不同施工工法下浅埋暗挖大断面车站数值模拟分析＊

申秦川，应 杰，陈高生

（1.重庆市住房和城乡建设工程质量总站，重庆 400000；2.中国建筑第五工程局有限公司，重庆 400000）

近年来，由于中国城市内地铁隧道施工的快速进展，随之产生的生产安全问题也成了人们所关心的热点话题，其中以轨道交通车站的施工安全问题最为凸显。轨道交通车站一般采取暗挖的施工方式，但由于车站通常存在埋深较浅、大断面、围岩自稳定性不好的特点，所以在施工过程中选取合适的施工方法就变得特别关键，以便提高在轨道交通站场的施工过程中隧道结构的安全和围岩的稳定性。

针对开挖过程中不同工法下的围岩沉降问题，曹光辉[1]针对软弱围岩使用数值分析的方法，对比分析了CRD 法，上下台阶法和全断面法施工下在相同的地应力释放率下的围岩位移情况，并得出采用CRD 法施工的位移最小，采用上下台阶法施工的位移居中，采用全断面法施工的位移最大的结果；王丙坤等[2]分别对HCD（Human Centered Design）工法、CD 工法（Center Diaphragm，中隔墙法）和上下台阶法施工工法进行数值模拟分析，对比分析出位移、塑性区、应力等方面，验证了HCD 施工工法在海螺峪大断面破碎围岩隧道施工过程中的安全性及合理性；SHANG 等[3]以大连地铁兴街站为依托工程，利用了包括6 种不同支护措施在内的组合控制方法，控制了围岩的变形，并且建立三维有限元模型，分析组合控制措施的施工效果，并进行现场监测，验证了组合控制方法的变形控制效果；高峰等[4]对台阶法、双侧壁导洞法、全断面开挖法及导洞超前扩挖法4 种施工工法进行了数值模拟计算，对比位移、应力及塑性区，得出最佳施工方案。

1 依托工程背景

重庆轨道交通五号线北延伸段悦港大道站作为依托工程，该车站位于重庆市渝北区秋成大道下方，最大断面面积为447 m2，车站的埋深较浅，顶部覆盖层厚度为12.85～15.99 m。地面地质调查和钻孔勘探表明，隧道围岩主要岩性为中风化页岩，软弱地层条件下进行浅埋暗挖大断面地铁隧道施工。

2 建模及参数

2.1 模型尺寸与边界条件

采用A N S Y S 有限元软件建立模型，运用Newton-Raphson 方法进行迭代计算。模型尺寸为200 m×100 m，左右两边约束x方向位移，底部约束x、y这2 个方向的位移，上部为自由面，隧道跨度为23 m，高度为19 m，隧道埋深为15 m，围岩使用PLANE42单元，初支和二衬采用BEAM3 单元，锚杆间距为0.5 m，采用LINK1 单元，隧道模型网格划分如图1 所示。

图1 隧道模型网格划分

2.2 数值模拟模型参数

数值模型参数采用重庆轨道交通五号线北延伸段悦港大道站的实际参数，具体参数如表1 所示。

表1 模型物理力学参数

2.3 荷载工况

分别对3 种不同施工工法进行数值模拟分析，计算荷载工况如表2 所示。

表2 荷载工况表

3 数值结果分析

3.1 开挖过程拱顶沉降对比

提取各个模型中每一步开挖过程中的围岩最大沉降量，如图2 所示。从图中可以看出，不同开挖方式下的最大沉降量趋势基本一致。第一步开挖的沉降最明显，随着开挖的进行数值逐渐增大，由于考虑地应力释放比例，所以在施作二衬时沉降量还会出现较大的增长。

图2 围岩最大沉降量变化图

3.2 地表沉降对比

提取模拟完成时的地表各个点的位移值，如图3所示。从图中可以看出，地表沉降规律基本一致，并形成了明显的沉降区域，宽度在40 m 左右。其中双侧壁导坑法地表沉降量最小，比CRD 法和三台阶法的地表沉降降低了19%和33%。因此，对于地表沉降来说，采用双侧壁导坑法效果最佳。

图3 地表沉降曲线图

3.3 围岩位移结果对比

分别对3 种荷载工况下的围岩位移情况进行分析计算，三台阶法下围岩位移云图如图4 所示，CRD 法下围岩位移云图如图5 所示，双侧壁导坑法下围岩位移云图如图6 所示。

图4 三台阶法围岩位移云图

图5 CRD 法围岩位移云图

图6 双侧壁导坑法围岩位移云图

分析位移云图可知，3 种施工方法下隧道围岩位移分布规律相似，最大竖向位移主要为拱顶沉降和仰拱的隆起，最大水平位移集中在边墙，呈内敛趋势，相比于拱顶和仰拱处的竖直位移值小许多，因此在实际施工中以围岩的竖直位移为主要控制目标。提取3 种荷载工况下围岩的拱顶竖向位移极值、仰拱竖向位移极值和边墙的水平位移极值，如表3 所示。

表3 最大位移值

综合位移云图和表3 中的数据可知，围岩竖向位移和水平位移最大数值规律相似，对比不同工法发现，三台阶法位移值最大，其次为CRD 法，双侧壁导坑法位移值最小，因此双侧壁导坑法在控制围岩变形方面最佳。

4 结论

通过对浅埋暗挖大断面地铁车站进行数值分析，可以得出以下3 种常用工法围岩位移情况的结论：①地表沉降左右对称分布，由于隧道埋深较浅，围岩自稳定性差，地表沉降影响较大，形成了明显的沉降区域，沉降区域的宽度在40 m 左右，经过对比，双侧壁导坑法地表沉降最小；②三台阶法、CRD 法和双侧壁导坑法引起的围岩变形逐渐减小，双侧壁导坑法对于围岩变形的控制效果最优；③CRD 法与双侧壁导坑法在开挖大断面隧道时明显优于三台阶法，综合对比不同的工法位移云图，表明在本浅埋暗挖车站隧道中使用双侧壁导坑法效果最佳。