北京地鐵4號線新增檢票廳工程離散元仿真分析

陳自龍

（中鐵十八局市政工程有限公司，天津 300222）

巖體的平衡狀態會隨著工程開挖產生改變，其位移和應力都受其影響而變化。因此，新增線路的開挖會使周圍既有結構產生附加應力和位移，對工程的安全性產生影響。施工前不僅要對工程主體進行分析，也需要研究其對周邊既有結構的影響。楊建烽[1]、扈世民[2]、侯艷娟[3]、白海衛[4]分別通過現場實驗和理論分析討論了開挖對周邊結構的影響，耿俊巖[5]、張濤[6]、劉建美[7]、黃昌富[8]、楊修[9]、呂海英[10]、彭麗云[11]分別利用不同的計算分析軟件對隧道開挖后周邊既有結構的位移進行分析，為開挖工程對周邊結構的影響研究提供了寶貴經驗。本文以北京地鐵4 號線宣武門站新增地下檢票廳為研究對象，分析檢票廳在開挖過程中自身結構的穩定性以及對周邊結構的影響。

1 工程概況

北京地鐵4 號線宣武門站新增地下檢票廳采用暗挖施工，其結構形式為單層雙跨拱頂直墻斷面結構，廳寬14.9 m，高8.9 m，長32.0 m，頂板覆土深度為7.7 m，底板埋深為16.6 m，場地類別為Ⅱ類。擬定新建暗挖檢票廳二襯結構頂拱0.5 m，底板0.5 m，邊墻0.5 m，頂梁2 000 mm×1 600 mm，底梁1 200 m×2 200 mm，均采用C40 防水混凝土。中柱為700 mm×1 000 mm，采用C50 混凝土[12-13]。

檢票廳周邊既有結構包括車站主體、4 號線宣武門站換乘通道、西北出入口通道。其中，車站主體結構為單層三跨拱頂直墻斷面結構，廳寬19.7 m，高7.95 m。車站主體結構頂板與檢票廳頂板標高相同，走向與檢票廳走向平行，水平凈距5.4 m。4 號線西北出入口通道高5.3 m，寬6.8 m。西北出入口通道與檢票廳結構底板標高相同，走向與檢票廳走向垂直，檢票廳與4 號線西北出入口結構的水平凈距約0.5 m。換乘通道高5.4 m，寬5.0 m。換乘通道與檢票廳結構底板標高相同，走向與檢票廳走向垂直，檢票廳與換乘通道結構的水平凈距約0.8 m。既有結構洞壁周邊均采用混凝土噴漿襯砌支護，襯砌混凝土強度等級為C40，襯砌厚度為0.5 m。檢票廳與既有結構的位置關系如圖1、圖2 所示。

根據區域地質資料，4 號線宣武門站新增地下檢票廳工程位于永定河沖洪積扇的中上部，檢票廳的結構底板位于卵石圓礫層內，其天然密度為2.18 g/cm3，黏聚力為0，內摩擦角為30°，密實，室內滲透系數為2.0×10-1cm/s，地基承載力特征值為450 kPa。

圖1 地下檢票廳與車站主體結構位置示意圖（單位：m）

圖2 地下檢票廳與其他結構位置示意圖（單位：m）

2 施工措施及控制標準

2.1 施工措施

（1）車站主體結構。施工前對既有4 號線車站主體結構進行調查，并進行檢測和評估；初支施工過程中及時進行初支背后注漿，多導洞開挖時應多次補注漿，嚴格控制注漿壓力和注漿量，保證注漿效果；對拱頂及側壁初支外側1.5 m、內側0.5 m 范圍內進行深孔注漿加固[14]；及時布設測點，初支施工過程中加密監測頻率，根據檢測結果及時調整施工參數；制定針對性應急預案。

（2）出入口通道及換乘通道。施工前對出入口通道及換乘通道結構進行調查，并進行檢測和評估；對換乘通道北側端頭墻2 m 范圍內進行全斷面深孔注漿加固，西北出入口南側端頭墻2 m 范圍內進行全斷面深孔注漿加固；及時布設測點，初支施工過程中加密監測頻率，根據檢測結果及時調整施工參數；制定針對性應急預案。

2.2 控制標準

（1）車站主體結構的風險等級為二級，其位移控制標準為結構最大沉降量≤10 mm，最大水平位移≤4 mm，差異沉降≤2 mm。

（2）兩側通道的風險等級為二級，其位移控制標準為結構最大沉降量≤20 mm，最大水平位移≤5 mm，差異沉降≤4 mm。

表1 地層巖土性質

圖3 計算模型

3 數值模擬分析

3.1 地層及材料參數

根據地質資料，工程場地的地層可分為粉土填土、黏質粉土、粉細砂、細中砂、砂質粉土、卵石圓礫。各地層物理力學性質及地層厚度如表1 所示。

3.2 檢票廳開挖對車站主體結構影響分析

3.2.1 計算模型

通過離散元UDEC 軟件進行分析，計算模型采用摩爾庫倫彈塑性模型，模型水平計算長度為120 m，豎向計算長度60 m，檢票廳與車站主體結構上覆土層厚7.7 m，檢票廳距模型左側邊界為45.85 m，廳高8.9 m，寬14.9 m。宣武門車站長19.7 m，高7.95 m。洞壁周邊采用混凝土噴漿襯砌支護，襯砌混凝土強度等級為C40，襯砌厚度為0.5 m。模型邊界條件的設置包括對兩側邊界的水平方向位移進行約束，底部邊界豎直和水平方向位移進行約束，地表為自由邊界不受約束。計算模型如圖3 所示。

3.2.2 計算結果分析

模型計算得到的位移云圖如圖4 所示，分析如下。

（1）檢票廳開挖后，圍巖產生指向開挖區的位移，位移集中分布在檢票廳的頂板和底板2 處，以檢票廳中柱為中心成對稱分布。土體的擾動范圍覆蓋至車站主體結構圍巖左側，但主體結構處圍巖所受影響較小。

（2）檢票廳頂板的最大沉降量為8 mm，車站的頂板處最大沉降量為2 mm，其值均小于位移控制標準中的結構最大沉降量10 mm；車站差異沉降值為2 mm，其值小于位移控制標準中的差異沉降4 mm；水平向位移主要產生在檢票廳頂板上方的土層內以及檢票廳兩側，近似以檢票廳中柱為中心呈反對稱分布；檢票廳最大水平位移為3 mm，既有車站結構周邊產生的位移極小，不足1 mm，滿足位移控制標準中的結構水平最大位移5 mm。

根據位移矢量圖分析結果確定后續位移控制計算點，計算點1 為車站主體結構左側洞壁中心，計算點2為車站左側洞室上部頂板中心。利用離散元UDEC 軟件對檢票廳開挖后計算點位移進行分析。計算點的位移時程曲線如圖5 所示，分析如下。

（1）計算點1 水平位移發展至1.9 mm 后逐漸平緩并達到穩定，其值小于位移控制標準中的5 mm。

（2）計算點2 豎向位移控制點的位移發展至7 mm后逐漸平緩并達到穩定，其值小于位移控制標準中的10 mm。

圖4 車站主體及周邊位移云圖（單位：m）

圖5 車站主體結構計算點位移時程曲線

3.3 檢票廳開挖對兩側通道的影響分析

3.3.1 計算模型

計算模型采用摩爾庫倫彈塑性模型。模型水平計算長度為120 m，豎向計算長度60 m，檢票廳與4 號線西北出入口、4 號線西北換乘通道底板結構埋深16.6 m，4 號線西北出入口通道高5.3 m，寬6.8 m。4 號線西北換乘通道高5.4 m，寬5.0 m。暗挖檢票廳與4 號線西北出入口結構的水平凈距約0.5 m，與4 號線西北換乘通道結構的水平凈距約0.8 m。洞壁周邊采用混凝土襯砌支護，襯砌混凝土強度等級為C40，襯砌厚度為0.5 m。

模型邊界條件的設置包括對兩側邊界的水平方向位移進行約束，底部邊界豎直和水平方向位移進行約束，地表為自由邊界不受約束。檢票廳結構沿長度方向分段開挖，模型顯示檢票廳全段開挖結束后的力學響應。計算模型如圖6 所示。

3.3.2 計算結果分析

模型計算得到的位移云圖如圖7 所示，分析如下。

（1）檢票廳開挖后，其位移主要來自檢票廳頂板上部巖體，4 號線西北換乘通道以及4 號線出入口通道周邊產生的位移較小。

圖6 計算模型

圖7 兩側通道及周邊位移云圖（單位：m）

圖8 兩側通道計算點位移時程曲線

（2）檢票廳頂板最大豎向位移為15 mm，兩側通道的頂板處最大豎向位移為5 mm，其值均小于位移控制標準中的結構最大沉降量20 mm；水平位移主要產生在其頂板上方的土層內，結構周邊產生的位移極小，其最大水平位移為4 mm，兩側通道水平位移近似為0，滿足位移控制標準中的結構水平最大位移5 mm。

根據位移矢量圖分析結果確定后續位移控制計算點，計算點1 為出入口通道右側洞壁中心，計算點2 換乘通道左側洞壁中心，計算點3、計算點4 分別為出入口通道和換乘通道上部頂板中心。利用離散元軟件對檢票廳開挖后計算點位移進行分析。計算點的位移時程曲線如圖8 所示，分析如下。

（1）出入口通道計算點1 水平位移發展至0.7 mm后逐漸平緩并達到穩定，換乘通道計算點2 水平位移發展至1.1 mm 后逐漸平緩并達到穩定，計算點的最大水平位移均小于位移控制標準中的5 mm。

（2）出入口通道計算點3 豎向位移發展至7.5 mm后逐漸平緩并達到穩定，換乘通道計算點4 豎向位移控制點的位移發展至3.5 mm 后逐漸平緩并達到穩定，計算點的最大豎向位移均小于位移控制標準中的10 mm。

4 結論

（1）檢票廳開挖對宣武門4 號線車站主體結構影響較小，其豎向最大位移為2 mm，水平最大位移不足1 mm，在位移控制標準之內，滿足風險等級要求。

（2）檢票廳開挖對4 號線換乘通道和出入口通道的影響較小，4 號線通道的頂板處最大沉降量為5 mm，水平最大位移值為4 mm，在位移控制標準之內，滿足風險等級要求。

（3）檢票廳周邊既有結構位移控制計算點位移均在位移控制標準之內，滿足風險等級要求。

（4）施工過程中及時對開挖周邊區域進行注漿支護，可以有效減少對周邊建筑物的影響。施工過程中應增加監測頻率防止潛在災害的產生。