单跨一次扣拱暗挖技术数值模拟研究

韩　硕，宋月杨,孙明志

(1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州　121001；2.辽宁省锦州市市政工程总公司，辽宁 锦州　121000；3.吉林大学 交通学院，吉林 长春　130022)



单跨一次扣拱暗挖技术数值模拟研究

韩硕1，宋月杨2,孙明志3

(1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州121001；2.辽宁省锦州市市政工程总公司，辽宁 锦州121000；3.吉林大学 交通学院，吉林 长春130022)

摘要：文章针对长春地铁解放大路站单跨一次扣拱暗挖风道工程，运用数值模拟方法，采用有限差分软件FLAC 3D，分析研究单跨一次扣拱暗挖逆作风道对工程的适用性，并对导洞开挖顺序进行优化分析，从而提出最优施工方案，指导实际工程施工。结果证明，该研究具有一定的实际意义，可为同类工程提供参考依据。

关键词：一次扣拱;暗挖逆作;地铁风道;FLAC 3D软件

0引言

一次扣拱暗挖逆作法最先在北京地铁黄庄站修建时提出，这是一种新的修建大型地下建筑工程的暗挖工法，克服了传统CRD和PBA两类暗挖法存在的若干问题，可以一次形成完整的稳定受力结构，减少施工工序和结构受力转换次数，增强结构施工期间的稳定性，确保结构安全[1-4]。

目前，国内已有多座地铁车站的主体工程运用本工法修建，证明此工法的可靠性。但是，对于单跨一次扣拱法修建地铁风道的实际案例及相应研究都相对较少，本文针对具体工程实例，通过数值模拟方法，采用大型有限差分软件FLAC 3D研究单跨一次扣拱暗挖逆作法对本工程的适用性，并对不同的施工方案进行优化分析[5-8]。

1工程概况

长春地铁解放大路站位于人民大街与解放大路交汇处，是地铁1号线和2号线换乘车站，区间配有联络线和单渡线。1号线车站主体为岛式站台，标准双层三跨拱顶直墙结构，采用一次扣拱暗挖逆作法施工，暗挖车站主体总长为235.6 m，覆土为8.8～9.8 m。2号线车站主体为侧式站台，标准双层双跨拱顶直墙结构，采用6导洞PBA工法施工，暗挖车站主体长为206.7 m，覆土为7.5～9.5 m。

本工程范围内地层由第四系全新统人工填土层、第四系中更新统冲洪积粘性土和砂土、白垩系泥岩组成；地层存在3层地下水，第1层为孔隙性潜水，第2层为浅层承压水，第3层为岩石裂隙水，无稳定地下水位。

解放大路站1号风道原设计采用单跨一次扣拱暗挖逆作法施工，上下导洞均采用双侧壁导洞法，洞室开挖前施作超前管棚及小导管注浆加固地层，导洞开挖完成后一次性施做边桩顶拱，较早地形成完整稳定的受力结构，风道高度为20.8 m，最宽处为15.3 m。具体开挖工序如图1所示。

图1　单跨一次扣拱暗挖风道施工步骤

2数值模拟方案

数值模拟采用FLAC 3D有限差分软件，该程序自美国ITASCA公司推出后，已成为目前岩土力学计算中的重要数值方法之一[9]。

本工程地层材料采用摩尔-库伦模型，根据工程实际地质情况，简化为3个土层。初支及二衬均采用实体单元模拟，地层和材料的应力、应变均在弹塑性范围内变化，各材料的力学参数根据土工试验结果、现场原位实验数据及当地经验综合确定，选取情况见表1所列。将材料取为弹性材料，运行平衡后将材料改成摩尔-库伦材料计算初始应力，开挖过程中不考虑地下水的影响。小导管注浆及管棚等超前支护简化为2 m厚的注浆加固层,考虑到边界效应，模型取宽为60 m，高为50 m，纵向取单位长度。施工过程根据工程实际分8个步骤模拟。模型如图2所示。

表1　模型物理力学参数

图2单跨一次扣拱暗挖风道模型图

3结果分析

3.1施工过程模拟分析

洞室开挖对周边围岩产生扰动，造成应力释放，土体变形将引起地表沉降，由于地表沉降便于监测，所以为分析与动态监测开挖洞室稳定性的重要数据[10]。

本工程单跨一次扣拱暗挖逆作风道的数值模拟，根据具体施工方案分8个步骤模拟开挖过程，图3所示为施工完成后最终沉降云图。

地表监测点沿着中轴线对称布置9个，每个间隔5 m，即最远监测点1、9距离中心监测点5有20 m。图4所示为各施工步骤下地表沉降变化曲线；图5所示为各地表监测点沉降历时曲线。

图3　施工完成最终沉降云图

图4　各施工步骤地表沉降曲线

图5　各监测点沉降历时曲线

由于本工程是对称开挖，由图4所示沉降曲线沿地表中线向两边成凹槽型分布。导洞开挖过程产生的地表沉降占总沉降的70.4%，拆初支施作二衬及其他工序占总沉降的29.6%，可见导洞开挖方法和顺序的选择对地表总沉降的控制有重要影响。地表最大沉降值为28.1 mm，满足控制要求。

3.2导洞开挖顺序优化分析

本工程采用的单跨一次扣拱暗挖逆作法有上下2层导洞，因为导洞开挖对地表沉降有重要影响，所以本文通过数值模拟法，研究最优化的导洞开挖顺序，将导洞开挖顺序分为“先上后下”与“先下后上”2种方案，其他条件固定，2种工况上下洞室均采用双侧壁导洞法，主体暗挖逆作施工。图6所示为2种不同工况下地表沉降曲线。

比较2种导洞开挖顺序在导洞完成后和二衬完成后的沉降曲线，“先下后上”工法优于“先上后下”工法，但两者差距在5%以内。

对比2种方案，其塑性区云图如图7所示。

图6　不同开挖顺序地表沉降曲线

图7　2种方案施工完成塑性区对比

比较2种工序塑性区分布，可看出先开挖上部导洞，再开挖下部导洞，会加大上侧导洞周围塑性区的分布范围，而先开挖下部导洞，待开挖下部导洞对上侧覆土的扰动基本稳定后，再开挖上部导洞有利于控制塑性区的分布。从施工完成后的塑性区分布上，“先下后上”工序也明显优于“先上后下”工序。因此，解放大路站1号风道施工应优先选择“先下后上”的导洞开挖顺序。

4结束语

本文通过数值模拟法分析了单跨一次扣拱暗挖逆作法对长春地铁解放大路站的适用性，结果表明，此工法施工完成后，地表最大沉降为28.1 mm，说明此工法在长春的地质条件下施工，可以较好地控制地表沉降。

本文通过对单跨一次暗挖逆作法导洞开挖顺序进行优化分析，综合各种因素认为应优先选择“先下后上”的导洞开挖顺序。

〔参考文献〕

[1]黄美群.一次扣拱暗挖逆作法修建地铁车站新技术[J] .都市快轨交通，2009，22(6)：66-70.

[2]张梅.地铁车站暗挖逆筑法设计施工技术研究[D] .成都：西南交通大学,2002.

[3] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2005.

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[5]Yuan Y, Liu W N, Ding D Y, et al. Three-Dimensional Numerical Analysis on Heading Construction of Metro Station by Drift-PBA Method [J].Advanced Materials Research,2011(243):3423-3426.

[6]Hou Y M,Wang J H,Zhang L L.Three-dimensional numerical modeling of a deep excavation adjacent to shanghai metro tunnels[M].Computational Science-ICCS 2007.

[7]Xianguo C, Bo G. 2D FEM Numerical simulation for closely-spaced parallel tunnels in metro[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002,9:1330-1334.

[8]Li Z, Zeng Y, Liu G.Numerical simulation of displacement transfer law of excavation adjacent metro station[J].Rock and Soil Mechanics,2008(11):3104-3108.

[9]彭文斌.FLAC 3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[10]洛建军，张顶立，王梦恕,等.浅埋暗挖车站施工地表沉降实测分析[J].铁道建筑技术，2006(5)：1-4.

收稿日期：2016-03-14；修改日期：2016-03-18

作者简介：韩硕(1988-)，女，辽宁北票人，硕士，辽宁工业大学助教．

中图分类号：U231.3

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0257-03