沈陽市府大路站橫通道施工參數優化分析

楊 雁

(中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

在修建地鐵隧道中，橫通道是十分重要的，必不可少的設施。沈陽地鐵四號線市府大路站采用小直徑管幕結合蓋挖逆作法施工，在上導洞中部設置7處橫通道，橫通道內施工中立柱與橫梁，底導洞施工縱梁并與橫導洞橫梁形成整體管幕支撐體系。如何優化橫通道的截面形式及施工順序，得出合理的橫通道參數，需要進一步研究。

目前已有許多學者對橫通道的一些參數進行了研究。紀文杰等[1]運用有限差分數值模擬軟件，模擬了4種不同橫通道施工順序的方案，得到了每種施工方案下的最大沉降值、反彎點距離和最大沉降位置。何洵等[2]采用有限元軟件分析考慮自重的圓形、直墻半圓拱和矩形3種截面隧道開挖后的圍巖應力場和擾動區范圍，得出了最優隧道截面。曾恕輝等[3]針對4種不同的導洞開挖順序，通過對位移場的變化進行分析，得出了“先開挖上部,上下交錯開挖”的最優方案。張志強等[4]采用三維有限元數值模擬主隧道與橫通道組成不同交角的空間復雜受力交叉結構的施工過程，得出交叉角越小，圍巖應力集中程度越高、橫通道襯砌結構受力越大的結論。單仁亮等[5]通過數值模擬對比研究了不同的導洞間開挖錯距和不同的導洞開挖順序對橫通道處地表沉降的影響。任建喜等[6]以西安黃土地區首個PBA工法車站為工程背景，對先期小導洞開挖數量及開挖順序的合理確定進行了研究，得到了有效控制地表變形的開挖方式。

鑒于此，本文利用Midas有限元軟件，依托沈陽地鐵四號線市府大路站，對市府大路站橫通道的不同截面形式和施工順序進行模擬研究，為今后類似工程作參考。

1 數值計算模型的建立

1.1 土層參數選取

依據現場條件將穿越地層簡化為4層。地層采用修正摩爾庫侖模型，計算模型所取詳細地層參數見表1。

表1 土層物理力學參數

1.2 計算模型建立

本節對橫通道的相關設計參數進行優化研究。按照市府大路站初步設計要求，頂部采用57根φ402 mm鋼管頂進。用數值模擬軟件Midas GTS建立包括地層、管幕、橫通道的有限元模型。在方案優選階段為簡化計算采用二維模型，地層采用平面應變單元模擬，橫通道襯砌采用梁單元模擬，通過梁單元的幾何形狀和材料性質來定義。為減小邊界效應，整個模型長度取144 m，高度為25 m，管幕頂部埋深4.39 m。模型兩側為邊界水平位移約束，底部固定，上部為自由邊界。

計算模型圖如圖1所示。

2 結果分析

2.1 橫通道截面形式

目前地下工程中常見的橫通道斷面形式有矩形和馬蹄形截面，本文采用面積等效法對兩種截面形式進行換算，如圖2所示。

圖3為不同截面橫通道開挖計算結果云圖。

選取中間橫通道上方地表沉降量和底部隆起量進行分析，矩形截面橫通道開挖引起的地表沉降量為49.81 mm，底部隆起量為11.6 mm，馬蹄形橫通道開挖引起的地表沉降量為51.19 mm，底部隆起量為11.7 mm，由此可見兩種矩形截面和馬蹄形截面開挖引起的地表沉降量和底部隆起量相差較小。圖4為不同截面橫通道開挖計算豎向土壓力計算結果云圖。

分析圖4可知，矩形截面橫通道開挖引起的頂管豎向土壓力在23.44 kPa～47.15 kPa之間，豎向土壓力分布較為均勻，而馬蹄形截面橫通道開挖引起的頂管豎向土壓力在19.22 kPa～135.41 kPa之間，且在第二個橫通道拱頂處的豎向土壓力明顯大于其他橫通道拱頂土壓力，因此從頂管的受力情況來看，橫通道的截面形式建議選擇矩形截面。

2.2 橫通道施工順序

不同的橫通道開挖順序引起的地表沉降不同，由上節可知，橫通道的截面形式為矩形時，橫通道頂部豎向土壓力較小。因此本文提出兩種不同的矩形截面橫通道開挖順序，從左至右橫通道標記為1～7。

開挖順序一：開挖橫通道1，7→開挖橫通道2，6→開挖橫通道3，5→開挖橫通道4；

開挖順序二：開挖橫通道1，7→開挖橫通道4→開挖橫通道2，6→開挖橫通道3，5。

模型計算中將橫通道開挖分為四大施工步，限于篇幅，本文只給出開挖順序一計算結果云圖，見圖5。

分析兩種開挖順序下的橫通道豎向位移結果，順序一和順序二在在第一步開挖時，各橫通道上覆土體豎向位移相同；在第二步開挖時，順序一引起的最大豎向位移為26.8 mm，順序二引起的最大豎向位移為23.2 mm，均位于橫通道7上方；在第三步開挖時，順序一引起的最大豎向位移為26.7 mm，順序二引起的最大豎向位移26.1 mm，均位于橫通道1上方；在第四步開挖時，順序一引起的最大豎向位移為30.5 mm，位于橫通道4上方，順序二引起的最大豎向位移為28.7 mm，位于橫通道3上方；由此可見，按順序一開挖引起的地表豎向位移總體上大于按順序二開挖引起的地表豎向位移，因此建議橫通道施工順序為開挖橫通道1，7→開挖橫通道4→開挖橫通道2，6→開挖橫通道3，5。

3 結論及建議

本文利用有限元軟件Midas對沈陽市府大路站橫通道的截面形式和施工順序進行分析，得到以下結論：

1)矩形截面橫通道開挖引起的地表沉降量較馬蹄形截面橫通道開挖引起的地表沉降量小2.6%，底部隆起量小0.85%；矩形截面橫通道開挖引起的頂管受力情況明顯好于馬蹄形截面，矩形截面橫通道開挖引起的最大豎向土壓力較馬蹄形截面橫通道開挖小65.17%，因此市府大路站橫通道的截面形式建議選擇矩形截面；

2)開挖順序一引起的最大豎向位移為30.5 mm，開挖順序二引起的最大豎向位移為28.7 mm，兩者相差5.9%，因此橫通道開挖順序建議選用先開挖橫通道1和橫通道7，然后開挖橫通道4，再開挖橫通道2和橫通道6，最后開挖橫通道3和橫通道5的施工順序。