模擬云計算在地鐵建設中的運用

楊秀才

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽 550000）

0.引言

地鐵暗挖大跨度車站開挖是比較復雜和系統化的，在工程實施時會受到一系列要素的制約，需要根據具體工程場地的實際現狀，思考與探究開挖方法，不斷地調整與優化開挖技術，最終提高地鐵暗挖大跨度車站的開挖高效性與安全性[1]。

1.工程概況

貴陽地鐵2號線一期三橋站，位于貴遵高速公路與三橋北路交叉口東南象限內，沿貴遵高速公路呈南北布置。車站結構由明挖段、暗挖段兩部分組成，采用地下4層雙跨矩形框架結構，標準段寬22.3m，長118.5m，其中暗挖段長24m。該站與物業結合緊密，上蓋物業由兩棟高層建筑及一棟多層酒店組成，場地及周邊環境復雜。

2.工程地質及水文地質概況

根據區域地質資料、現場地質測繪及鉆探結果，場地范圍內巖土層自上而下主要依次為人工填土、強風化泥質白云巖夾泥質灰巖以及中風化泥質白云巖夾泥質灰巖。素填土層（Qml），為碎石及黏土組成，結構松散～稍密，厚度1.7m～10.3m；基巖為三疊系中統松子坎組（T2sz）泥質白云巖夾泥質灰巖，為薄至中厚層。

場區地下水主要有孔隙水及基巖裂隙水以及巖溶管道水3種類型，富水性較高?？紫端饕x存于第四系松散覆蓋層內，主要接受大氣降雨補給，局部為上層滯水；基巖溶裂隙水含量較豐富，賦存于碳酸鹽巖的風化裂隙內，接受大氣降雨及上游地表及地下水補給。巖溶管道水主要賦存于白云巖溶穴或巖溶管道內，接受大氣降雨的入滲補給以及地表徑流通過巖溶洼地、落水洞等集中注入補給。

巖溶、地下水、基巖順層滑動等不良地質對施工影響較大，暗挖車站斷面空間大，局部上覆巖體單薄，圍巖穩定性差，易出現開挖隧道洞頂地面塌陷。

3.設計施工方案

三橋站暗挖段設計采用雙側壁導坑法施工，施工步驟如下。

雙側壁導坑法又稱雙側壁導洞法或眼睛工法，可分為主次開挖、裝碴運輸、初期支護、施工監測和二次支護等主要施工內容。利用2個中隔壁將整個隧道大斷面分成4個小斷面進行施工，左右導洞先行，中間斷面緊跟其后，初期支護仰拱成環后，拆除兩側導洞臨時支撐，從而形成全斷面，兩側導洞皆為倒鵝蛋形，有利于控制拱頂下沉。由于三橋站暗挖段地下施工環境屬于粘土層，在進行實際開挖導坑時，需要盡最大程度減少對圍巖的擾動，避免應力集中導致結構不穩。初期支護需要根據實際情況，采用格柵鋼架、掛網、噴混凝土柔性支護體系，及時施作使斷面及早閉合，充分利用圍巖的自承能力，防止圍巖變形。在此基礎上，需要利用云計算技術建立一套完整的圍巖支護結構監控量測系統，實現信息化施工管理，隨時掌握施工過程中的動態變化，及時調整施工工藝和設計參數，確保施工安全。

從施工步驟方面看：第一，需要拱頂小導管注漿是，先開挖側洞①②室，施作初期支護及中隔壁、中隔板。①號洞室超前③號洞室3m～5m，開挖洞室③土體，施作初期支護及中隔壁和中隔板；第二，拱頂小導管注漿，開挖洞室④⑤，③號洞室超前④⑤號洞室15m～20m，施作初期支護及中隔壁和中隔板。④⑤號洞室超前⑥號洞室3m～5m，開挖洞室⑥號土體，施作初期支護及中隔壁隔板；第三，拱頂小導管注漿，開挖洞室⑦⑧，施作初期支護及中隔板，⑥號洞室超前⑦⑧號洞室20m～30m；第四，開挖洞室⑨，洞室⑦⑧、⑨之間掌子面錯開3m～5m，施作初期支護；第五，需要根據實際監測情況，分段截斷仰拱厚度范圍內的中隔壁，剔除處初支混凝土及鋼筋網，保留格柵鋼筋100mm長在二襯范圍內，鋪設仰拱防水層，施作二次襯砌，當達到設計強度75%后，頂緊豎向臨時支撐與二襯結構，在此基礎上，分段局部破除臨時支撐，一般情況下縱向為3m～6m，敷設防水層、綁扎鋼筋、臺車就位澆筑拱部邊墻及拱部混凝土，形成封閉二襯結構。

在應用雙側壁導坑法施工過程中值得注意的是，側壁導坑形狀需要近似于橢圓形斷面，導坑斷面寬度需要調整為整體斷面的1/3，在土方開挖過程中，需要利用人工與機械有機結合的開挖形式，距離輪廓邊緣線30cm～40cm設置修面層，必須要采用人工開挖才能保證開挖輪廓線的圓順。為了確保鋼架基礎穩定，需要在工序變化處設置鎖腳鋼管，且必須對其進行注漿，同時當各個洞室開挖后需要及時準確地進行初支及臨時支護，并盡早封閉成環。拆撐對初期支護內力影響較大，需要嚴格控制拆撐長度，相應的圍巖塑性區呈現經典蝶形，最大發展深度在拱腳和墻腳位置，在施工過程中應該加強對掌子面的監測，必要時采取相應措施加固掌子面。開挖后拱部鋼架與兩側壁鋼架連接是難點，在兩側壁施工過程中，需要對鋼架位置進行準確定位，確保各部鋼架架設后在同一垂直面上，能夠有效避免鋼架發生扭曲現象，如圖1所示。

圖1 三橋站暗挖段雙側壁導坑法施工

4.初期支護結構模擬計算及位移、應力云圖

為確保開挖過程中的安全并合理地分區、分段拆除支撐，利用初期支護和圍巖自穩的時效性進行二襯結構的施工，在開挖前委托專業的單位根據施工現場并結合開挖過程中揭露的掌子面實際圍巖情況對暗挖段的開挖工法分步進行數值模擬，以便在施工過程中進行有效管控[2]。

4.1 初期支護結構計算模型

計算采用專門求解巖土力學問題的大型商用Midas-GTS有限元分析軟件。其運用節點位移連續條件，對連續介質進行大變形分析，基于顯式差分法求解運動方程和動力方程，由于采用混合離散技術，從而使模擬塑性破壞與塑性流動更精確。

計算模型的側面邊界分別受到X軸方向位移約束，模型的地層下部邊界受到Y軸方向的位移約束。斷面最大開挖寬度25.75m，最大開挖高度20.95m，取地面以下70m，寬度80m范圍內進行計算。初期支護采用C25噴射混凝土厚330mm，型鋼鋼架采用工25b型鋼，臨時鋼架采用工22a型鋼鋼架，拱頂設φ159@400大管棚。整個計算模型采用平面應變建模對施工階段進行模擬。模型計算出各分布開挖步驟的位移、應力情況，模擬計算圍巖參數取值如表1所示。

表1 圍巖計算參數取值

4.2 開挖過程中X方向及Y方向位移云圖（見圖2和圖3）

圖2 X方向位移云圖

圖3 Y方向位移云圖

根據GTS模擬計算結果顯示：X方向最大正位移出現在邊墻處，為4.2mm，最大負位移出現在拱頂處為-4.2mm；其中上臺階開挖完成后拱頂最大位移為2.945mm。

根據GTS模擬計算結果顯示：Y方向最大正位移出現在仰拱處，為11.2mm，最大負位移出現在拱頂處，為17.8mm，其中上臺階開挖完成后拱頂最大位移為13.1mm。

4.3 開挖過程中X方向和Y方向圍巖應力云圖（見圖4和圖5）

圖4 X方向圍巖應力云圖

圖5 Y方向圍巖應力云圖

根據GTS模擬計算結果顯示：X-X方向圍巖最大應力為299kN/m2，Y-Y方向圍巖最大應力為2481kN/m2。

5.結論及建議

根據數值模擬計算分析結果，開挖工法最大風險為拱頂沉降，拱頂沉降累計為17.8mm，比原設計拱頂沉降16.2mm多1.6mm。其中第7步開挖過程中（中導洞上臺階開挖）拱頂最大沉降為8.7mm。根據《城市軌道交通工程技術監測規范》9.2.3條相關內容，并結合三橋站周邊環境情況，三橋站暗挖段拱頂沉降量按20mm控制，開挖工法理論上可以確保后期施工安全。但第七步開挖過程中沉降較大，應嚴格按照施工圖及相關規范要求進行施工，同時應及時架設臨時豎撐和橫撐，確保隧洞施工過程中安全[3]。

通過模擬計算對設計的安全性進行檢算分析，對后期的施工開挖步距控制、監控量測、臨時支撐拆除、二襯施工長度控制等起到了很好的指導作用，在復雜條件下的大跨度隧道施工中可以推廣應用。