地铁暗挖车站施工阶段计算与分析

・５６・　北　方　交　通　２０１０　地铁暗挖车站施工阶段计算与分析　丁鹏飞　（辽宁省交通规划设计院，沈阳１１０１６６）　摘要：以某地地铁暗挖车站工程为例，采用ｍｉｄａｓ　ＧＴＳ对车站中洞法施工全过程进行数值模拟分析，提出了　中洞法施工中地面沉降控制的关键工序。　关键词：中洞法；地面沉降；数值分析　中图分类号：Ｕ２３１　．４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７３—６０５２（２０１０）１２—００５６—０３　１　概述　１５．０ｍ；强风化板岩，厚度１．０～２．７ｍ；中风化板岩。　地铁车站的建造受地层、施工因素等多方面的　２　施工方法及主要施工步序　影响。为了保证施工安全，有必要对车站施工过程　步骤一：将大管棚一次打入围岩，并对上部需开　进行研究，以找出施工过程中的关键步骤。地铁车　挖的部分采取小导管预注浆加固地层；分步开挖中　站施工步骤的模拟，主要包括加固措施、开挖顺序、　洞，并施做初期支护。见图１（ａ）。　开挖细节、衬砌的施作与拆除等几个方面，本文着重　步骤二：施作顶、底纵梁，预留接茬钢筋及防水　从施工步序中，找出施工过程中控制沉降的关键步　板接头；吊装钢管柱，浇注钢管混凝土。见图１（ｂ）。　骤。　步骤三：左右导洞采用小导管超前支护、注浆加　车站为双层岛式车站，共设３个出人口，２座风　固地层；左右导洞台阶法施工并施做初期支护。见　亭。主体结构断面型式为双层岛式单柱单拱，车站　图１（ｃ）。　覆土约为８．８ｍ。车站所属地层，自上而下依次为：　步骤四：拆除下部中隔壁；分段施作底板、两侧　素填土，厚度２．０～４．０ｍ；全风化板岩，厚度０．７～　边墙下部，预留接茬钢筋及防水板接头。见图１　衬砌混凝土内部脱空是隧道衬砌较为普遍的缺陷，　６　结束语　也是探地雷达检测的重点。其在雷达剖面图上主要　通过对探地雷达在采集、数据处理及图像分析　表现为在胶结面以下出现多次反射波，同相轴呈弧　三方面的研究，总结出来一些规律和经验，表明了探　形，并与相邻道之间发生相位错位，能量明显增强，　地雷达对衬砌混凝土检测不仅采集速度快、数据处　典型图像见图４。　理方便，而且精度较高，是一种很好的可靠的无损检　测技术，值得推广和应用。　参考文献　［１］李大心．探地雷达方法及应用［Ｍ］．北京：地质出版社，１９９４．　［２］孔祥春．探地雷达基本原理［Ｊ］．工程勘察，２００５．　［３］李子奇，樊燕燕．地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用［Ｊ］．兰　图４二衬后脱空雷达图像　州交通大学学报。２００６，（３）：４８—５０．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧＰＲ　ｉｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｎｅｒ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ＧＰＲ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｓｔｅｐｓ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｅｒ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｄｅｆｅｃｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＧＰＲ；Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｎｅｒ；Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；Ｒａｄａｒ　ｉｍａｇｅ　第ｌ２期　（ｄ）。　丁鹏飞：地铁暗挖车站施工阶段计算与分析　格　有限元计算及后处理。　・５７・　步骤五：待边墙达到强度后分段加设钢支撑，并　拆除中部中隔板及中隔壁；铺设边墙防水板，浇注中　纵梁、中层板及边墙。见图１（ｅ）。　瑟　一　．　、，、　步骤六：拆除临时支护，浇注拱部剩余二衬混凝　土。见图１（ｆ）。　。　０　（ａ）　【ｂ）　～　学　氇　亏　｜　一一等：　一　一　蕊；　…　一一：≮　　：５　　ｊ｝　５　ｉ　！ｉ　ｌ　ｉ　　ｆ｛　ｆ　ｉ６　Ｉ　：ｉ　６’：　：：ｊ：　：｝　：．　：　基　蔓。　；　ｌ　ｉ毫；　曩；善：　（ｃ）　（ｄ）　：国　图１　施工步序图　３　施工过程模拟计算分析　３．１　模型的选取　本计算按连续介质模型模拟结构与周围土体共　同作用的内力、变形计算。围岩、二次衬砌等均采用　平面应变有限元模拟，初期支护采用梁单元模拟。　按照车站的分块开挖、支护、浇注内衬等施工步　骤，计算共分为２４个阶段，除第一个阶段为初始应　力场模拟外，每个阶段的应力与变形均由软件在前　一个阶段上自动累加。　（１）计算假定　本计算采用了平面应变假定和弹塑性假定模型　来做计算分析。假定计算边界处不受车站开挖的影　响，即该处为静止的原始应力状态，变形为零，用约　束来模拟。计算宽度取１２０．Ｏｍ，计算深度为隧道底　下４５．Ｏｍ的土层厚度，考虑到时间效应。计算采取　有限元正分析法进行求解。计算模型中，并未对超　前小导管等辅助工法措施进行考虑。　（２）有限元正分析计算流程　组织模型一定义材料一作图及修改一设置开挖　过程一在图形对象上施加边界条件　全自动生成网　图２　施工阶段计算模型（ｍｉｄａｓ　ＧＴＳ）　（３）计算方法　只考虑土体的自重应力及地面超载，在分析的　第一步，首先计算土体的自重应力场，土体在自重作　用下会产生初始位移，对这一步位移采用软件自带　的“位移清零”功能，以方便查看后续各施工步骤中　所产生的位移沉降值。　考虑时间效应，开挖和支护的应力释放率，对于　强风化围岩中采用开挖７０％，支护３０％；对于中风　化围岩，考虑围岩的自稳能力较好，开挖和支护的应　力释放率采用开挖５０％，支护５０％。　（４）施工阶段计算过程　计算模拟实际施工过程分步进行计算：１）初始　状态，位移清零；２—３）开挖中洞上部导洞并封闭初　支；４—５）开挖中洞中部导洞，并封闭初支；６—７）开　挖中洞下部导洞并封闭初支；８）施工顶底纵梁，并　施做完成中柱；９—１２）开挖左、右洞上部导洞并封　闭初支；１３—１６）开挖左、右洞室中部导洞并封闭初　支；１７—２０）开挖左、右洞室下部导洞并封闭初支；　２１—２２）拆除下部初支，并施做底板；２３—２６）拆除　其余初支，并施做完成二衬结构。　３．２地层和材料参数　数值计算需采用的地层参数主要参考经验数　据，表１给出了计算所采用的围岩物性参数。　表１数值模拟地层参数表　４计算结果与分析　由计算可知，地面沉降最大值约为２２ｍｍ，满足　要求。如图３所示不同施工步序的沉降趋势，中洞　上导洞开挖（２、３步）、边洞上导洞开挖（９—１２步）、　二衬施做时拆除临时支撑（２１），３个阶段引起的地　・５８・　北　方　交　通　２Ｏ１Ｏ　表变形较大，是需要加强监测的重点施工步骤。且　（４）车站开挖最终累计沉降的沉降槽曲线呈盆　中洞内中柱施工完毕后，中洞拱顶沉降区域稳定，说　形，盆地范围为两线路中线中间。　明了中柱对于整个结构在开挖过程中的稳定性具有　（５）整个沉降曲线与经典的ｐｅｃｋ沉降公式（图　很重要的作用，施工过程中需要注意中柱的监控量　５）趋势上吻合很好。　测以及保护。　Ｏ　十左洞沉降　一中洞沉降　、一　右涧沉降　咖一ｌＯ　ｊ　一　＊一地袁沉降　‘　世　赔－１５　ｉ　：；　０　＾ｌ　叶—　÷　—－２Ｏ　　：；　；；　；　：：　－２５　１　３　５　７　９　１１　１３　１５　１７　１９　２１　２３　２５　开挖步骤　图３　不同施工步序的沉降趋势　图５　Ｐｅｃｋ公式的沉降槽　５　结语　通过数值模拟计算分析，得出理论计算地面沉　降曲线，证明了中洞上导洞开挖和侧洞上导洞开挖　所引起地面沉降在整体沉降中的比例非常大，可见　中洞法施工对地面沉降控制的关键工序为中洞上导　洞开挖和侧洞上导洞开挖，在设计施工中应引起足　够重视，加强监控量测等措施，有效的指导了施工。　同时，本次数值模拟采用ＭＣ本构，板岩也是按　照各向同性的弹性体来模拟的，与实际开挖过程中，　板岩的层理特性有一定的出入，因此实际的施工过　图４　车站计算横断蔺沉降槽　程中需要针对板岩的这一类特性采取更有针对性的　通过数值计算模拟施工步序，暗挖车站不同施　措施。　工阶段的沉降槽图形描述如下：　参考文献　（１）车站中洞开挖期间，沉降槽曲线呈正态曲　［１］ＧＢ５０１５７—２００３，地铁设计规范［ｓ］．　线，最低点在结构中线上。　［２　３田巧焕．北京地铁５号线天坛东门站施工阶段计算与分析［Ｊ］．　（２）车站中洞二衬期间，沉降槽曲线平滑，即地　铁道标准设计，２００４，（４）．　［３］杨明．磁器口地铁车站施工过程的三维数值模拟分析［Ｊ］．市政　表沉降较小，整体沉降趋于稳定。　技术，２００８，（２）．　（３）车站边洞开挖期问，沉降槽曲线呈波型，波　［４］刘沐良暗挖地铁车站中洞法施工地面沉降控制的关键工序　峰在结构中线上，波谷在左右线的线路中线上。　『Ｊ］．铁道勘察。２０ｏ６，（１）．　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｓｕｂｗａｙ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｓｔａｇｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔａｋｉｎｇ　ａ　ｓｕｂｗａｙ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｋｅｙ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｕｒｉｎｇ　ｍｉｄ—ｃａｒｖｅｎ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　．ｈｔｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｍｉｄ．．ｃａｒｖｅｎ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｍｉｄａｓ　ＧＴＳ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｍｉｄ—ｃａｒｖｅｎ　ｅｘｃａｖ￣ｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ；Ｇｒｏｕｎｄ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ