地鐵暗挖車站施工過程力學特征分析

馮健

摘要：地鐵車站的施工通常有著開挖尺寸大、圍巖受力情況復雜等特點，故容易出現塌方。為了進一步掌握地鐵車站施工時圍巖的受力變形情況，做好支護措施，保證施工的順利和安全，通過數值分析和現場監測的方式對隧道圍巖、支護結構的受力情況進行分析。研究結果表明：施工過程中，監測面圍巖主應力的變化趨勢為先快速提高并超過初始應力，達到最大值后逐漸降低，最后基本保持不變。①部導洞開挖對拱部圍巖應力的變化影響較大，②、③部施工對其影響可忽略不計。拱部各測點K值的變化規律為先降低至最低值，各位置開挖并安裝初期支護后K值開始提高，再逐漸降低后保持穩定。開挖⑤a位置并安裝初期支護后，邊墻測點K值減小至極限狀態附近，之后有小幅度提升，最終趨于穩定。邊墻與其他部位相比K值較低，支護措施需要加強。與②、③部位相比，①位置施工后沉降值占最終沉降比值較大，是隧道沉降控制的核心部分。

關鍵詞：地鐵車站；圍巖受力；數值分析；主應力；隧道沉降

0? ?引言

隨著我國經濟和城市建設的快速發展，大量人口涌入發達城市，給城市交通帶來了極大的負擔，促使地鐵建設快速[1-3]。在地鐵車站中，地鐵暗挖車站較為常見，其通常屬于大跨、淺埋隧道。

目前，已有不少研究人員對此進行了研究。徐劍波等[4]通過數值模擬和現場監測的方式，研究了典型監測斷面支護措施和圍巖的相互關系。孔超等[5]以數值模擬和模型試驗相結合的方式，研究了各工況下拱蓋的承載能力和圍巖的受力情況。賈寶新[6]以大連地鐵5號線為例，分析了盾構施工在穿過上軟下硬地層時的地表沉降規律。

為了進一步掌握地鐵車站施工時圍巖的受力變形情況，做好支護措施，保證施工的順利和安全，以實際工程為例，通過數值分析和現場監測的方式，對隧道圍巖、支護結構的受力情況進行了分析，可為相關工程提供了指導和借鑒。

1? ?工程概況

北京地鐵16號線看丹站施工方式為暗挖式，地層類型從下往上分別為微、中、強風化花崗巖層、素填土層，Ⅲ2-IV2級為圍巖等級。車站拱部開挖跨度為22.5m，高度為7.7m，其矢跨比為0.34，主體下斷面開挖高度和寬度分別為10.3m和21.2m。車站基本處在微風化巖層中，拱頂埋深為14.9～20m，單拱復合式襯砌結構為其主體結構類型。車站支護結構和施工步序如圖1所示。

2? ?數值模型

參考地質勘查報告，分析對象取隧道和4倍跨度的圍巖，將模型寬、高、厚分別設為100m、76m和45.7m，簡化處理IV2級圍巖，對其進行網格劃分，共有668512個單元和640435個節點。模型中約束底面全位移，左右面和前后前面對法向位移進行約束，不對上面位移進行約束。

選擇摩爾-庫倫模型模擬圍巖，噴射混凝土選擇實體單元進行模擬，選擇beam單元模擬格柵鋼架，cable單元模擬預應力錨桿。

為了分析施工過程中圍巖和支護結構受力變化特點，將沿隧道縱向16.5m位置設為監測斷面，并設置數據監測點。模型里每部開挖進尺設為0.8m，同時安裝立架、錨桿和噴射混凝土。模型隧道完全貫通需要288個開挖步序，支護、開挖方式和實際施工保持一致。

3? ?分析數值模擬結果

3.1? ?圍巖應力

隧道施工過程中，監測點所測圍巖主應力的變化趨勢如圖2所示。從圖2中能夠看出，當監測斷面和①位置導洞施工的距離越來越短時，拱頂測點主應力因為圍巖荷載重分布而大大增加，其余測點主應力首次影響也有小幅度的提高。拱頂大、小主應力在①位置導洞施工至監測斷面處時增大至峰值，分別為0.73MPa和0.29MPa。荷載在斷面開挖之后瞬間得到釋放，大、小主應力分別降低至0.48MPa和0.07MPa。經過斷面接著向前施工，兩主應力又表現出慢慢增大的趨勢。對于腰拱位置處應力變化趨勢和拱頂大致相同。

在隧道施工完成完全貫通后，監測點主應力基本保持不變。開挖監測斷面⑤a位置前，邊墻監測點小主應力受其它導洞影響，呈現出慢慢降低的趨勢，但大主應力提高速度較快，同時增大至初始值以上。大、小主應力在開挖至⑤a位置后，迅速降低至1.44MPa、0.13MPa。同時開挖⑨和⑦a位置導洞后，邊墻測點大主應力也迅速降低。

通過上述分析能夠得出，在施工過程中，監測面圍巖主應力變化趨勢為先快速提高，并超過初始應力，達到最大值后逐漸降低，最后基本保持不變。①部導洞開挖對拱部圍巖應力的變化影響較大，②、③部施工對其影響基本可以忽略。

3.2? ?圍巖強度儲備

通過加入圍巖強度儲備K來進一步分析圍巖的受力狀態，評判其是否處于極限破壞狀態，K值表達式如下所示：

Ｋ=σ₁-σ'₃/σ₁-σ₃（1）

式中：σ₁和σ₃分別代表大主應力和小主應力，單位為MPa。圍巖強度儲備越高，K就越大，在K值等于1時，圍巖認定為極限狀態。

監測斷面各部位圍巖強度儲備的變化規律如圖3所示。從圖3中能夠看出，在施工過程中，拱部各測點K值的變化規律為先減小到最小值。在安裝初期支護后逐漸增大，之后再慢慢減小最終基本不變。受到①部位導洞開挖的影響，圍巖小主應力僅有小幅度增大，大主應力提高程度較大。圍巖受力情況變差導致K值減小，并且距離監測斷面越近此現象就越明顯。在施工斷面①部后拱頂部位的K值減小至最低值1.54。

在設置支護措施后，拱頂圍巖大、小主應力間差值逐漸減小，K值明顯增到，并在施工至第②步時到達最大值。拱頂K值在繼續施工導洞后逐漸減小，最后基本不變。拱腰部位處的K值變化趨勢基本和拱頂相同。拱部各處K值在隧道拱部完全貫通后基本保持不變。

邊墻K值變化規律與和拱部有所差別，邊墻測點K值在⑤a位置開挖和設置初期支護后減小至極限狀態附近，之后有小幅度提升，最終趨于穩定。同時因邊墻噴射混凝土支護和預應力錨桿支護數量較少，邊墻圍巖兩主應力間差值較大，與其他部位相比K值較低，支護措施需要加強。

3.3? ?隧道位移

施工過程中監測斷面水平位移和沉降變化趨勢如圖4所示。從圖4可以看出，拱頂沉降在施工①位置前增長較快，為一條凹曲線。①位置施工后，沉降增長速度逐漸提高，沉降曲線出現拐點，沉降值此時為4.43mm，占最終沉降值的54.4%。沉降值在拱部完全貫通后達到8.32mm，占最終沉降值的98.3%，沉降最后穩定在8.46mm。

①位置導洞首次施工后地表沉降達到1.56mm，占最終沉降值的57%。地表沉降在拱部完全貫通后達到6.7mm，與最終沉降值相比占比為93.2%，最終沉降保持在7.08mm。邊墻的水平位移在整體上呈現為略微增加的趨勢，增長幅度較小。水平位移在施工斷面⑤a位置后提高到0.32mm，之后持續增加至1.71mm并保持穩定。

如圖5所示為地表沉降和凈空收斂的監測結果，從圖5能夠看出，隨著時間延長，模擬所得出的凈空收斂和沉降曲線與現場監測結果基本相同，位移均表現為先快速增長后趨于穩定的規律。

3.4? ?支護結構受力情況

對施工過程中監測斷面拱頂錨桿和拱架進行受力分析，計算得出軸力變化曲線如圖6所示。從圖6能夠看出，開挖活動對拱架軸力有較大影響，錨桿軸力基本不受影響，其中錨桿軸力和拱架軸力最終值分別為102.2kN、30.75kN。

將模擬所得結果與現場監測數據對比后發現，兩者變化規律基本一致，各位置拱架軸力在施工至監測斷面都會出現突變，而軸力基本不會發生變化。現場凌空側和圍巖側拱架軸力分別為17.93kN和12.56kN。從整體來看，拱架軸力隨著施工的進行而提高，但提高速率隨著施工的進行而慢慢減小。

4? ?結束語

為了進一步掌握地鐵車站施工時圍巖的受力變形情況，做好支護措施，保證施工的順利和安全，本文以實際工程為例，通過數值分析和現場監測的方式對隧道圍巖、支護結構的受力情況進行了分析，得出以下結論：

監測面圍巖主應力的變化趨勢為先快速提高，并超過初始應力，達到最大值后逐漸降低，最后基本保持不變。①部導洞開挖對拱部圍巖應力的變化影響較大，②、③部施工對其影響可忽略不計。

拱部各測點K值的變化規律為先降低至最低值，各位置開挖并安裝初期支護后K值開始提高，再逐漸降低后保持穩定。開挖⑤a位置并安裝初期支護后，邊墻測點K值減小至極限狀態附近，之后有小幅度提升，最終趨于穩定。邊墻與其他部位相比K值較低，支護措施需要加強。

與②、③部位相比，①位置施工后沉降值占最終沉降比值較大，是隧道沉降控制的核心部分。從整體來看，拱架軸力隨著施工的進行而提高，但提高速率隨著施工的進行而慢慢減小。

參考文獻

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[5] 孔超，高新強，等.上軟下硬復合地層初支拱蓋法圍巖變形與力學特性研究[J].巖石力學與工程學報，2020，39（S1）：2634-2644.

[6] 賈寶新，高宗賢，等.上軟下硬地層隧道盾構施工引起的地表沉降研究[J].安全與環境學報，2021，21（3）：1083-1088.