模拟云计算在地铁建设中的运用

杨秀才

（贵阳市城市轨道交通有限公司，贵州贵阳 550000）

0.引言

地铁暗挖大跨度车站开挖是比较复杂和系统化的，在工程实施时会受到一系列要素的制约，需要根据具体工程场地的实际现状，思考与探究开挖方法，不断地调整与优化开挖技术，最终提高地铁暗挖大跨度车站的开挖高效性与安全性[1]。

1.工程概况

贵阳地铁2号线一期三桥站，位于贵遵高速公路与三桥北路交叉口东南象限内，沿贵遵高速公路呈南北布置。车站结构由明挖段、暗挖段两部分组成，采用地下4层双跨矩形框架结构，标准段宽22.3m，长118.5m，其中暗挖段长24m。该站与物业结合紧密，上盖物业由两栋高层建筑及一栋多层酒店组成，场地及周边环境复杂。

2.工程地质及水文地质概况

根据区域地质资料、现场地质测绘及钻探结果，场地范围内岩土层自上而下主要依次为人工填土、强风化泥质白云岩夹泥质灰岩以及中风化泥质白云岩夹泥质灰岩。素填土层（Qml），为碎石及黏土组成，结构松散～稍密，厚度1.7m～10.3m；基岩为三叠系中统松子坎组（T2sz）泥质白云岩夹泥质灰岩，为薄至中厚层。

场区地下水主要有孔隙水及基岩裂隙水以及岩溶管道水3种类型，富水性较高。孔隙水主要赋存于第四系松散覆盖层内，主要接受大气降雨补给，局部为上层滞水；基岩溶裂隙水含量较丰富，赋存于碳酸盐岩的风化裂隙内，接受大气降雨及上游地表及地下水补给。岩溶管道水主要赋存于白云岩溶穴或岩溶管道内，接受大气降雨的入渗补给以及地表径流通过岩溶洼地、落水洞等集中注入补给。

岩溶、地下水、基岩顺层滑动等不良地质对施工影响较大，暗挖车站断面空间大，局部上覆岩体单薄，围岩稳定性差，易出现开挖隧道洞顶地面塌陷。

3.设计施工方案

三桥站暗挖段设计采用双侧壁导坑法施工，施工步骤如下。

双侧壁导坑法又称双侧壁导洞法或眼睛工法，可分为主次开挖、装碴运输、初期支护、施工监测和二次支护等主要施工内容。利用2个中隔壁将整个隧道大断面分成4个小断面进行施工，左右导洞先行，中间断面紧跟其后，初期支护仰拱成环后，拆除两侧导洞临时支撑，从而形成全断面，两侧导洞皆为倒鹅蛋形，有利于控制拱顶下沉。由于三桥站暗挖段地下施工环境属于粘土层，在进行实际开挖导坑时，需要尽最大程度减少对围岩的扰动，避免应力集中导致结构不稳。初期支护需要根据实际情况，采用格栅钢架、挂网、喷混凝土柔性支护体系，及时施作使断面及早闭合，充分利用围岩的自承能力，防止围岩变形。在此基础上，需要利用云计算技术建立一套完整的围岩支护结构监控量测系统，实现信息化施工管理，随时掌握施工过程中的动态变化，及时调整施工工艺和设计参数，确保施工安全。

从施工步骤方面看：第一，需要拱顶小导管注浆是，先开挖侧洞①②室，施作初期支护及中隔壁、中隔板。①号洞室超前③号洞室3m～5m，开挖洞室③土体，施作初期支护及中隔壁和中隔板；第二，拱顶小导管注浆，开挖洞室④⑤，③号洞室超前④⑤号洞室15m～20m，施作初期支护及中隔壁和中隔板。④⑤号洞室超前⑥号洞室3m～5m，开挖洞室⑥号土体，施作初期支护及中隔壁隔板；第三，拱顶小导管注浆，开挖洞室⑦⑧，施作初期支护及中隔板，⑥号洞室超前⑦⑧号洞室20m～30m；第四，开挖洞室⑨，洞室⑦⑧、⑨之间掌子面错开3m～5m，施作初期支护；第五，需要根据实际监测情况，分段截断仰拱厚度范围内的中隔壁，剔除处初支混凝土及钢筋网，保留格栅钢筋100mm长在二衬范围内，铺设仰拱防水层，施作二次衬砌，当达到设计强度75%后，顶紧竖向临时支撑与二衬结构，在此基础上，分段局部破除临时支撑，一般情况下纵向为3m～6m，敷设防水层、绑扎钢筋、台车就位浇筑拱部边墙及拱部混凝土，形成封闭二衬结构。

在应用双侧壁导坑法施工过程中值得注意的是，侧壁导坑形状需要近似于椭圆形断面，导坑断面宽度需要调整为整体断面的1/3，在土方开挖过程中，需要利用人工与机械有机结合的开挖形式，距离轮廓边缘线30cm～40cm设置修面层，必须要采用人工开挖才能保证开挖轮廓线的圆顺。为了确保钢架基础稳定，需要在工序变化处设置锁脚钢管，且必须对其进行注浆，同时当各个洞室开挖后需要及时准确地进行初支及临时支护，并尽早封闭成环。拆撑对初期支护内力影响较大，需要严格控制拆撑长度，相应的围岩塑性区呈现经典蝶形，最大发展深度在拱脚和墙脚位置，在施工过程中应该加强对掌子面的监测，必要时采取相应措施加固掌子面。开挖后拱部钢架与两侧壁钢架连接是难点，在两侧壁施工过程中，需要对钢架位置进行准确定位，确保各部钢架架设后在同一垂直面上，能够有效避免钢架发生扭曲现象，如图1所示。

图1 三桥站暗挖段双侧壁导坑法施工

4.初期支护结构模拟计算及位移、应力云图

为确保开挖过程中的安全并合理地分区、分段拆除支撑，利用初期支护和围岩自稳的时效性进行二衬结构的施工，在开挖前委托专业的单位根据施工现场并结合开挖过程中揭露的掌子面实际围岩情况对暗挖段的开挖工法分步进行数值模拟，以便在施工过程中进行有效管控[2]。

4.1 初期支护结构计算模型

计算采用专门求解岩土力学问题的大型商用Midas-GTS有限元分析软件。其运用节点位移连续条件，对连续介质进行大变形分析，基于显式差分法求解运动方程和动力方程，由于采用混合离散技术，从而使模拟塑性破坏与塑性流动更精确。

计算模型的侧面边界分别受到X轴方向位移约束，模型的地层下部边界受到Y轴方向的位移约束。断面最大开挖宽度25.75m，最大开挖高度20.95m，取地面以下70m，宽度80m范围内进行计算。初期支护采用C25喷射混凝土厚330mm，型钢钢架采用工25b型钢，临时钢架采用工22a型钢钢架，拱顶设φ159@400大管棚。整个计算模型采用平面应变建模对施工阶段进行模拟。模型计算出各分布开挖步骤的位移、应力情况，模拟计算围岩参数取值如表1所示。

表1 围岩计算参数取值

4.2 开挖过程中X方向及Y方向位移云图（见图2和图3）

图2 X方向位移云图

图3 Y方向位移云图

根据GTS模拟计算结果显示：X方向最大正位移出现在边墙处，为4.2mm，最大负位移出现在拱顶处为-4.2mm；其中上台阶开挖完成后拱顶最大位移为2.945mm。

根据GTS模拟计算结果显示：Y方向最大正位移出现在仰拱处，为11.2mm，最大负位移出现在拱顶处，为17.8mm，其中上台阶开挖完成后拱顶最大位移为13.1mm。

4.3 开挖过程中X方向和Y方向围岩应力云图（见图4和图5）

图4 X方向围岩应力云图

图5 Y方向围岩应力云图

根据GTS模拟计算结果显示：X-X方向围岩最大应力为299kN/m2，Y-Y方向围岩最大应力为2481kN/m2。

5.结论及建议

根据数值模拟计算分析结果，开挖工法最大风险为拱顶沉降，拱顶沉降累计为17.8mm，比原设计拱顶沉降16.2mm多1.6mm。其中第7步开挖过程中（中导洞上台阶开挖）拱顶最大沉降为8.7mm。根据《城市轨道交通工程技术监测规范》9.2.3条相关内容，并结合三桥站周边环境情况，三桥站暗挖段拱顶沉降量按20mm控制，开挖工法理论上可以确保后期施工安全。但第七步开挖过程中沉降较大，应严格按照施工图及相关规范要求进行施工，同时应及时架设临时竖撑和横撑，确保隧洞施工过程中安全[3]。

通过模拟计算对设计的安全性进行检算分析，对后期的施工开挖步距控制、监控量测、临时支撑拆除、二衬施工长度控制等起到了很好的指导作用，在复杂条件下的大跨度隧道施工中可以推广应用。