地鐵車站暗挖出入口施工仰挖段施工技術優化研究

【摘要】以北京地鐵虎坊橋地鐵車站暗挖出入口為背景，采用FLAC3D數值模擬的方法，研究暗挖出入口施工仰挖段在不同支護加固形式及不同斷面開挖順序下的施工規律。研究分析表明：在深孔注漿加固的基礎上采取多分割斷面形式，能有效減少地表沉降。研究結果對暗挖出入口施工仰挖段設計與施工具有指導意義。

【關鍵詞】仰挖； 數值模擬； 地表沉降； CRD工法

【中圖分類號】U455.41+1A

0 引言

近年北京地鐵附屬結構施工中，由于在協調地面占地、管線改移等方面遇到的困難，以及工期的制約，出入口及換乘通道爬坡段采取仰挖工法逐漸增多。仰挖施工中由于開挖土體自重作用產生的下滑分力，隧道存在坍塌風險，一旦出現坍塌事故，易發生人員傷害事故。同時常規小導管超前支護方式效果差，不能滿足安全要求，出入口爬坡段仰角基本為30°，超前小導管支護按照常規外插15°計，可見隧道前方水平向上45°范圍內土體仍然無法有效加固，超前小導管無法插入掌子面理論破裂面內，掌子面向下滑動趨勢無有效手段控制。

筆者以北京虎坊橋地鐵車站出入口為基礎，應用FLAC3D軟件對暗挖出入口施工仰挖段在不同支護加固形式及不同斷面開挖順序下的施工規律進行了分析研究，并進一步提出了暗挖出入口施工仰挖段施工注意事項，以期該研究結果能夠指導暗挖出入口的設計與施工。

1 工程概況

虎坊橋地鐵車站4號出入口位于虎坊橋站西端南側，通道結構中心里程為K6+183.50，位于騾馬市大街南側，出入口通道凈寬5.3～8.6 m、通道凈高3.7～8.1 m，通道頂板埋深：2.974～11.234 m。通道結構為單層單跨斷面，暗挖法施工；暗挖法1-1、2-2及8-8斷面采用4部CRD法施工，其余斷面均采用6部CRD法施工，初支厚度300 mm。其中出入口平面見圖1。

2 施工方案與計算模型的確定

2.1 施工方案

傳統施工方案：洞室上方采用超前小導管注漿加固措施。超前小導管注漿采用DN25小導管，外插角15°，環向間距0.3 m的方式。洞室斷面采用雙層4部CRD法開挖。導洞的開挖順序原則為先開挖左上部導洞并施做初期支護及臨時支護，接著開挖左下部導洞并施做初期支護及臨時支護，然后開挖右上部導洞并施做初期支護及臨時支護，最后開挖右下部導洞并施做初期支護及臨時支護。標準斷面尺寸和具體施工順序見圖2。

優化施工方案：洞室上方采取深孔注漿超前支護措施。深孔注漿考慮在附屬結構拱部施工，注漿孔位于拱頂下方50 cm，孔間距為1 m，單排布置，每個孔位打設3根，角度分別為35°、40°、45°。注漿范圍為開挖輪廓外側各1 m。考慮到挑高段注漿難度較大，擬定8 m為一加固段，擴散半徑約1 m，每加固段相互搭接2 m，確保注漿質量。洞室斷面采用三層6部CRD法開挖；導洞的開挖順序原則為先施工上部導洞，且在上部導洞中的一個導洞開挖完成后在施工上導洞的另一導洞，待上部導洞全部施工完畢后，在進行下部導洞施工，下部導洞的施工順序與上部導洞的施工順序相同，標準斷面尺寸和具體施工順序見圖3。

依據上述兩種施工方案的特點，為研究深孔注漿加固與多分隔斷面各個因素對地表沉降的影響，本次數值模擬計算中分別采用四種方案進行對比分析。

方案1：采用深孔注漿加固和3層6部CRD法開挖斷面形式；方案2：采用超前小導管注漿加固和三層6部CRD法開挖斷面形式；方案3：采用深孔注漿加固和雙層4部CRD法開挖斷面形式；方案4：采用超前小導管注漿加固和雙層4部CRD法開挖斷面形式。

2.2 數值模型及參數

模型邊界范圍與邊界條件：模型的高為60.58 m，因模型建立有一定局限性，結合以前學者的研究成果，在模型的長度方向上設置為32 m，其中前后各有8 m的平直段，中間為仰挖段；寬度方向上設置為出入口寬度的11倍，計算模型約束條件設置為：模型上方無約束，模型下方完全限制，模型前后左右四個方向約束其水平位移。

設置荷載：計算模型中荷載簡化考慮，僅計算地表上方活荷載及土體自重。土體自重作用產生初始應力場，初始應力場不涉及土體構造應力的作用，地表上方的均布活荷載為20 kPa，方向豎直向下。

模型中單元類型的選取：計算模型中混凝土二襯模擬使用實體單元，初支支護模擬使用Shell殼單元，土體的力學模型基于摩爾庫倫理論假設。整體計算模型與出入口局部計算模型見圖4～圖7分別為傳統施工方案和優化施工方案仰挖段局部模型；根據地質勘探報告和以往數值分析經驗采取的計算模型的土體參數見表1。

在本次研究中數值分析計算中采取5條基本假設［1-3］：

（1）模型計算分析不涉及地下水滲流等的作用。

（2）假設地表水平，活荷載均勻分布；各土層厚度均勻，分布規律。

（3）土體的計算模型基于摩爾-庫倫基本原則。

（4）周圍漿液加固作用的假定：在實際的施工過程中，小導管加固注漿及深孔加固注漿兩種施工工藝均能夠保證周圍土體的變形能力，能夠阻止因開挖導致的土體失穩、坍塌破壞，是工程中常見的兩種加固措施。然而在實際施工過程中，因為漿液加固存在不均勻性，在數值分析計算中必須采取簡化方式體現注漿加固措施，例如在本次數值模擬計算中，深孔加固注漿的作用假定為一個2.0 m范圍的均勻加固體，超前小導管在平直段等效為1.0 m的加固層，而在仰挖段考慮到注漿效果的因素對參數和注漿厚度適當簡化［4-5］。

（5）初支模擬假定：在實際施工中，隧道初期支護一般是由鋼架格柵、噴射混凝土等構件組合而成，實際受力比較復雜，對此在數值分析模型計算中運用等效剛度法，將鋼架格柵的剛度換算成混凝土材料的剛度［6-7］，等效方法如下。

S=S_maxexp［-y²/（2i²）］

式中：E為等效后組合材料彈模（MPa）；E₀為噴射混凝土材料彈模（MPa）；E_g鋼格柵彈模（MPa）；S_C為噴射混凝土截面面積（m²）；S_g為鋼格柵截面面積（m²）。

在實際的施工過程中，小導洞通常采取留置核心土分臺階的施工工法，而在數值模擬分析中，考慮到數值計算的有限性，在此導洞開挖均使用全斷面開挖的方法，每次進尺設置為1 m。在計算結果的分析中，為減小約束條件對計算模型的作用，從而選取計算模型Y方向的中間斷面作為監測斷面分析，仰挖段拱頂正上方的地表沉降值作為監測點。

建立的計算模型網格如圖8、圖9所示。

3 計算結果與分析

圖10～圖13給出了四種施工方案的監測斷面的沉降云圖，圖14為四種施工方案中監測點處隨施工進度的沉降變化值，圖15為四種施工方案中監測斷面的沉降槽曲線；由計算結果可知，而方案1產生的地表沉降值為49.54 mm，方案2產生的地表沉降值為56.44 mm，方案3產生的地表沉降值為61.92 mm，方案4產生的地表沉降值為80.67 mm。

由方案4和方案3可知采用深孔注漿加固的方式減小的沉降值為18.75 mm，相對于方案4產生的地表沉降值減小的幅值為23.24%，說明深孔注漿加固方式能明顯減少地表沉降。

由方案4和方案2可知采用6導洞多分隔斷面形式減小的沉降值為24.23 mm，相對于方案4產生的地表沉降值減小的幅值為30.03%；由此可見減小一次導洞開挖斷面能夠有效控制地表沉降。

由方案4和方案1可知采用深孔注漿加固的方式和多分隔斷面形式下減小的沉降值為31.13 mm，相對于方案4產生的地表沉降值減小的幅值為38.59%，由此可見將傳統的四導洞結構方式轉化為六導洞的結構形式且同時改變注漿方式可以很好地控制地表沉降，減小對周圍環境的影響，從而使用優化的施工方案可以有效減小安全隱患的發生，確保施工的順利進行。

4 結論

本文以北京地鐵虎坊橋站為例，分析研究了PBA工法中暗挖出入口仰挖段注漿加固形式及開挖斷面不同時對地表沉降影響，同時結合現場施工情況，得出結論與建議，以期對PBA工法中導洞施工順序的選取提供理論基礎。

（1）在數值模擬分析中，在相同斷面結構形式下，深孔注漿加固效果明顯優于小導管超前注漿加固；在相同的注漿加固形式下，6導洞多分割開挖斷面引起的地表沉降明顯小于4導洞開挖斷面形式，故仰挖施工應在采取深孔注漿加固的方式下嚴格控制導洞斷面高度，導洞開挖高度建議控制在3 m以內，以減小掌子面滑塌風險。

（2）同時結合相關施工案例，建議仰挖施工連續施工爬高高度控制在10 m以內，掌子面核心土留設長度應大于4 m；對于洞內加固措施無法達到地層加固效果時，應采取地面加固措施加固地層。

參考文獻

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