地下檢票廳開挖對既有地鐵換乘通道穩(wěn)定性影響研究

雒煥磊

（中鐵十八局市政工程有限公司，天津 300222）

1 引言

地下工程的開挖會(huì)破壞周圍巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時(shí)巖體在工程擾動(dòng)的影響下產(chǎn)生附加位移，進(jìn)而影響周邊既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此研究地下工程施工對既有結(jié)構(gòu)的影響對工程安全具有重大意義。近年來，眾多學(xué)者為分析地下工程開挖對既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，楊建烽[1]通過對既有結(jié)構(gòu)的監(jiān)測分析確定了既有結(jié)構(gòu)在隧道下穿過程中變形與施工控制方法的關(guān)系；扈世民[2]通過現(xiàn)場檢測與數(shù)值模擬相結(jié)合，指出既有結(jié)構(gòu)的豎向位移響應(yīng)符合雙Peck擬合曲線；侯艷娟[3]明確了新建隧道-巖土體-既有結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)態(tài)相互作用關(guān)系，建立了以變形控制為核心的工程安全風(fēng)險(xiǎn)控制體系；白海衛(wèi)[4]采用兩階段法研究并預(yù)測了不同因素對既有結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響；彭麗云[5]利用FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，指出隧道開挖的不同階段對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的位移產(chǎn)生相互影響；王旭聲[6]、溫克兵[7]、耿俊巖[8]、張濤[9]、劉建美[10]、黃昌富[11]、楊修[12]、張毫毫[16]分別利用不同的計(jì)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。本文以北京地鐵4號線宣武門車站換乘通道為研究對象，分析地下檢票廳開挖過程中，換乘通道的力學(xué)響應(yīng)并評價(jià)其穩(wěn)定性，為工程施工提供指導(dǎo)。

2 工程概況

地下檢票廳為單層雙跨拱頂直墻斷面結(jié)構(gòu)，開挖寬度為14.9 m，開挖長度約32.1 m。采用暗挖中洞法進(jìn)行施工，檢票廳頂板覆土6.7 m，底板埋深11.9 m，場地類別為Ⅱ類。檢票廳二襯結(jié)構(gòu)頂拱0.5 m，底板0.5 m，邊墻0.5 m，采用C50混凝土[14]。換乘通道為單跨拱頂直墻斷面結(jié)構(gòu)，凈寬5.5 m，凈高7 m，頂板上覆巖體厚度3.7 m。與檢票廳水平間距1.8 m。其橫截面剖面如圖1 所示。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

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。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。

圖1 檢票廳與換乘通道位置關(guān)系（單位：m）

表1 地層巖土性質(zhì)

3.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用摩爾-庫倫彈塑性模型，模型水平計(jì)算長度100 m，豎向計(jì)算長度60 m，檢票廳頂板結(jié)構(gòu)上覆土層厚 6.7 m，距模型左側(cè)邊界 40 m，廳凈高 5.2 m，凈寬14.9 m。檢票廳中柱寬1 m，將其分為2個(gè)洞室，分別寬 6.95 m。換乘通道凈寬 5.5 m，凈高 7 m，頂板上覆巖體厚度3.7 m，與檢票廳水平間距1.8 m。模型邊界條件包括約束兩側(cè)邊界的水平方向位移，約束底部邊界豎直和水平方向位移，地表為自由邊界。計(jì)算模型如圖2所示。

3.3 計(jì)算步驟

檢票廳開挖模擬計(jì)算時(shí)，刪除目標(biāo)區(qū)域塊體，迭代計(jì)算至應(yīng)力平衡后清除歷史位移；先開挖檢票廳左側(cè)洞室，后開挖右側(cè)洞室；洞室斷面采用一次開挖法，分析換乘通道在檢票廳開挖后的力學(xué)響應(yīng)。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 開挖位移

檢票廳左側(cè)洞室開挖后洞室周邊巖體位移云圖如圖3所示。

（1）由圖3a可知，檢票廳左側(cè)洞室開挖對換乘通道位移影響極小，位移約0.2～0.8 mm，其位移以左側(cè)洞室為中心成對稱分布；最大水平位移位于左側(cè)洞室上部自由地表及結(jié)構(gòu)底板下部巖體，約0.8 mm。

（2）由圖3b可知，檢票廳左側(cè)洞室開挖后豎向位移主要集中在左側(cè)洞室結(jié)構(gòu)頂板上部土層，以左側(cè)洞室為中心成對稱分布；土體擾動(dòng)范圍未覆蓋至換乘通道周邊土體，換乘通道幾乎未受左側(cè)洞室開挖影響；最大豎向位移約3 mm，位于左側(cè)洞室上部結(jié)構(gòu)頂板。

檢票廳右側(cè)洞室開挖后洞室周邊巖體位移云圖如圖4 所示。

（1）由圖4a可知，檢票廳右側(cè)洞室開挖后水平位移主要集中在檢票廳結(jié)構(gòu)頂板上部土層，以檢票廳中柱為基準(zhǔn)點(diǎn)近似呈對稱分布；換乘通道與檢票廳之間的土體變形導(dǎo)致?lián)Q乘通道左側(cè)洞壁產(chǎn)生不同程度的變形，位移指向開挖區(qū)方向，即洞壁產(chǎn)生一定程度的凹陷；開挖后檢票廳周邊巖體最大水平位移集中在檢票廳頂板上部地表周邊巖體，約2 mm。

（2）由圖4b可知，檢票廳右側(cè)洞室開挖后豎向位移主要集中在檢票廳結(jié)構(gòu)頂板上部土層，以檢票廳中心為基準(zhǔn)向兩側(cè)逐漸減??；換乘通道受檢票廳開挖影響，頂板處產(chǎn)生一定程度的豎向位移，結(jié)構(gòu)底板產(chǎn)生輕微的隆起；開挖后檢票廳周圍巖體最大位移約5 mm，位于檢票廳右側(cè)洞室頂板處。

圖2 計(jì)算模型

圖3 檢票廳左側(cè)洞室開挖位移云圖（單位：mm）

圖4 檢票廳右側(cè)洞室開挖位移云圖（單位：mm）

3.4.2 換乘通道控制點(diǎn)位移分析

根據(jù)位移云圖的分析，將換乘通道洞壁中心水平位移、底板中心豎向位移和頂板中心豎向位移作為位移控制點(diǎn)，研究其在檢票廳開挖過程中的位移變化。檢票廳左側(cè)洞室開挖后換乘通道各控制點(diǎn)的位移曲線如圖5所示。

（1）由圖5a可知，換乘通道洞壁中心水平位移在檢票廳左側(cè)洞室開挖后先增大后減小，隨后反向增長并達(dá)到穩(wěn)定，其方向由指向檢票廳的方向逐漸改變?yōu)楸畴x檢票廳的方向，開挖穩(wěn)定后換乘通道洞壁中心最大水平位移約0.01 mm。

（2）由圖5b可知，換乘通道頂板中心豎向位移在檢票廳左側(cè)洞室開挖后逐漸增加并趨于穩(wěn)定，開挖穩(wěn)定后換層通道頂板中心最大豎向位移約0.69 mm。

（3）由圖5c可知，換乘通道底板中心豎向位移在檢票廳左側(cè)洞室開挖后逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定，其在變化過程中的最大值達(dá)到0.11 mm。

檢票廳右側(cè)洞室開挖后換乘通道各控制點(diǎn)的位移曲線如圖6所示。

（1）由圖6a可知，換乘通道洞壁中心水平位移在檢票廳開挖后1.5 h內(nèi)出現(xiàn)顯著增加，隨后緩慢增加并逐步穩(wěn)定，檢票廳開挖穩(wěn)定后換乘通道洞壁中心最大水平位移約1.9 mm。

（2）由圖6b可知，換乘通道頂板中心豎向位移在檢票廳開挖后運(yùn)行1.5 h時(shí)步內(nèi)顯著增加，隨后增加速度減緩并趨于穩(wěn)定，檢票廳開挖穩(wěn)定后換乘通道頂板中心最大豎向位移約7.2 mm。

圖5 檢票廳左側(cè)洞室開挖換乘通道控制點(diǎn)位移曲線

圖6 檢票廳右側(cè)洞室開挖換乘通道控制點(diǎn)位移曲線

（3）由圖6c可知，換乘通道底板中心豎向位移在檢票廳開挖后運(yùn)行1.5 h內(nèi)顯著增加，隨后數(shù)值逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。其在變化過程中的最大值達(dá)到3.3 mm，變形穩(wěn)定后位移為 2.1 mm。

根據(jù)DB11/1067-2014《城市軌道交通土建工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評估規(guī)范》[15]，新增暗挖檢票廳周邊既有工程的風(fēng)險(xiǎn)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。由圖4～圖6可知，其位移控制點(diǎn)的最大位移均位于二級風(fēng)險(xiǎn)工程位移控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，換乘通道穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)論

（1）檢票廳開挖后，其水平位移與豎向位移都近似以檢票廳為中心成對稱分布，僅右側(cè)洞室周圍位移在換乘通道的影響下產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)。

（2）地下檢票廳工程對周邊既有換乘通道的穩(wěn)定性有一定的影響，檢票廳開挖使換乘通道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形。在檢票廳左右洞室開挖過程中，左側(cè)洞室對換乘通道的影響遠(yuǎn)小于右側(cè)洞室，開挖后巖體的擾動(dòng)影響范圍較小。

（3）檢票廳開挖過程中，換乘通道洞壁中心最大水平位移為1.9 mm，頂板中心最大豎向位移為7.2 mm，底板中心最大豎向位移為3.3 mm，均滿足二級風(fēng)險(xiǎn)工程位移控制標(biāo)準(zhǔn)。

（4）在地下開挖施工過程中及時(shí)對周邊土體進(jìn)行注漿加固，可有效減少開挖對周邊既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。