建筑物下方地铁车站中洞法施工的力学效应

汪成兵，邵 普，周 宁

(交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

随着城市地铁建设的迅猛发展，新建隧道不可避免地会下穿地面建筑物，其中地铁车站穿越地面建筑物的问题具有一定的代表性。目前对隧道下穿地面建筑物的研究主要集中在建筑物沉降预测、安全控制等方面，且多为地铁区间等小断面隧道[1-6]，对地铁车站等大断面隧道下穿地面建筑物的研究较少。

地铁车站因其开挖断面大、施工工序繁多，其施工力学效应也更加复杂，地表沉降控制相对更严格，因此采用合理的暗挖施工方法相当重要。中洞法作为浅埋暗挖法中比较常用的一种工法，在地铁车站施工中得到了广泛的应用，如北京地铁5号线磁器口车站和蒲黄榆站等均采用该工法施工。国内外诸多学者针对中洞法施工的工序优化、施工效应等进行了研究[7-11]，但对采用中洞法下穿地面构筑物施工的研究较少。本文以北京某地铁车站为工程背景，采用1∶20大比例模型试验及数值模拟方法，对地面3层框架结构建筑物下地铁车站中洞法施工时的力学效应进行研究，分析施工全过程中地表及建筑物的位移、围岩及建筑物的应力分布特征及发展规律，以期为今后类似工程建设提供参考。

1 穿越施工模型试验

1.1 工程背景

模型试验以北京某地铁车站为工程背景，车站采用复合式衬砌，初期支护喷射厚35 cm的C20早强混凝土，二衬采用C30混凝土。车站埋深13 m，宽23.86 m，高10.64 m，车站横断面如图1所示。地铁车站穿过的岩土层为粉质黏土、黏土和粉土，属Ⅵ级围岩。车站结构拱部设置超前管棚，管棚选用φ159的热轧钢管，间距500 mm，钢管内灌注水泥砂浆。管棚间及结构上部外沿采用小导管周壁预注浆，小导管选用φ32热轧钢管，长度为3.0 m。

图1 车站横断面图(单位：m)

地铁车站从1栋地面上3层钢筋混凝土框架结构建筑物的正下方穿过，建筑物高13.0 m，横断面宽31.2 m。建筑物立柱横截面的长×宽为0.7 m×0.7 m，横梁横截面的长×宽为0.7 m×0.4 m，立柱间距为7.8 m，第1层高4.5 m，第2和第3层均高4.2 m。建筑物采用条形基础，基础埋深2.0 m。

1.2 模型试验相似关系

根据试验的实际情况，确定试验几何相似比为1∶20，容重相似比为1∶1，根据相似理论推导，泊松比、应变、摩擦角的相似比均为1∶1；强度、应力、黏聚力、弹性模量的相似比均为1∶20，线荷载相似比为1∶400，质量相似比为1∶8 000。

1.3 试验装置

试验在专门制作的模型试验箱内进行。模型试验箱的长×宽×高为4.2 m×2.5 m×0.6 m。为方便观察，模型试验箱的前后面板均采用厚度为19 mm的钢化玻璃，玻璃面板的长×宽为2.0 m×1.5 m。玻璃面板的中下部预留开挖孔，开挖孔的尺寸根据试验的隧道截面确定。模型试验箱如图2所示。

图2 模型试验箱

1.4 模型材料

试验时对地层条件进行了简化，将模拟范围内的地层从力学上概化为均一介质的地层。地层力学参数依据该地铁车站工程勘察报告按照地层高度加权平均选取，超前管棚及超前小导管注浆采用提高加固圈围岩物理力学参数的方法模拟。根据设计资料，自车站起拱线至拱顶周边1.0 m范围内为围岩加固圈。最终确定的模型材料配比及其物理力学参数见表1和表2，其中喷射混凝土模型材料力学指标取30 min的实验值，二次衬砌、钢管混凝土立柱及建筑物模型材料力学指标以终凝时的实验值为准。

1.5 试验过程

表1 地层及结构模型材料配方中各材料含量

表2 地层及结构模型材料物理力学参数

按照模型材料配比配制材料，分层填入模型箱，模型制作中严格控制模型材料的密度。模型土层制作完成后，吊装建筑物模型安放在模型地表预先设定的位置。根据GB50009—2001《建筑结构荷载规范》[12]，建筑物顶层活荷载为0.5 kPa，其他层活荷载为3.5 kPa，每层楼面上所加重力荷载为2.5 kPa。为方便试验操作，对建筑物荷载进行了简化计算，即将楼面荷载及活荷载简化成均布荷载加在横梁上，将外墙重力荷载及纵梁重力荷载简化为集中荷载加在梁柱交点上。建筑物配重如图3所示，其中集中荷载及线荷载均已按照相似比进行了换算，分别为P1=P2=6.1 N，q1=52.5 N·m-1，P3=P5=21.9 N，P4=P6=6.1 N，q2=q3=105.0 N·m-1。

图3 建筑物配重

模型制作完成静置一段时间后开始试验，地铁车站施工按中洞法进行，施工顺序按照图4中标号的顺序进行。

1.6 量测设备及测点布置

围岩及建筑物位移、应力测点布置如图5和图6所示，地表沉降共布置15个测点(w1—w15)，建筑物顶部沉降共布置5个测点(w16—w20)。水平应力共布置20个测点(a01，a02，a04，a05，a07—a13，a21—a23，a26—a28，a31—a33)，垂直应力共布置15个测点(a03，a06，a14—a20，a24，a25，a29，a30，a34，a35)。地表及建筑物顶部沉降采用量程±25 mm的数显位移传感器量测，围岩应力采用量程50 kPa的微型土压力盒量测。

图4 中洞法施工过程

图5 位移测点布置示意图(单位：m)

图6 围岩应力测点布置示意图(单位：m)

1.7 试验结果与分析

通过洞室的分步开挖、临时支撑的施作与拆除、二次衬砌的分块安装，如图7所示，实现了中洞法施工全过程的试验模拟。

试验结束后，地上建筑物第1跨(按从左往右的顺序)第1层梁上靠近外侧立柱的位置及第4跨第3层梁上靠近外侧立柱产生了裂缝，如图8所示。

图7 中洞法施工过程

图8 地上建筑物裂缝

1.7.1 地表沉降

不同施工阶段地表沉降曲线(其中W8测点失效)如图9所示，图中横坐标表示从模型试验箱左边界到右边界的距离。从图9可知：距离车站中线越近的测点沉降越大，距离车站中线越远的测点其沉降越早趋于稳定；车站施工初期的中洞开挖支护期间的地表沉降最大，各测点沉降占最终沉降比例的平均值为34.4%；侧洞开挖支护期间地表沉降次之，各测点沉降占最终沉降比例的平均值为33.6%；而中洞二衬施工期间的地表沉降最小，各测点沉降占最终沉降比例的平均值为6.3%；中洞施工完成后，地表沉降主要发生在车站中线两侧0.57 m范围内，即中洞正上方；侧洞施工后，地表沉降槽宽度增加，各点沉降增大，尤其是中洞上方以外的测点，沉降增大明显；因受车站临时支撑拆除影响，侧洞二衬施工期间地表沉降较大。

图9 不同施工阶段地表沉降曲线

1.7.2 建筑物顶部沉降

不同施工阶段建筑物顶部W17—W20测点(其中W16测点失效)沉降曲线如图10所示，图中横坐标表示从建筑物左边界到右边界的距离。从图10可知：建筑物顶部沉降规律与地表沉降相同，中洞开挖支护期间沉降最大，各测点沉降占最终沉降比例的平均值为40.9%，侧洞开挖支护期间沉降次之，各测点沉降占最终沉降比例的平均值为26.0%，而中洞二衬施工期间沉降最小，各测点沉降占最终沉降比例的平均值为8.3%；在侧洞二衬施作期间，因受车站临时支撑拆除影响，建筑物沉降增加较大；在施工过程中，柱间沉降差逐渐增大；因受建筑物刚度约束影响，建筑物外侧立柱的最终沉降差最大，达3.99 mm，从而导致地面建筑物第1跨、第4跨横梁产生裂缝；W17，W18和W19测点所在立柱其相邻的两柱间的沉降差在中洞施工期间均增加较大，而最外侧的W19和W20测点所在立柱间沉降差在侧洞施工期间增加较大。因此，在实际工程施工中，应严格控制车站施工对地层的扰动，同时加强对地面建筑物沉降的监测，避免因车站施工导致地面建筑物破损。

图10 不同施工阶段建筑物顶部测点沉降曲线

1.7.3 围岩应力

不同施工阶段车站侧壁围岩垂直应力、水平应力的变化值曲线如图11所示，其中应力变化值是指施工后与施工前的应力差值。从图11可知：施工结束后，因受开挖卸荷效应及围岩应力重分布影响，侧壁附近垂直应力增加，水平应力减小；对垂直应力，中洞开挖支护期间应力变化幅度最大，中洞二衬施作期间应力变化幅度最小；而对水平应力，因测点更靠近侧洞，在侧洞开挖支护期间应力变化幅度最大，中洞开挖支护期间应力变化幅度最小；垂直应力在侧壁的影响范围大于水平应力，且垂直应力变化幅度大于水平应力。

图11 不同施工阶段侧壁围岩应力变化值曲线

图12 不同施工阶段车站顶部围岩应力变化值曲线

图13 不同施工阶段车站底部围岩应力变化值曲线

不同施工阶段车站顶部、底部围岩应力变化情况如图12和图13所示。从图12和图13可知：拱顶上方水平应力在中洞施工期间减小，在侧洞施工期间增加，且侧洞正上方的测点应力增加幅度最大；在侧洞施工期间侧洞上方垂直应力减小，侧洞外侧垂直应力增加，且侧洞上方在施工过程中垂直应力变化幅度大于侧洞外侧；因受车站开挖卸荷影响，施工后车站底部应力减小，且垂直应力变化幅度大于水平应力。

2 穿越施工数值模拟分析

2.1 计算模型的建立

数值模拟以模型试验的条件进行。计算模型中地层、结构物等的物理力学参数见表2。计算模型位移边界条件为左右边界水平位移固定、下边界垂直位移固定、上边界为自由表面。由于建筑物早已建成，建筑物及土体在重力作用下变形已经完成，假定新的变形完全是由地铁车站施工引起的。计算模型中土体按理想弹塑性体考虑，采用线性Mohr-Coulomb屈服准则。地铁车站临时支撑、初期支护均采用梁单元模拟，车站二次衬砌、建筑物均采用实体单元模拟。由此建立的数值模型如图14所示。

图14 数值模型

2.2 数值模拟结果与分析

2.2.1 地表位移

地表沉降数值模拟结果与试验结果的对比如图15和图16所示。由图15和图16可知：地表沉降历时曲线计算结果与试验结果吻合较好；与试验结果相比，地表沉降最大值模拟结果稍小，但地表沉降槽宽度模拟结果较大。在试验中，建筑物出现开裂破坏，地表沉降主要发生在建筑物区域范围内，这也是地表沉降槽试验结果比模拟结果窄的主要原因。

图15 施工过程中地表沉降历时曲线模拟结果与试验结果的对比

图16 施工结束后地表沉降曲线模拟结果与试验结果的对比

不同施工阶段地表水平位移曲线如图17所示，其中指向模型右边界为正，左边界为负。在施工过程中，地表水平位移方向均指向模型中线，位移值逐渐增加。由图17可知：地表位移最大点位于车站中线外侧约0.9 m处，靠近建筑物外侧立柱，最大水平位移达1.79 mm；因受建筑物刚度约束影响，在建筑物外侧立柱附近，地表水平位移明显减小；地表水平位移的变化规律与地表沉降相同，中洞开挖支护期间最大，占最终沉降量比例的平均值为49.8%，侧洞开挖支护期间次之，占最终沉降量比例的平均值为24.9%，而中洞二衬施工期间最小，占最终沉降量比例的平均值为9.7%。

图17 不同施工阶段地表水平位移曲线

2.2.2 初期支护的弯矩及轴力

施工完成后初期支护弯矩及轴力如图18所示。由图18可知：初期支护最大弯矩为1.01 kN·m，出现在左、右下边角，最大轴力为27.9 N，出现在初衬左、右侧下部。因此在实际施工中，应重点关注初期支护左、右下边角的结构安全性。

图18 初期支护内力

施工结束后，立柱垂直应力、横梁水平应力变化值如图19和图20所示，立柱从左往右依次编号，横梁从下往上依次编号。由图19和图20可知：立柱下部垂直应力变化值较上部大；横梁水平应力以横梁中点为对称轴呈对称状态分布，建筑物外侧的第1跨、第4跨横梁水平应力变化值比中间的第2跨、第3跨水平应力变化值大；在立柱与横梁的交叉部分，由于集中荷载的作用，立柱垂直应力、横梁水平应力出现明显的突变；施工结束后，第3根立柱垂直应力变化幅度最小，第2根立柱垂直应力变化幅度最大；第1层横梁水平应力变化幅度最大，第3层横梁水平应力变化幅度最小。

图19 立柱垂直应力变化值

图20 横梁水平应力变化值

2.2.3 塑性区

不同施工阶段围岩塑性区如图21所示。由图21可知：中洞开挖支护完成时，围岩塑性区主要分布在建筑物基础附近围岩及侧洞未开挖土体；中洞二衬施作完成时，建筑基础下方围岩塑性区向车站方向进一步发展，侧洞未开挖部分土体塑性区范围也进一步扩大；侧洞开挖支护完成时，最外侧立柱下方围岩塑性区增大；车站施工完成后，建筑物基础下方围岩塑性区发展到车站边界，车站左右侧下边角围岩出现塑性区；因车站拱部进行了超前加固，在施工过程中车站拱部未出现明显的塑性区，这也说明了超前管棚等超前加固的重要性。

图21 不同施工阶段围岩塑性区分布图

3 结 论

(1)在车站施工过程中，地表及建筑物顶部沉降、地表水平位移在施工初期中洞开挖支护期间最大，侧洞开挖支护期间次之，而中洞二衬施工期间最小。中洞施工完成后，地表沉降主要发生中洞正上方，侧洞施工后，地表沉降槽宽度增加。在侧洞二衬施工期间，因受车站临时支撑拆除影响，地表及建筑物顶部沉降增加较大。因此，在实际工程中，应严格控制车站施工对地层的扰动，尤其是临时支撑拆除阶段，同时加强变形监测工作，避免因车站施工导致建筑物破损。

(2)施工完成后，侧壁附近水平应力、车站拱底水平应力和垂直应力均减小，侧壁附近垂直应力增加。侧壁垂直应力影响范围大于水平应力，且垂直应力变化幅度大于水平应力；建筑物立柱下部垂直应力变化值较上部大，外侧横梁水平变化值比中间横梁大。

(3)中洞开挖支护完成时，围岩塑性区主要分布在建筑物基础附近围岩及侧洞未开挖土体，随着施工的进行基础下方围岩塑性区向车站方向进一步发展，车站施工完成后建筑物基础下方围岩塑性区发展到车站边界。因车站拱部进行了超前加固，在施工过程中车站拱部未出现明显的塑性区，这也说明了超前管棚等超前加固的重要性。