地铁暗挖车站施工过程力学特征分析

冯健

摘要：地铁车站的施工通常有着开挖尺寸大、围岩受力情况复杂等特点，故容易出现塌方。为了进一步掌握地铁车站施工时围岩的受力变形情况，做好支护措施，保证施工的顺利和安全，通过数值分析和现场监测的方式对隧道围岩、支护结构的受力情况进行分析。研究结果表明：施工过程中，监测面围岩主应力的变化趋势为先快速提高并超过初始应力，达到最大值后逐渐降低，最后基本保持不变。①部导洞开挖对拱部围岩应力的变化影响较大，②、③部施工对其影响可忽略不计。拱部各测点K值的变化规律为先降低至最低值，各位置开挖并安装初期支护后K值开始提高，再逐渐降低后保持稳定。开挖⑤a位置并安装初期支护后，边墙测点K值减小至极限状态附近，之后有小幅度提升，最终趋于稳定。边墙与其他部位相比K值较低，支护措施需要加强。与②、③部位相比，①位置施工后沉降值占最终沉降比值较大，是隧道沉降控制的核心部分。

关键词：地铁车站；围岩受力；数值分析；主应力；隧道沉降

0   引言

随着我国经济和城市建设的快速发展，大量人口涌入发达城市，给城市交通带来了极大的负担，促使地铁建设快速[1-3]。在地铁车站中，地铁暗挖车站较为常见，其通常属于大跨、浅埋隧道。

目前，已有不少研究人员对此进行了研究。徐剑波等[4]通过数值模拟和现场监测的方式，研究了典型监测断面支护措施和围岩的相互关系。孔超等[5]以数值模拟和模型试验相结合的方式，研究了各工况下拱盖的承载能力和围岩的受力情况。贾宝新[6]以大连地铁5号线为例，分析了盾构施工在穿过上软下硬地层时的地表沉降规律。

为了进一步掌握地铁车站施工时围岩的受力变形情况，做好支护措施，保证施工的顺利和安全，以实际工程为例，通过数值分析和现场监测的方式，对隧道围岩、支护结构的受力情况进行了分析，可为相关工程提供了指导和借鉴。

1   工程概况

北京地铁16号线看丹站施工方式为暗挖式，地层类型从下往上分别为微、中、强风化花岗岩层、素填土层，Ⅲ2-IV2级为围岩等级。车站拱部开挖跨度为22.5m，高度为7.7m，其矢跨比为0.34，主体下断面开挖高度和宽度分别为10.3m和21.2m。车站基本处在微风化岩层中，拱顶埋深为14.9～20m，单拱复合式衬砌结构为其主体结构类型。车站支护结构和施工步序如图1所示。

2   数值模型

参考地质勘查报告，分析对象取隧道和4倍跨度的围岩，将模型宽、高、厚分别设为100m、76m和45.7m，简化处理IV2级围岩，对其进行网格划分，共有668512个单元和640435个节点。模型中约束底面全位移，左右面和前后前面对法向位移进行约束，不对上面位移进行约束。

选择摩尔-库伦模型模拟围岩，喷射混凝土选择实体单元进行模拟，选择beam单元模拟格栅钢架，cable单元模拟预应力锚杆。

为了分析施工過程中围岩和支护结构受力变化特点，将沿隧道纵向16.5m位置设为监测断面，并设置数据监测点。模型里每部开挖进尺设为0.8m，同时安装立架、锚杆和喷射混凝土。模型隧道完全贯通需要288个开挖步序，支护、开挖方式和实际施工保持一致。

3   分析数值模拟结果

3.1   围岩应力

隧道施工过程中，监测点所测围岩主应力的变化趋势如图2所示。从图2中能够看出，当监测断面和①位置导洞施工的距离越来越短时，拱顶测点主应力因为围岩荷载重分布而大大增加，其余测点主应力首次影响也有小幅度的提高。拱顶大、小主应力在①位置导洞施工至监测断面处时增大至峰值，分别为0.73MPa和0.29MPa。荷载在断面开挖之后瞬间得到释放，大、小主应力分别降低至0.48MPa和0.07MPa。经过断面接着向前施工，两主应力又表现出慢慢增大的趋势。对于腰拱位置处应力变化趋势和拱顶大致相同。

在隧道施工完成完全贯通后，监测点主应力基本保持不变。开挖监测断面⑤a位置前，边墙监测点小主应力受其它导洞影响，呈现出慢慢降低的趋势，但大主应力提高速度较快，同时增大至初始值以上。大、小主应力在开挖至⑤a位置后，迅速降低至1.44MPa、0.13MPa。同时开挖⑨和⑦a位置导洞后，边墙测点大主应力也迅速降低。

通过上述分析能够得出，在施工过程中，监测面围岩主应力变化趋势为先快速提高，并超过初始应力，达到最大值后逐渐降低，最后基本保持不变。①部导洞开挖对拱部围岩应力的变化影响较大，②、③部施工对其影响基本可以忽略。

3.2   围岩强度储备

通过加入围岩强度储备K来进一步分析围岩的受力状态，评判其是否处于极限破坏状态，K值表达式如下所示：

Ｋ=σ₁-σ'₃/σ₁-σ₃（1）

式中：σ₁和σ₃分别代表大主应力和小主应力，单位为MPa。围岩强度储备越高，K就越大，在K值等于1时，围岩认定为极限状态。

监测断面各部位围岩强度储备的变化规律如图3所示。从图3中能够看出，在施工过程中，拱部各测点K值的变化规律为先减小到最小值。在安装初期支护后逐渐增大，之后再慢慢减小最终基本不变。受到①部位导洞开挖的影响，围岩小主应力仅有小幅度增大，大主应力提高程度较大。围岩受力情况变差导致K值减小，并且距离监测断面越近此现象就越明显。在施工断面①部后拱顶部位的K值减小至最低值1.54。

在设置支护措施后，拱顶围岩大、小主应力间差值逐渐减小，K值明显增到，并在施工至第②步时到达最大值。拱顶K值在继续施工导洞后逐渐减小，最后基本不变。拱腰部位处的K值变化趋势基本和拱顶相同。拱部各处K值在隧道拱部完全贯通后基本保持不变。

边墙K值变化规律与和拱部有所差别，边墙测点K值在⑤a位置开挖和设置初期支护后减小至极限状态附近，之后有小幅度提升，最终趋于稳定。同时因边墙喷射混凝土支护和预应力锚杆支护数量较少，边墙围岩两主应力间差值较大，与其他部位相比K值较低，支护措施需要加强。

3.3   隧道位移

施工过程中监测断面水平位移和沉降变化趋势如图4所示。从图4可以看出，拱顶沉降在施工①位置前增长较快，为一条凹曲线。①位置施工后，沉降增长速度逐渐提高，沉降曲线出现拐点，沉降值此时为4.43mm，占最终沉降值的54.4%。沉降值在拱部完全贯通后达到8.32mm，占最终沉降值的98.3%，沉降最后稳定在8.46mm。

①位置导洞首次施工后地表沉降达到1.56mm，占最终沉降值的57%。地表沉降在拱部完全贯通后达到6.7mm，与最终沉降值相比占比为93.2%，最终沉降保持在7.08mm。边墙的水平位移在整体上呈现为略微增加的趋势，增长幅度较小。水平位移在施工断面⑤a位置后提高到0.32mm，之后持续增加至1.71mm并保持稳定。

如图5所示为地表沉降和净空收敛的监测结果，从图5能够看出，随着时间延长，模拟所得出的净空收敛和沉降曲线与现场监测结果基本相同，位移均表现为先快速增长后趋于稳定的规律。

3.4   支护结构受力情况

对施工过程中监测断面拱顶锚杆和拱架进行受力分析，计算得出轴力变化曲线如图6所示。从图6能够看出，开挖活动对拱架轴力有较大影响，锚杆轴力基本不受影响，其中锚杆轴力和拱架轴力最终值分别为102.2kN、30.75kN。

将模拟所得结果与现场监测数据对比后发现，两者变化规律基本一致，各位置拱架轴力在施工至监测断面都会出现突变，而轴力基本不会发生变化。现场凌空侧和围岩侧拱架轴力分别为17.93kN和12.56kN。从整体来看，拱架轴力随着施工的进行而提高，但提高速率随着施工的进行而慢慢减小。

4   结束语

为了进一步掌握地铁车站施工时围岩的受力变形情况，做好支护措施，保证施工的顺利和安全，本文以实际工程为例，通过数值分析和现场监测的方式对隧道围岩、支护结构的受力情况进行了分析，得出以下结论：

监测面围岩主应力的变化趋势为先快速提高，并超过初始应力，达到最大值后逐渐降低，最后基本保持不变。①部导洞开挖对拱部围岩应力的变化影响较大，②、③部施工对其影响可忽略不计。

拱部各测点K值的变化规律为先降低至最低值，各位置开挖并安装初期支护后K值开始提高，再逐渐降低后保持稳定。开挖⑤a位置并安装初期支护后，边墙测点K值减小至极限状态附近，之后有小幅度提升，最终趋于稳定。边墙与其他部位相比K值较低，支护措施需要加强。

与②、③部位相比，①位置施工后沉降值占最终沉降比值较大，是隧道沉降控制的核心部分。从整体来看，拱架轴力随着施工的进行而提高，但提高速率随着施工的进行而慢慢减小。

参考文献

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[4] 徐劍波，姜平，朱颂阳，等.基于现场监测和数值模拟的隧道初期支护效果分析[J].科学技术与工程，2020，20（5）：2061-2069.

[5] 孔超，高新强，等.上软下硬复合地层初支拱盖法围岩变形与力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，2020，39（S1）：2634-2644.

[6] 贾宝新，高宗贤，等.上软下硬地层隧道盾构施工引起的地表沉降研究[J].安全与环境学报，2021，21（3）：1083-1088.