地鐵車站暗挖出入口施工仰挖段施工技術(shù)優(yōu)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(shù)值模擬的方法，研究暗挖出入口施工仰挖段在不同支護(hù)加固形式及不同斷面開(kāi)挖順序下的施工規(guī)律。研究分析表明：在深孔注漿加固的基礎(chǔ)上采取多分割斷面形式，能有效減少地表沉降。研究結(jié)果對(duì)暗挖出入口施工仰挖段設(shè)計(jì)與施工具有指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】仰挖； 數(shù)值模擬； 地表沉降； CRD工法

【中圖分類號(hào)】U455.41+1A

0 引言

近年北京地鐵附屬結(jié)構(gòu)施工中，由于在協(xié)調(diào)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(kāi)挖土體自重作用產(chǎn)生的下滑分力，隧道存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)，一旦出現(xiàn)坍塌事故，易發(fā)生人員傷害事故。同時(shí)常規(guī)小導(dǎo)管超前支護(hù)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(dǎo)管支護(hù)按照常規(guī)外插15°計(jì)，可見(jiàn)隧道前方水平向上45°范圍內(nèi)土體仍然無(wú)法有效加固，超前小導(dǎo)管無(wú)法插入掌子面理論破裂面內(nèi)，掌子面向下滑動(dòng)趨勢(shì)無(wú)有效手段控制。

筆者以北京虎坊橋地鐵車站出入口為基礎(chǔ)，應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)暗挖出入口施工仰挖段在不同支護(hù)加固形式及不同斷面開(kāi)挖順序下的施工規(guī)律進(jìn)行了分析研究，并進(jìn)一步提出了暗挖出入口施工仰挖段施工注意事項(xiàng)，以期該研究結(jié)果能夠指導(dǎo)暗挖出入口的設(shè)計(jì)與施工。

1 工程概況

虎坊橋地鐵車站4號(hào)出入口位于虎坊橋站西端南側(cè)，通道結(jié)構(gòu)中心里程為K6+183.50，位于騾馬市大街南側(cè)，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(jié)構(gòu)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(jiàn)圖1。

2 施工方案與計(jì)算模型的確定

2.1 施工方案

傳統(tǒng)施工方案：洞室上方采用超前小導(dǎo)管注漿加固措施。超前小導(dǎo)管注漿采用DN25小導(dǎo)管，外插角15°，環(huán)向間距0.3 m的方式。洞室斷面采用雙層4部CRD法開(kāi)挖。導(dǎo)洞的開(kāi)挖順序原則為先開(kāi)挖左上部導(dǎo)洞并施做初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，接著開(kāi)挖左下部導(dǎo)洞并施做初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，然后開(kāi)挖右上部導(dǎo)洞并施做初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，最后開(kāi)挖右下部導(dǎo)洞并施做初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸和具體施工順序見(jiàn)圖2。

優(yōu)化施工方案：洞室上方采取深孔注漿超前支護(hù)措施。深孔注漿考慮在附屬結(jié)構(gòu)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(gè)孔位打設(shè)3根，角度分別為35°、40°、45°。注漿范圍為開(kāi)挖輪廓外側(cè)各1 m?？紤]到挑高段注漿難度較大，擬定8 m為一加固段，擴(kuò)散半徑約1 m，每加固段相互搭接2 m，確保注漿質(zhì)量。洞室斷面采用三層6部CRD法開(kāi)挖；導(dǎo)洞的開(kāi)挖順序原則為先施工上部導(dǎo)洞，且在上部導(dǎo)洞中的一個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后在施工上導(dǎo)洞的另一導(dǎo)洞，待上部導(dǎo)洞全部施工完畢后，在進(jìn)行下部導(dǎo)洞施工，下部導(dǎo)洞的施工順序與上部導(dǎo)洞的施工順序相同，標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸和具體施工順序見(jiàn)圖3。

依據(jù)上述兩種施工方案的特點(diǎn)，為研究深孔注漿加固與多分隔斷面各個(gè)因素對(duì)地表沉降的影響，本次數(shù)值模擬計(jì)算中分別采用四種方案進(jìn)行對(duì)比分析。

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

2.2 數(shù)值模型及參數(shù)

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(jié)合以前學(xué)者的研究成果，在模型的長(zhǎng)度方向上設(shè)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(shè)置為出入口寬度的11倍，計(jì)算模型約束條件設(shè)置為：模型上方無(wú)約束，模型下方完全限制，模型前后左右四個(gè)方向約束其水平位移。

設(shè)置荷載：計(jì)算模型中荷載簡(jiǎn)化考慮，僅計(jì)算地表上方活荷載及土體自重。土體自重作用產(chǎn)生初始應(yīng)力場(chǎng)，初始應(yīng)力場(chǎng)不涉及土體構(gòu)造應(yīng)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?。河?jì)算模型中混凝土二襯模擬使用實(shí)體單元，初支支護(hù)模擬使用Shell殼單元，土體的力學(xué)模型基于摩爾庫(kù)倫理論假設(shè)。整體計(jì)算模型與出入口局部計(jì)算模型見(jiàn)圖4～圖7分別為傳統(tǒng)施工方案和優(yōu)化施工方案仰挖段局部模型；根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告和以往數(shù)值分析經(jīng)驗(yàn)采取的計(jì)算模型的土體參數(shù)見(jiàn)表1。

在本次研究中數(shù)值分析計(jì)算中采取5條基本假設(shè)［1-3］：

（1）模型計(jì)算分析不涉及地下水滲流等的作用。

（2）假設(shè)地表水平，活荷載均勻分布；各土層厚度均勻，分布規(guī)律。

（3）土體的計(jì)算模型基于摩爾-庫(kù)倫基本原則。

（4）周圍漿液加固作用的假定：在實(shí)際的施工過(guò)程中，小導(dǎo)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(kāi)挖導(dǎo)致的土體失穩(wěn)、坍塌破壞，是工程中常見(jiàn)的兩種加固措施。然而在實(shí)際施工過(guò)程中，因?yàn)闈{液加固存在不均勻性，在數(shù)值分析計(jì)算中必須采取簡(jiǎn)化方式體現(xiàn)注漿加固措施，例如在本次數(shù)值模擬計(jì)算中，深孔加固注漿的作用假定為一個(gè)2.0 m范圍的均勻加固體，超前小導(dǎo)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(duì)參數(shù)和注漿厚度適當(dāng)簡(jiǎn)化［4-5］。

（5）初支模擬假定：在實(shí)際施工中，隧道初期支護(hù)一般是由鋼架格柵、噴射混凝土等構(gòu)件組合而成，實(shí)際受力比較復(fù)雜，對(duì)此在數(shù)值分析模型計(jì)算中運(yùn)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(shí)際的施工過(guò)程中，小導(dǎo)洞通常采取留置核心土分臺(tái)階的施工工法，而在數(shù)值模擬分析中，考慮到數(shù)值計(jì)算的有限性，在此導(dǎo)洞開(kāi)挖均使用全斷面開(kāi)挖的方法，每次進(jìn)尺設(shè)置為1 m。在計(jì)算結(jié)果的分析中，為減小約束條件對(duì)計(jì)算模型的作用，從而選取計(jì)算模型Y方向的中間斷面作為監(jiān)測(cè)斷面分析，仰挖段拱頂正上方的地表沉降值作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

建立的計(jì)算模型網(wǎng)格如圖8、圖9所示。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖10～圖13給出了四種施工方案的監(jiān)測(cè)斷面的沉降云圖，圖14為四種施工方案中監(jiān)測(cè)點(diǎn)處隨施工進(jìn)度的沉降變化值，圖15為四種施工方案中監(jiān)測(cè)斷面的沉降槽曲線；由計(jì)算結(jié)果可知，而方案1產(chǎn)生的地表沉降值為49.54 mm，方案2產(chǎn)生的地表沉降值為56.44 mm，方案3產(chǎn)生的地表沉降值為61.92 mm，方案4產(chǎn)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(duì)于方案4產(chǎn)生的地表沉降值減小的幅值為23.24%，說(shuō)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(dǎo)洞多分隔斷面形式減小的沉降值為24.23 mm，相對(duì)于方案4產(chǎn)生的地表沉降值減小的幅值為30.03%；由此可見(jiàn)減小一次導(dǎo)洞開(kāi)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(duì)于方案4產(chǎn)生的地表沉降值減小的幅值為38.59%，由此可見(jiàn)將傳統(tǒng)的四導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)方式轉(zhuǎn)化為六導(dǎo)洞的結(jié)構(gòu)形式且同時(shí)改變注漿方式可以很好地控制地表沉降，減小對(duì)周圍環(huán)境的影響，從而使用優(yōu)化的施工方案可以有效減小安全隱患的發(fā)生，確保施工的順利進(jìn)行。

4 結(jié)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(kāi)挖斷面不同時(shí)對(duì)地表沉降影響，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，得出結(jié)論與建議，以期對(duì)PBA工法中導(dǎo)洞施工順序的選取提供理論基礎(chǔ)。

（1）在數(shù)值模擬分析中，在相同斷面結(jié)構(gòu)形式下，深孔注漿加固效果明顯優(yōu)于小導(dǎo)管超前注漿加固；在相同的注漿加固形式下，6導(dǎo)洞多分割開(kāi)挖斷面引起的地表沉降明顯小于4導(dǎo)洞開(kāi)挖斷面形式，故仰挖施工應(yīng)在采取深孔注漿加固的方式下嚴(yán)格控制導(dǎo)洞斷面高度，導(dǎo)洞開(kāi)挖高度建議控制在3 m以內(nèi)，以減小掌子面滑塌風(fēng)險(xiǎn)。

（2）同時(shí)結(jié)合相關(guān)施工案例，建議仰挖施工連續(xù)施工爬高高度控制在10 m以內(nèi)，掌子面核心土留設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)大于4 m；對(duì)于洞內(nèi)加固措施無(wú)法達(dá)到地層加固效果時(shí)，應(yīng)采取地面加固措施加固地層。

參考文獻(xiàn)

［1］ 李鐵生，郝志宏，劉軍，等.PBA工法中導(dǎo)洞開(kāi)挖順序的優(yōu)化分析研究［J］.市政技術(shù)，2016，34（2）：67-70.

［2］ 楊秀仁.淺埋暗挖洞樁（柱）逆作法設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.都市快軌交通，2012，25（2）：64-68.

［3］ 朱澤民.地鐵暗挖車站洞樁法施工技術(shù)［J］. 四川建筑， 2006（5）：122-124.

［4］ 劉軍，吳玉勤，荀桂富，等.PBA工法中拱跨跨度對(duì)扣拱施工順序影響的分析研究［J］.市政技術(shù)，2016，34（1）：85-89.

［5］ 黃瑞金.地鐵淺埋暗挖洞樁法車站扣拱施工技術(shù)［J］. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2007（2）：268-271.

［6］ 瞿萬(wàn)波，劉新榮，傅晏，等. 洞樁法大斷面群洞交叉隧道初襯數(shù)值模擬［J］. 巖土力學(xué)， 2009（9）：2799-2804.

［7］ 王芳，賀少輝，劉軍，等.盾構(gòu)隧道結(jié)合洞樁法修建地鐵車站地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分析［J］.巖土力學(xué)， 2012：289-296.