穿越大型隱伏溶洞施工工法比選[J]. 鐵道建筑， 2017（9）： 74-77.

[5]郝瑞軍， 郝永明. 隧道爆破振動控制關鍵技術與進展[J]. 科技創新與應用， 2019（29）： 159-161+164.

[6]徐進軍， 王振華， 李瀟. 地鐵隧道點云斷面擬合中的問題討論[J]. 工程勘察， 2019（1）： 46-50.