北京地铁6号线朝阳门站导洞暗挖施工数值模拟研究

苏会锋，刘维宁，彭智勇

(1.山东科技大学 资环学院 交通系，山东 青岛 266510;2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

1 基本概况

北京地铁6号线朝阳门站位于东二环朝阳门桥西侧，在朝阳门内大街与豆瓣胡同交叉路口下方，与既有地铁2号线朝阳门站换乘。车站沿朝阳门内大街呈东西向设置，路口四角分别有层高12至23层的高层建筑，朝阳门内大街邻近环岛路下建有一条过街通道。车站东端为朝阳门立交桥及既有2号线朝阳门车站。车站周边道路情况复杂，朝阳门内大街、东二环路及东二环西侧辅路交通流量非常大，属重要的交通枢纽区。

车站为三跨两柱双层结构，最大宽度为22.35 m，高度为16.10 m。剖面上导洞分为上下2排共8个导洞，在先开挖导洞基础上，进行车站的开挖。导洞边缘最大宽度为27.10 m，最大高度为17.30 m。沿车站方向有多条管线，受影响的主要有8条管线，这些管线距离车站最近竖向距离为4.17 m，最远水平距离为14.00 m左右。图1为车站的断面图。

图1 6号线朝阳门站剖面(单位:mm)

车站暗挖施工拟采用洞桩法，即先开挖8个导洞以分别施作底纵梁、冠梁、边桩和中柱，而后施作顶拱;在由顶拱、冠梁及边桩、中柱组成的板、梁、柱支撑体系下再开挖车站主体，并施作车站中板和底板。由于导洞数量多，开挖土方量巨大，开挖中会形成群洞效应［1］，导洞施工的好坏关系到整个车站建设的成败。

2 三维有限元数值模型

2.1 模型与参数

根据朝阳门站的地质勘察报告、车站结构及施工方案设计图纸和周边环境等资料，对朝阳门站洞桩法施工，车站群洞效应及对周围环境的影响进行模拟研究，重点考虑车站先施工上导洞方案与先施工下导洞方案的优劣。模拟采用目前先进的MIDAS/GTS软件进行。

在MIDAS/GTS中，建立三维正交坐标系，以车站中心地表为坐标原点，顺线路前进方向为Y轴，选取模型范围为X×Y×Z=160 m×60 m×60 m，图2为导洞开挖几何模型。由于朝阳门站没有实测的地表沉降数据可依，因此，根据车站勘察报告和北京地铁类似洞桩法工程结果［2-5］及对地表沉降最大可能值的经验判断［6-7］，初步确定模型计算参数后，通过反复试算确定模型中最后的计算参数。

模型中，土体采用实体单元模拟，导洞初支采用板单元模拟，管线初支采用板单元模拟且考虑与土体变形协调而未设置接触面。导洞上方的小导管注浆加固通过注浆加固体来模拟，选取注浆加固厚度为0.5 m。导洞初支、管线初支采用线弹性本构模型，土层采用摩尔—库伦(M-C)模型。根据地质勘察资料，将地层简化为5层。荷载考虑了自重荷载和地面超载。

图2 导洞与管线几何模型空间关系前视图

2.2 模拟方案

分别计算了先开挖上导洞，待上导洞贯通后再开挖下导洞和先开挖下导洞，待下导洞贯通后再开挖上导洞的两种施工方案，通过地表变形和管线变形的结果来进行方案对比。

方案一:先开挖上导洞，在每排导洞中采用跳挖错距的方式，即先开挖6 m导洞1后，开挖导洞3，滞后6 m开挖导洞4，接着滞后6 m开挖导洞2。每次开挖进尺为3 m，导洞初支滞后开挖土体一步施作。

方案二:先开挖下导洞，同样采用跳挖错距的方式，其余类同第一种方案。

3 数值计算结果分析

3.1 地表竖向变形

选取Y=30 m断面和X=0断面地表来比较地表变形量。

1)上导洞/下导洞贯通后，两种施工方案的选取断面地表变形曲线见图3。Y=30 m断面内两种施工方案均形成沉降槽，且沉降槽中心均位于导洞2和导洞3之间的地表;方案一的沉降槽宽度和沉降值均较大;X=0断面地表显示在模型纵向范围内发生均匀的地表沉降，方案一的沉降值较大。

2)全部导洞贯通后，两种施工方案的选取断面地表变形曲线见图4。Y=30 m断面内两种施工方案均形成沉降槽，且沉降槽的形状基本相同;X=0断面地表在模型纵向范围内均发生地表沉降，且两种施工方案引起的地表沉降接近。

为清楚地显示导洞开挖对地表变形及管线位移的影响，方案一选取8个典型的施工步骤:①导洞5开挖3 m进尺;②导洞5开挖至中部;③导洞5贯通;④下导洞贯通;⑤导洞1开挖3 m进尺;⑥导洞1开挖至中部;⑦导洞1贯通;⑧全部导洞贯通。方案二同样选取了8个相似的施工步骤。

在两种施工方案中，各个开挖步骤的(X=0，Y=30 m，简称断面1)断面相交线上的地表点的沉降值和(X=0，Y=0，简称断面2)处地表点的沉降值统计列于表1。

图3 上导洞、下导洞贯通后选取断面地表变形曲线

图4 全部导洞贯通后选取断面地表变形曲线

表1 地表点(X=0，Y=30 m)的沉降值统计

从各开挖步骤的Y=30 m断面地表变形曲线图中可以总结出，沉降槽的中心基本上位于点(X=0，Y=30 m)处;各个典型开挖步骤下，地表沉降槽的形状略有不同，方案二的沉降槽宽度较方案一的大，且方案二的沉降值基本上大于方案一的沉降值，两种方案的最终沉降槽形状基本相同。从表1中看出，两种方案的地表最终沉降值相同，上导洞、下导洞贯通引起的地表沉降约占全部导洞贯通引起的地表沉降的50%左右。

从各个开挖步骤的X=0断面地表变形曲线图中可以看出，沉降最大值点往往位于点(X=0，Y=0)处;虽然各个典型开挖步骤下地表沉降纵向形状和沉降值略有不同，但地表沉降纵向形状的趋势和最终地表沉降纵向形状基本相同。从表1中看出，两种方案的地表最终沉降值相同，上导洞、下导洞贯通引起的地表沉降约占全部导洞贯通引起的地表沉降的50%左右。

另外，从各开挖步骤的X=0断面地表变形曲线图中还可以发现，导洞开挖会造成地表沉降纵向影响，其影响范围大致为开挖面的纵向前/后方约12～18 m范围内，且方案二的影响范围略大。从地表竖向变形方面对比，在施工过程中，方案一略优于方案二。

3.2 管线竖向变形

选取8根管线的底部纵剖面来分析管线的变形。

8个典型施工步骤中，以导洞开挖过程中管线6的竖向位移为例，曲线图见图5。

方案一，管线6在“导洞1开挖至中部”、“导洞1贯通”和“导洞5开挖至中部”的施工阶段时会产生沿管线纵向较大的差异沉降，管线的最大斜率为0.367 mm/m;管线6的最大沉降量发生在“全部导洞贯通后”阶段，最大沉降量为－16.03 mm。

图5 管线6竖向位移曲线

方案二，管线6在“导洞5开挖至中部”、“导洞5贯通”、“导洞1开挖至中部”和“导洞1贯通”的施工阶段时会产生沿管线纵向较大的差异沉降，管线的最大斜率为0.395 mm/m;管线6的最大沉降量发生在“全部导洞贯通”阶段，最大沉降量为－16.48 mm。

将两种施工方案各条管线的最大沉降斜率和最大沉降量分别列于表2。

表2 管线最大沉降斜率、沉降量统计

对比两种施工方案的管线差异沉降情况，位于车站上方而差异沉降较大的管线5和管线6，方案二引起的管线的差异沉降大于方案一引起的管线的差异沉降;对比两种施工方案的管线的最大沉降情况，位于车站上方而沉降值较大的管线4、管线5和管线6，方案一引起的管线的最大沉降小于方案二引起的管线的最大沉降。故从管线竖向位移方面对比两种施工方案的优劣，建议采用方案一即先开挖上导洞方案。

3.3 地层沉降竖向分布

两种施工方案中，在各施工步骤中，地表至拱顶沉降曲线基本上呈现随埋深而沉降值逐渐增大的趋势;对于全部导洞贯通时，导洞2顶部地表的沉降值是导洞2拱顶的沉降值的76%(先开挖上导洞方案)和87%(先开挖下导洞方案)。所以，从埋深对于地面沉降的影响方面对比两种施工方案的优劣，建议采用方案一即先开挖上导洞方案。

4 导洞开挖顺序建议

综合上面所述，从地表竖向变形、管线竖向变形、地层沉降竖向分布等方面进行对比分析，建议采用先开挖上导洞方案。

4.1 导洞开挖分析

1)无论先开挖下导洞还是先开挖上导洞，8个导洞施工完成后，地面最大沉降值基本相同;下导洞拱顶的最大沉降值(22.1 mm)小于上导洞拱顶的最大沉降值(31.5 mm)。因此，施工过程中应重点控制上导洞的开挖与支护，避免在扰动后土层中开挖上导洞是非常必要的，从控制拱顶沉降方面考虑，建议采用先开挖上导洞施工方案。

2)在控制导洞开挖对地面纵向沉降影响、管线变形及地层沉降竖向分布影响等方面，先开挖上导洞方案略优于先开挖下导洞方案。综合分析后，建议采用先开挖上导洞施工方案。

3)先开挖上导洞方案时:上导洞开挖完成后，下导洞开挖时引起上导洞底最大沉降量4.8 mm。因此，上导洞开挖时适当整体上抬、预留上导洞初支结构整体下沉降量是非常必要的。

4)导洞开挖时，各典型开挖步骤下地面沉降纵向形状范围和沉降值略有不同，但大致影响范围为开挖面的纵向前/后方约12～18 m。因此，有条件时建议各导洞前后错开距离不小于10 m。

4.2 管线变形分析

通过数值模拟分析，建议在本站暗挖施工前，对沉降较大的污水管进行永久改移或临时改移，确保该地区污水管网系统正常运营及地铁工程的安全。

数值分析结果可以定性地反映出施工过程中结构的位移和应力响应。数值分析虽不能全面地模拟出施工中的各种细部工程措施，但可以真实地反映其变化趋势以及不同方案之间的差异。

［1］邓少军，高世军，阳军生.扩挖施工引起的群洞效应分析［J］.中国科技信息，2007(8):37-39.

［2］朱泽民.地铁暗挖车站洞桩法(PBA)施工技术［J］.隧道建设，2006，26(5):63-65，100.

［3］石坚，丁伟，赵宝.隧道开挖过程的数值模拟与分析［J］.铁道建筑，2010(2):21-23.

［4］张美琴.分离岛式暗挖车站的洞桩法结构设计［J］.隧道建设，2006(4):32-36.

［5］郭克诚，唐珏凌，陈磊，等.深圳地铁5#线兴东站深基坑围护结构工程施工技术［J］.铁道建筑，2010(3):43-45.

［6］王新征.既有铁路下浅埋暗挖隧道地表沉降的控制与监测［J］.铁道建筑，2008(11):32-34.

［7］梁睿.北京地铁隧道施工引起的地表沉降统计分析与预测［D］.北京:北京交通大学，2007.