斜撐拆除對地表沉降和管幕豎向變形的影響分析

張 峻 銘

(沈陽地鐵集團，遼寧 沈陽 110011)

1 概述

隨著城市的快速發展，交通擁堵是急需解決的問題之一，而修建地鐵等地下設施是解決這個問題的有效途徑之一[1]。但隨著地鐵施工面臨風險源的逐漸增多，在一些復雜地段下，傳統改的暗挖工法已不能滿足施工的需要[2]。

沈陽地鐵某車站采用一種新型管幕工法結合洞樁法進行修建超淺埋暗挖車站。此工法是將帶翼緣板的鋼管頂入土體，然后對相鄰鋼管進行連接使其成為整體管幕結構，最后管幕的支護下開挖土體，形成主體結構[3,4]。在開挖管幕下方土體時，為了保持管幕的整體穩定性，在管幕的兩側架設斜撐。

本文以沈陽地鐵某工程為工程背景，建立三維有限元模型，研究拆撐數對地表沉降和管幕豎向變形的影響規律，為后續施工提供工程經驗。

2 有限元數值模型

2.1 模型建立

本文應用MIDAS軟件建立模型并計算，考慮到隧道開挖3倍～5倍跨度的影響范圍，本模型水平方向取80 m，豎向取40 m，開挖縱向取全部長度43 m，所以模型尺寸為80 m×43 m×40 m。模型中，水平向右為X軸正向，取車站開挖方向為Y軸正向，垂直地面向上為Z軸正向。本模型共有網格單元22 590個，節點24 800個。

計算模型外邊界x=0,x=80和y=40四個垂直面僅約束邊界面法向約束，平面內無約束；模型底部z=0僅約束法向位移，平面內無約束；模型上表面z=40為自由表面。力學計算模型、整體計算模型及支護結構模型網格，見圖1，圖2。

2.2 施工步序

結合Midas-GTS數值分析軟件，根據現場施工真實情況采取下列計算步驟：

1)根據實際施工情況和試驗得到具體參數建立模型，為安全起見，材料二的橫向剛度按照0.5倍的折減；

2)激活所有單元，進行地應力平衡；

3)采取不拆撐情況下進行計算，此結果用來與拆撐的結果進行對比，得到拆撐對地面和結構的影響；

4)拆撐運算，得到具體結果。

3 模擬結果分析

3.1 拆除中間3根斜撐

根據對比得到:拆除右跨中間3根撐(11,12,13)，地面沉降方面，管幕在拆除中間3根斜撐下沉0.6 mm，縱向影響范圍至臨近的10號和14號斜撐，橫向影響半個開挖面，但影響值微小可忽略不計，見圖3。管幕沉降方面，拆撐后下沉1.4 mm；管幕水平位移方面，拆撐后變化值1.0 mm，見圖4。

3.2 拆除中間6根斜撐

根據對比得到:拆除右跨中間6根撐，斜撐所在位置地表沉降下沉1.6 mm，縱向影響范圍至進一步擴大，但影響值微小可忽略不計，見圖5。管幕沉降方面，管幕在拆除中間6根斜撐沉降差值為2.4 mm；管幕水平位移方面，拆撐后變化值1.6 mm，見圖6。

3.3 拆除中間9根斜撐

根據對比得到:拆除右跨中間9根撐，斜撐所在位置地表沉降下沉2.1 mm，縱向影響范圍至進一步擴大，橫向影響整個開挖面，見圖7。管幕沉降方面，管幕在拆除中間9根斜撐沉降差值為3.0 mm，沉降范圍明顯增大；管幕水平位移變化值1.8 mm，見圖8。

4 結語

本文通過建立三維有限元模型，對同時拆撐數對地表沉降及管幕變形的影響進行研究，得到隨著拆除斜撐的數量增加，地面沉降和管幕沉降都逐漸變大。地表沉降最大值為2.1 mm；其中管幕沉降在拆除9根斜撐時變化值最大，下沉3.0 mm；考慮到管幕現場施工過程中的不可預見因素，為安全施工考慮，建議同時拆除6根斜撐作為一個施工步驟。

[1] 許有俊,聶鑫路,魏云杰,等.新建地鐵車站上穿既有地鐵結構的變形控制[J].地下空間與工程學報,2016,12(1):153-161.

[2] 杜 彬,譚忠盛,王夢恕.地鐵車站洞樁法施工對地層及鄰近樁基的影響規律[[J].北京交通大學學報,2008,3(32):30-36.

[3] 趙 文,賈鵬蛟,王連廣,等.地鐵車站STS新管幕構件抗彎承載力試驗研究[J].工程力學,2016,33(8):167-176.

[4] 趙 文,姜寶峰,賈鵬蛟,等.STS管幕結合洞樁法修建地鐵車站施工數值模擬研究[J].應用力學學報，2017,34(4):756-762.