五里店地鐵車站施工穩(wěn)定性研究

發(fā)軍

（1.中建四局土木工程有限公司路橋分公司，深圳 518052）

0 引言

五里店站為明暗挖結(jié)合的地下?lián)Q乘車站，總長215.4m，其中暗挖段長度139.4m，明挖段長度76m，站臺寬13m。暗挖段拱頂埋深約10.2m～12.48m，單拱大斷面，復(fù)合式襯砌，暗挖段按照Ⅳ級圍巖進(jìn)行設(shè)計，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，復(fù)合式襯砌，隧道斷面開挖寬度25.56m，開挖高度20.27m，斷面面積433m2。

五里店站暗挖段拱頂埋深約為10.2m～12.48m，屬于淺埋隧道，洞口段15m 范圍內(nèi)洞身拱部為土層，施工過程中存在坍塌或者冒頂?shù)娘L(fēng)險，預(yù)留核心土解除過程中，可能存在塌方、洞室失穩(wěn)等情況，開挖過程中易造成的地表沉降或不均勻沉降，施工機(jī)械設(shè)備受上覆土的穩(wěn)定和臨時支撐的影響。臨時橫向支撐布置形式等施工過程中的內(nèi)部和外部影響因素有利于加快實際施工的進(jìn)行。[1-2]

1 計算模型

本工程根據(jù)實際隧道尺寸和開挖支護(hù)參數(shù)，建立多個模型三維有限差分模型，如圖1所示。采用midas GTS NX 對五里店地鐵車站進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限差分軟件Flac3D 進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型隧道頂部埋深12.15m，其中上覆巖層厚度為9.15m，土層厚度為3m。隧道走向與Y軸平行，起點為Y=0m，終點為Y=60m，建立長60m，寬160m，高90m 的模型。選取隧道長度方向Y=10m 處斷面為整段圍巖穩(wěn)定性分析的監(jiān)測斷面，結(jié)構(gòu)如圖2所示。[3]

模型的邊界條件為：模型左右約束x 軸方向的位移，前后約束y 軸方向的位移，下部約束z 軸方向的位移，地表為自由邊界。

土體圍巖和二襯采用八節(jié)點六面體實體單元模擬，臨時鋼支撐采用Beam單元模擬，噴射混凝土采用Shell 單元模擬，錨桿采用Cable 單元模擬。超前管棚注漿支護(hù)通過改變拱部90 度角度間逐漸范圍內(nèi)的圍巖參數(shù)的方法來實現(xiàn)，加固層厚度取1.6m，表1為模型圍巖與支護(hù)參數(shù)表。

表1 五里店地鐵車站圍巖與支護(hù)參數(shù)表

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圖1 三維網(wǎng)格整體模型

圖2 三維網(wǎng)格初支、臨時支護(hù)、錨桿結(jié)構(gòu)模型

2 橫向支撐布置形式對穩(wěn)定性的影響分析

設(shè)置2 種不同工況，對比分析不同橫撐布置形式對隧道圍巖位移、圍巖應(yīng)力、噴射混凝土變形、臨時鋼支撐的影響。

圖3 橫向支撐布置示意圖

工況1：如圖3，設(shè)置上、下兩道橫向臨時鋼支撐，開挖模擬步驟如下：拱部施作超前管棚，臨時鋼支撐間距設(shè)置為0.5m，錨桿長度4.5m，錨桿間距1m，循環(huán)開挖進(jìn)尺每步行進(jìn)2m，每個臺階間距4m；開挖左側(cè)上部導(dǎo)坑①部，施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐；①部行進(jìn)4m 后，開挖左側(cè)中部導(dǎo)坑②部，施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐；②部行進(jìn)4m 后，開挖左側(cè)下部導(dǎo)坑③部，施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐；③部行進(jìn)4m 后，開挖右側(cè)上部導(dǎo)坑④部，施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐；④部行進(jìn)4m 后，開挖右側(cè)導(dǎo)坑中部⑤部，施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐；⑤部行進(jìn)4m 后，開挖右側(cè)導(dǎo)坑下部⑥部，施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐；⑥部行進(jìn)4m 后，開挖核心土上部⑦部，施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐；⑦部行進(jìn)4m 后，開挖核心土中部⑧部，施作初期支護(hù)；⑧部行進(jìn)4m 后，開挖核心土下部⑨，施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐，直至導(dǎo)坑全部開挖完成，施作全部初期支護(hù)和臨時鋼支撐。

工況2：如圖3-1，僅設(shè)置上部橫向臨時鋼支撐，開挖模擬步驟同工況1。

2.1 圍巖位移分析

（1）圍巖水平位移分析

圖4 不同橫撐布置形式邊墻水平位移值

從圖4可以看出，兩種工法圍巖水平位移分布情況類似，圍巖水平位移最值均出現(xiàn)在左側(cè)、右側(cè)邊墻處。在左側(cè)導(dǎo)坑全部開挖完成后，此時右側(cè)導(dǎo)坑正在開挖支護(hù)，右側(cè)圍巖應(yīng)力釋放，使得右側(cè)圍巖水平位移大于左側(cè)圍巖。

在左洞開完成后，設(shè)置兩道橫撐時右側(cè)邊墻圍巖水平位移值為-5.9mm，設(shè)置一道道橫撐時右側(cè)邊墻圍巖水平位移值為-11.24mm。

在右側(cè)導(dǎo)坑開挖支護(hù)完成后，設(shè)置兩道橫撐時右側(cè)邊墻圍巖水平位移值為-5.98mm，設(shè)置一道道橫撐時右側(cè)邊墻圍巖水平位移值為-11.52mm。由此可見，兩道橫撐能夠明顯減小分步開挖過程中圍巖的水平位移值。

在隧道全部開挖完全部導(dǎo)坑并施作完成初期支護(hù)和臨時支護(hù)后，設(shè)置兩道橫撐時右側(cè)邊墻圍巖水平位移值為-5.99mm，設(shè)置一道橫撐時右側(cè)邊墻圍巖水平位移值為-6.77mm，設(shè)置兩道橫撐圍巖水平位移最大值小于一道橫撐時，兩者相差0.78mm。

分析可得，設(shè)置兩道橫撐，圍巖水平位移在各個施工狀態(tài)下均小于設(shè)置一道橫撐；在左右導(dǎo)坑分步開挖過程中，設(shè)置兩道橫撐對于圍巖水平位移的約束明顯作用大于設(shè)置一道橫撐。在初期支護(hù)封閉成環(huán)后，設(shè)置兩道橫撐明顯能減小圍巖水平位移值，更有利于提高圍巖整體穩(wěn)定性。

（2）圍巖豎向位移分析

圖5 不同橫撐布置形式拱頂沉降值

從圖5可以看出，圍巖豎向位移分布情況，設(shè)置一道橫撐和設(shè)置兩道橫撐類似，在分步開挖過程中，設(shè)置兩道橫撐拱頂沉降值均小于設(shè)置一道橫撐時，在初期支護(hù)封閉成環(huán)后，設(shè)置一道橫撐拱頂沉降值為-9.28mm，兩道橫撐時為-9.34mm，兩者豎直接近，相差不大。由此可見，橫撐布置形式對拱頂沉降變化影響不大。

2.2 噴射混凝土最大主應(yīng)力分析

不同橫撐布置形式噴射混凝土最大主應(yīng)力云圖如圖6所示：

圖6 不同橫撐布置形式噴射混凝土最大應(yīng)力云圖（單位：Pa）

從圖6可以看出，（1）優(yōu)化雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和原雙側(cè)壁導(dǎo)坑法初期支護(hù)最大主應(yīng)力分布情況類似，均為正值，表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，（2）在拱頂和拱腰處最大主應(yīng)力值較大，邊墻處較小，最大值均出現(xiàn)仰拱位置，設(shè)置兩道橫撐時噴射混凝土最大主應(yīng)力為5.15MPa，雙側(cè)導(dǎo)坑法最大值為4.97MPa，兩者相差不大。

2.3 臨時鋼支撐應(yīng)力分析

不同橫撐布置形式臨時鋼支撐應(yīng)力云圖如下圖1-9 所示：

圖7 不同橫撐設(shè)置形式臨時支護(hù)水平位移云圖（單位：Pa）

從圖7可以看出，（1）2 種工況下臨時鋼支撐受力情況一致，基本左右對稱分布，存在均局部受拉現(xiàn)象，但隧道截面范圍內(nèi)，大部分臨時鋼支撐處于受壓狀態(tài)；（2）工況1 隧道拱腰處所受壓應(yīng)力最大，為68.83MPa，其它部位鋼支撐受力較小；工況2 拱腰處臨時鋼支撐所受壓應(yīng)力最大，為68.54MPa，其它部位處受力較小。

3 結(jié)論

不同橫撐布置形式，對圍巖水平位移顯著影響，布置兩道橫撐能夠明顯減小在分步開挖過程中，邊墻處圍巖水平位移值，在初期支護(hù)封閉成環(huán)后，布置一道橫撐右側(cè)邊墻處圍巖水平位移值為-6.77mm，布置兩道橫撐時右側(cè)圍巖水平位移值為-5.99mm，較之減小0.78mm。豎向支撐布置形式對于圍巖水平位移、噴射混凝土最大主應(yīng)力、噴射混凝土豎向位移影響較小。因此，開挖過程中布置兩道橫向支撐，更有利于開挖過程中的圍巖穩(wěn)定性。