地鐵暗挖車(chē)站初支拱蓋法開(kāi)挖工序數(shù)值模擬優(yōu)化

邵長(zhǎng)青

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

1 引言

地鐵車(chē)站大斷面開(kāi)挖是車(chē)站施工不可避免的難題，相關(guān)的研究案例已經(jīng)有很多。吳波等[1]以有限元分析軟件為基礎(chǔ)，以地表沉降值增量和累計(jì)量分別為報(bào)酬和目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)分析對(duì)比，得出施工最佳順序。楊忠年等[2]結(jié)合拱蓋法隧道開(kāi)挖，通過(guò)模型試驗(yàn)研究隧道開(kāi)挖圍巖應(yīng)力，提出拱頂沉降是拱頂法判斷圍巖穩(wěn)定性的主要依據(jù)。徐穎等人[3－4]通過(guò)數(shù)值模擬側(cè)穿和近接施工，認(rèn)為先施工遠(yuǎn)離建筑物的隧洞方案對(duì)鄰近建筑影響最小。周玲芳等人[5－7]采用數(shù)值模擬的方法，優(yōu)化了施工方案，實(shí)現(xiàn)了隧道開(kāi)挖變形安全可控。

上述文獻(xiàn)取得了大量的參數(shù)，對(duì)施工具有一定的指導(dǎo)意義，但是考慮到地層地質(zhì)分配的隨機(jī)性，有必要對(duì)不同地區(qū)的施工情況進(jìn)行多次分析，本文結(jié)合貴陽(yáng)地鐵施工案例，系統(tǒng)介紹分析了有限元模擬優(yōu)化工序的全過(guò)程，并對(duì)優(yōu)化后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行工后分析。

2 工程概況

貴陽(yáng)地鐵二期15標(biāo)油榨街地鐵站設(shè)計(jì)為地下二層島式車(chē)站，共設(shè)置4個(gè)出入卡通道、1個(gè)消防及疏散通道和2組風(fēng)道。施工采用初支拱蓋法，先分部開(kāi)挖拱部并及時(shí)支護(hù)，利用圍巖與初期支護(hù)形成整體支護(hù)體系，確保車(chē)站主體開(kāi)挖的安全穩(wěn)定，最終一次成型二次襯砌。該方法在硬巖地質(zhì)條件下的地鐵車(chē)站中應(yīng)用較多。

3 初支拱蓋法數(shù)值模擬

3.1 建立有限元模型

根據(jù)施工階段劃分，按照拱蓋施工前導(dǎo)洞開(kāi)挖、拱蓋施作后的支撐拆除、核心土開(kāi)挖及車(chē)站下部土體開(kāi)挖分三個(gè)階段進(jìn)行有限元分析。地鐵車(chē)站三維模型及開(kāi)挖斷面的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 車(chē)站有限元模型

根據(jù)地勘參數(shù)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，模擬采用的各種參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型參數(shù)

3.2 凈空收斂分析

3.2.1 初支凈空收斂

第一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖左右導(dǎo)洞時(shí)，對(duì)導(dǎo)洞的凈空收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析。根據(jù)模擬結(jié)果，施工時(shí)左右導(dǎo)洞兩側(cè)的凈空收斂為0.6 mm，收斂不大，但是中導(dǎo)洞開(kāi)挖后，收斂迅速增加到2.22 mm，說(shuō)明中導(dǎo)洞的施工對(duì)前方和兩側(cè)土體都有較大影響。從圖2的導(dǎo)洞施工歷時(shí)曲線可以看出，中導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)引起的收斂明顯大于左右導(dǎo)洞的開(kāi)挖施工[8]，所以在中導(dǎo)洞開(kāi)挖施工前，需要確認(rèn)左右導(dǎo)洞的支護(hù)已經(jīng)施工完成且強(qiáng)度達(dá)到要求，同時(shí)根據(jù)要求加強(qiáng)中導(dǎo)洞的超前支護(hù)，減輕中導(dǎo)洞向前凸出引起的兩側(cè)土體收斂變形。

圖2 各導(dǎo)洞凈空收斂變化曲線

3.2.2 拱蓋凈空收斂

為了能夠?yàn)槭┕て陂g拱蓋施工完成后提供圍巖收斂信息，考慮到拱蓋施工完成后，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法布點(diǎn)監(jiān)測(cè)收斂，模擬時(shí)在拱蓋部分增加模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)拱蓋的凈空收斂進(jìn)行分析計(jì)算。

從圖3可以看出，每個(gè)循環(huán)凈空收斂都會(huì)因拆除臨時(shí)支撐和開(kāi)挖核心土迅速增大。但是隨著開(kāi)挖面與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離越來(lái)越大，拆撐和開(kāi)挖對(duì)收斂的影響也越來(lái)越小。

IR-UWB穿墻雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及試驗(yàn)整機(jī)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由中南大學(xué)航空航天學(xué)院研制的中心頻率為300 MHz的IR-UWB穿墻雷達(dá)系統(tǒng)，主要用于穿墻探測(cè)以及災(zāi)后救援，該系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是雷達(dá)主機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生、發(fā)射、接收等功能；另一部分是計(jì)算機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)下發(fā)、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等功能，通過(guò)USB接口與雷達(dá)主機(jī)連接。

圖3 拱蓋凈空收斂變化曲線

上部土體開(kāi)挖一定距離后，進(jìn)行下部土體開(kāi)挖時(shí)，凈空收斂也有一個(gè)迅速上升的臺(tái)階，但是隨著下部土體逐步向前開(kāi)挖，凈空收斂逐步趨于穩(wěn)定。

3.2.3 車(chē)站下部側(cè)壁的水平凈空收斂

由于車(chē)站高度較大，下部土體開(kāi)挖分兩部，從圖4的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，上半部分土體開(kāi)挖時(shí)凈空收斂逐步增加，在下半部分土體開(kāi)挖時(shí)收斂有一個(gè)明顯的臺(tái)階陡降，說(shuō)明上半部分土體開(kāi)挖后，圍巖變形的一定量都施加到了下半部分土體上，當(dāng)下半部分土體開(kāi)挖時(shí)，這部分變形得到了迅速的釋放。

圖4 車(chē)站下部側(cè)壁水平凈空收斂變化

3.3 沉降分析

3.3.1 地表沉降

對(duì)開(kāi)挖各工序模擬時(shí)的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，如表2所示。拆除施工引起的地表沉降量最大，為9.42 mm，開(kāi)挖中導(dǎo)洞引起的地表沉降量次之。由此可見(jiàn)，在施工環(huán)節(jié)的控制上，臨時(shí)支撐的拆除時(shí)機(jī)和拆除方式需要通過(guò)多方討論，以有效降低支撐拆除引起的地表沉降量；而中導(dǎo)洞開(kāi)挖作為關(guān)鍵施工工序，需要合理組織開(kāi)挖施工，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和既定施工方案做好各類(lèi)支護(hù)，降低中導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的地表沉降[9]。

表2 地表沉降監(jiān)測(cè)值

3.3.2 拱頂沉降

根據(jù)模擬分析，由于采用了分部導(dǎo)洞開(kāi)挖，圍巖變形在不同導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)都得到了一定程度的釋放，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)到的拱頂變形量最大值為5.5 mm，相對(duì)較小。這表明初支拱蓋法把土體總的變形分配在了不同的階段，降低了單個(gè)施工階段的總體變形量，拱蓋地施工完成能夠?yàn)楹罄m(xù)下放土體施工提供安全的作業(yè)空間。

4 開(kāi)挖施工參數(shù)優(yōu)化

4.1 縮短開(kāi)挖進(jìn)尺

由數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，拆除臨時(shí)支撐和中導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的地表沉降量占總沉降量的80%以上，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化是十分必要的。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析，結(jié)合地質(zhì)情況和設(shè)計(jì)單位意見(jiàn)，擬定實(shí)際施工時(shí)拱蓋完成6 m后才能拆除下放的臨時(shí)支撐并開(kāi)挖中導(dǎo)洞，后續(xù)形成流水作業(yè)。

優(yōu)化后的施工方案再次進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果顯示，優(yōu)化后的地表沉降量相比優(yōu)化前減少了3 mm，表明了減小進(jìn)尺可以更好地增加施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性，降低總體施工沉降。

4.2 增加初支剛度

除考慮縮小開(kāi)挖進(jìn)尺外，同樣有人也建議采用增加初支剛度來(lái)控制開(kāi)挖變形，為此，采用增加兩倍后的初支剛度對(duì)原方案進(jìn)行有限元模擬，結(jié)果顯示，增加初支剛度后，地表沉降量降低了2 mm，表明增加剛度也能有效控制施工變形。建議后續(xù)施工采用縮小進(jìn)尺和增加剛度相結(jié)合的方式進(jìn)行。

5 施工變形監(jiān)測(cè)分析

5.1 初支拱頂沉降

在施工時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求對(duì)多個(gè)斷面進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，考慮到數(shù)據(jù)采取的隨機(jī)性，本文以DK36＋954的斷面數(shù)據(jù)為例，對(duì)初支沉降監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析(見(jiàn)表3)。

表3 典型斷面各施工步序沉降監(jiān)測(cè)

從表3可以看出，導(dǎo)洞和拱頂沉降在施工前期的變形量相對(duì)較大，說(shuō)明原始地層的平衡在遭到破壞后，迅速釋放能量，導(dǎo)致變形出現(xiàn)陡變，后期隨著開(kāi)挖的推進(jìn)，變形逐漸趨于平緩，最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。左、右導(dǎo)洞最先開(kāi)挖，其對(duì)原始地層的影響也最大，左右導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的沉降量占總沉降量的83.10%，說(shuō)明左右導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)需要做好加固措施，減少開(kāi)挖初期變形，為后期變形控制提供一定的余量。

5.2 大拱蓋部分拱頂沉降

現(xiàn)場(chǎng)不同斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，各斷面的支撐拆除期間，拱頂沉降變形整體趨勢(shì)較為相似，本文以典型斷面DK36＋974部位變形為例，對(duì)大拱蓋部分沉降變形進(jìn)行分析，具體變形情況見(jiàn)圖5。

圖5 拱蓋拱頂?shù)湫蛿嗝娉两禃r(shí)態(tài)曲線

從圖5可以看出，拱蓋施工完成后，拱頂仍存在一定的沉降量，沉降量最大值僅為3.3 mm，發(fā)生于拱蓋的中部[10]，相對(duì)較小。這表明大拱蓋法施工時(shí)拱蓋的安全度是可靠的，能夠滿足下部土體開(kāi)挖后和后期二襯結(jié)構(gòu)安全施工的需要。

5.3 地表沉降

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在車(chē)站施工上方地表按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置。地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

地表沉降斷面多，監(jiān)測(cè)量也很大，數(shù)據(jù)分析處理復(fù)雜，本文根據(jù)實(shí)際情況，以DK36＋994的橫斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，對(duì)施工期間的地表變形情況進(jìn)行分析[11]。從圖7中可以看出該斷面地表沉降量最大的點(diǎn)為DK36＋994－04，表4列出了該點(diǎn)不同施工階段的變形情況。

圖7 地表沉降典型斷面歷時(shí)曲線

表4 地表沉降分析

從表4分析得出，實(shí)際施工期間左右導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的沉降量占總體沉降量的13.80%，而中導(dǎo)洞開(kāi)挖和拆除臨時(shí)支撐引起的沉降量分別占總體沉降量的25.46%和47.65%[12]，說(shuō)明中導(dǎo)洞開(kāi)挖和拆除臨時(shí)支撐是大拱蓋法施工的關(guān)鍵工序，這與有限元分析的結(jié)果較為契合。因此，在臨時(shí)支撐拆除和中導(dǎo)洞施工時(shí)在加強(qiáng)支護(hù)的同時(shí)，也要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，做到監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)反饋，及時(shí)為后續(xù)施工提供參考。

6 結(jié)論

初支拱蓋法地鐵車(chē)站施工由于開(kāi)挖斷面較大，會(huì)引起較大的各種變形，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)各開(kāi)挖工序引起的變形進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了開(kāi)挖優(yōu)化措施，取得了良好的效果，最終結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，形成以下結(jié)論:

(1)數(shù)值模擬可以在開(kāi)挖之前提前獲取各開(kāi)挖步序的關(guān)鍵點(diǎn)，為后期施工時(shí)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的優(yōu)化和改進(jìn)提供了可能，是地下工程施工之前可以有效預(yù)演施工過(guò)程的有力助手。

(2)縮短開(kāi)挖進(jìn)尺和增加初支剛度能夠有效地減少施工擾動(dòng)，增加施工過(guò)程中周邊巖體的穩(wěn)定，在初支拱蓋法施工時(shí)采取該方法可以很好地控制施工變形，保障結(jié)構(gòu)安全。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，拆除臨時(shí)支撐和開(kāi)挖核心土體引起的地表累計(jì)沉降量占地表總沉降量的47.65%，施工中要格外加強(qiáng)控制。