北京地鐵區間開挖工法的可行性研究

冀少鵬，葛克水，孫立超，陳　松

（1.中國地質大學<北京>工程技術學院，北京100083；2.北京筑信達工程咨詢有限公司，北京100043）

北京地鐵區間開挖工法的可行性研究

冀少鵬*1，葛克水1，孫立超2，陳松1

（1.中國地質大學<北京>工程技術學院，北京100083；2.北京筑信達工程咨詢有限公司，北京100043）

開挖工法的選擇對控制淺埋地鐵隧道引起的地表沉降起著重要的作用。以北京地鐵14號線某地鐵站區間為依托，運用工程實際參數，結合有限元分析軟件Midas/GTS對地鐵區間開挖進行數值模擬，通過比對地表沉降實測結果與模擬結果，明確數值模擬具有重要參考價值，進而對臺階法、核心土法、導坑法3種方法進行模擬，通過對施工完成后地表測點的沉降數據、變形曲線的對比分析，明確不同開挖工法對地表沉降影響的差異，為后續工程提供參考和借鑒。

淺埋暗挖；數值模擬；開挖方法

1　概述

隨著城市化進程的加快，地鐵建設已經成為緩解城市壓力的一種重要手段。經過多年的工程實踐，北京已經完成了多條地鐵線路的建設，很大程度上改善了人們的工作和生活。但是由于城市地下工程復雜的地質條件、種類繁多的施工工藝、復雜的圍巖與支護相互作用等原因，使得施工方法的選擇起著越來越重要的作用。本文根據北京地鐵14號線某區間段的實際施工情況，通過Midas/GTS有限元分析軟件分別對臺階法、核心土法、導坑法3種不同開挖工法進行模擬分析，通過對模擬結果的對比討論，分析不同開挖工法對地表沉降影響的差異，提出減小沉降的具體措施，為后續工程實踐提供一定的參考價值。

2　工程概況

北京地鐵14號線某車站為北京市軌道交通重點線路上的大型換乘車站，主體采用雙柱三跨拱形結構，采用上下8導洞的開挖方式，兩換乘站呈“T”型換乘，共設1、2號2條換乘通道。區間左線起止里程：左K14+ 504.386～K15+043.934，區間長度539.548m；區間右線起止里程：右K14+504.386～K15+043.934，區間長度539.548m；區間隧道覆土16.1～24.6m，采用礦山法施工。區間中部右K14+681.000處設置施工豎井及橫通道，施工過程中由橫通道雙向開挖，站端設置迂回風道及人防段。區間沿線需下穿2處人行天橋及?500mm中壓燃氣、?500mm高壓燃氣、?1000mm上水、?600mm上水等大型市政管線。

3　工程、水文地質條件

本工程場地勘探范圍內的土層劃分為人工堆積層（Qm）l、第四紀全新世沖洪積層（Q4al+pl）、第四紀晚更新世沖洪積層（Q3al+pl）3大層。區間隧道穿過的土層為中粗砂⑤1層、粉質粘土⑥層、粉土⑥2層、粘土⑥1層、圓礫卵石⑦層、中粗砂⑦1層、粉細砂⑦2層。隧道圍巖分級為Ⅵ級，主要土層參數見表1。在本次勘察深度范圍內，未見上層滯水，但由于大氣降水、管道滲漏等原因，沿線不排除局部存在上層滯水的可能性。勘查結果顯示，地下水主要類型為潛水和承壓水。

4　數值模擬

表1　主要土層參數

根據實際施工參數，利用有限元分析軟件Midas/ GTS建立模型，選取埋深16.1～24.6m的區間段為研究對象。模型整體高度50m，模型區間開挖長度為60m，上邊界為地表面，下邊界為3倍洞室跨度，左右線洞距為實際洞室間距。上邊界為自由邊界，側面限制水平位移，模型底部限制垂直位移，模型網格如圖1所示。洞室開挖方向上10m、20m處設置斷面一、二，每個斷面各設13個監測點，斷面一測點編號為DB-01～DB-13，斷面二測點編號為DB2-01～DB2-13，測點布置如圖2所示。

土層、襯砌的參數為施工實際參數，區間正線開挖過程中，隧道拱部采用超前小導管注漿加固地層，超前小導管規格為DN25×3.25水煤氣管，長為2m，縱向間距為0.5m，環向間距為0.25m或0.3m，鎖腳錨桿為DN25×3.25水煤氣管，長為2m，對于超前支護，數值模擬采用適當調整圍巖c、φ值來等效。

圖1　模型網格劃分

5結果分析

圖2　測點布置圖

5.1工程實測數據與模擬結果的對比分析

區間正線的實際開挖方法為核心土法，通過實測數據與模擬結果的對比分析，驗證數值模擬的可參考價值，為后續3種不同開挖工法的模擬分析奠定基礎。區間正線開挖過程中，左線先開挖，左、右線開挖錯距15m。取斷面一為研究對象，斷面一測點沉降數據表如表2所示，沉降曲線圖如圖3所示。

由數據表及曲線圖可知，在左線先開挖過程中，最大沉降量發生在左線拱頂對應地表測點DB-05，斷面一模擬曲線與實測曲線變形趨勢基本相同。測點DB-05對應模擬沉降值為5.912mm，實測沉降值為8.217mm，沉降差為2.305mm，是沉降變化最大位置，洞室兩側隨著距開挖洞室距離的增大，開挖對土體的擾動減小，沉降差呈減小趨勢，沉降差產生的原因主要是由于實際施工過程中影響因素較多，如施工中降水、開挖進尺較長、施工過程中沒有及時施作初期支護、洞室的開挖沒有及時封閉成環、測量中交通對測量精度的影響等原因造成的。由于左右線洞室間距為1.4倍洞徑，為近間距隧道，區間雙線開挖時，洞室周圍土體的擾動會相互疊加，開挖完成后，取斷面二為研究對象，斷面二測點沉降數據表如表3所示，沉降曲線圖如圖4所示。

表2　斷面一沉降數據表

圖3　斷面一沉降曲線圖

表3　斷面二沉降數據表

由數據表及曲線圖可知，近間距隧道施工完成后，由于左右線開挖對隧道中間土體影響的相互疊加，沉降槽曲線不是雙峰沉降槽曲線，而是單峰沉降槽曲線。雙線開挖過程中，最大沉降量由左線拱頂對應地表測點DB2-05逐漸向右移動，開挖完成后，最大沉降位置為兩隧道中線偏左的DB2-06點，主要是由于受到左線先開挖的影響。模擬曲線與實測曲線的橫向變形趨勢近似相同，DB2-06測點對應的沉降差最大，模擬沉降值為14.884mm，實際測量值為18.513mm，沉降差為3.639mm，測點對應沉降值均滿足規范要求。DB2-06測點兩邊沉降差有減小趨勢，由于曲線的變形趨勢基本相同，沉降差變化范圍較小，說明數值模擬有重要的參考價值。

5.2不同開挖工法的對比分析

模擬區間的開挖方法分別為：臺階法、核心土法、導坑法，3種方法的開挖工序如圖5所示，模擬開挖工序與實際施工工序保持一致。取斷面二為研究對象，開挖完成后，斷面二對應的沉降數據表如表4所示，沉降曲線圖如圖6所示。

根據斷面二不同開挖工法對應的沉降數據表及沉降曲線圖可得如下結論：

（1）由于該地鐵區間隧道為近間距隧道，區間雙線開挖過程中，3種開挖方法對應的斷面沉降槽曲線均為單峰狀，說明沉降槽曲線的形式主要受隧道間距的影響。沉降最大點為左右線中間位置偏左的DB2-06測點，主要是由于左線先開挖，周圍土體較先受到擾動引起的，所以在左線開挖過程中要加強監測，通過縮短開挖進尺、合理注漿施工、及時封閉成環等措施來控制周圍土體變形及地表沉降。

圖4　斷面二沉降曲線圖

圖5　不同開挖方法施工工序圖

表4　斷面二模擬沉降數據表

圖6　斷面二模擬沉降曲線圖

（2）從圖6中可以看出，導坑法開挖引起的地表沉降最小，臺階法開挖引起的地表沉降最大，核心土法開挖引起的地表沉降介于導坑法和核心土法之間。3種開挖方法對應地表沉降最大測點DB2-06的沉降值分別為：導坑法為10.632mm，核心土法為14.884mm，臺階法為27.532mm。地表沉降最大位移處，核心土法開挖引起沉降是導坑法的1.40倍，臺階法開挖引起的沉降是導坑法的2.59倍，臺階法開挖引起沉降是核心土法的1.85倍。最大沉降測點DB2-06兩側，隨著擾動影響的減弱，3種開挖方法引起的沉降差呈減小趨勢。

（3）對于軟弱地層，導坑法和核心土法能夠有效的控制了地表的沉降，導坑法開挖將開挖斷面分為3個小型斷面，拱部開挖后，及時施作支護結構能夠有效地控制了拱部土體的變形，臨時支撐的施工能夠使小斷面及時封閉成環，有效地減小拱頂和側墻的變形。對于核心土法，環形土體開挖后拱頂支護結構控制拱頂沉降，預留核心土抑制了土體對掌子面的應力作用，減小掌子面的變形，下臺階土體不僅對掌子面的變形起到抑制作用，而且對洞室側壁土體的變形起到抑制作用。對于該工程對應的軟弱土層，臺階法施工地表最大沉降為27.532mm，由于數值模擬結果略小于實際施工引起的沉降結果，臺階法實際施工中引起的地表沉降很可能大于設計值30mm。所以，對于該工程臺階法建議謹慎使用。導坑法和核心土法引起的最大沉降量明顯小于設計值30mm，理論上都可以應用，但是導坑法施工成本較高、進度較慢、洞室開挖后期導坑拆除困難、工序復雜、工期延長、施工成本進一步增加。相比較而言，核心土法不僅工序簡單，施工進度較快，而且成本較低。所以，對于該工程，區間正線的開挖推薦使用核心土法。

6　結論

本文利用有限元軟件Midas/GTS模擬實際施工工況并與實際測量數據進行對比分析，所取斷面處的模擬橫向變形趨勢與實際變形趨勢基本相同，沉降差較小，說明數值模擬具有重要參考價值，沉降差主要是由于施工過程中降水、臺階開挖進尺較長、開挖后沒有及時支護等原因引起的。根據對3種工法的模擬分析，由于模擬沉降值小于實際沉降值，臺階法開挖引起的實際地表沉降很可能大于控制值30mm，所以要謹慎使用。導坑法和核心土法都可以有效地控制洞室周圍土體的變形及地表的沉降。導坑法成本較高，工序繁瑣，工期較長，核心土法成本較低，工序簡單，進度較快。

綜上所述，建議該工程的開挖方法為核心土法。對于沉降要求嚴格的部位，施工過程中可以采取減小開挖步長、及時施作支護、合理注漿、盡早封閉成環等措施來有效控制洞室周圍土體變形和地表沉降。

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U455.4

A

1004-5716（2016）01-0191-04

2015-09-01

冀少鵬（1988-），男（滿族），河北張家口人，中國地質大學（北京）工程技術學院在讀碩士研究生，研究方向：地下建筑設計與施工。