地铁车站暗挖施工过程支护结构受力分析

李磊

摘要：结合某地铁车站暗挖施工，采用模拟计算方法简化边桩结构及支护结构，分析导洞及车站施工期间对支护结构受力的影响。研究结果表明：导洞施工阶段对地表沉降影响显著，导洞施工至其前后一个洞径范围内地表沉降速率显著加快，其余区域施工期间地表沉降较小；但是支护结构部分修建完成后，车站主体施工对地表沉降影响明显减小。支护横向及纵向受力规律相似，均在导洞施工期间受力较大，车站主体施工期间分別占最大应力值变化的39%和35.1%。

关键词：地表沉降；导洞开挖；地铁暗挖；受力分析

0   引言

城市地铁系统作为缓解交通压力的有效手段，已经在越来越多的城市中推广应用[1-2]。地铁工程建设期间常采用暗挖施工，具有拆迁占地少、不扰民、不干扰交通的特点，但是其对地层地表变形影响较大，如果施工不合理，将造成极大的交通隐患[3]。王梦恕等[4]创建并完善了地下工程浅埋暗挖法设计与施工配套技术；赵文等[5]采用STS（steel tube slab）管幕功法作为浅埋地铁暗挖的新型施工手段，解决了实际工程问题，确保了地铁暗挖车站管幕结构的成功实施。

本文基于丰西二号路与规划康辛路十字交口处的看丹站西端地铁工程，结合有限元模拟计算方法，针对导洞及车站施工期间地层地表变形及支护受力展开研究，以期为同类型施工工程提供理论分析思路。

1   工程概述

施工区间位于看丹站西端，出站后施工路线由东向西敷设，自康辛路开始止于榆树庄站。施工期间存在下穿市政管线风险，因此施工前对周边地下管线进行复探，对管线雨水、污水渗流情况采取超前探测。本段区间里程位于行车路段下方，施工基底处于建筑垃圾填土内。暗挖区间采用管幕法进行施工，区间浮土厚度为7.2～7.7m。

本段基底设置管幕结构区间，整体位于杂填土①层，考虑该土层的地基承载能力，结构基底设置承载桩。地层探测结果显示，土层依次为杂填土①层、卵石④层、⑤层、黏土岩⑥层及砾岩⑦层。施工区间潜水面西部高、东部低，2018年12月下旬，测得施工站点西部地下水位标高为30m，施工站点东部地下水位标高约为25m。本段施工区间基底承载桩布设位置在地下水位上方，因此不考虑地下水影响。

2   主要施工流程

本区间段主要采用管幕施工，其主要工艺流程为：机械设备进场→掌子面注浆加固→顶进位置破桩开孔→吊装钢管就位→顶进钢管、钢管顶进纠偏→钢管顶进合格检验→依次调整感钢管顶进就位→管间清理和螺栓就位→管内管间混凝土灌注→完工退场。

初支结构施工完成后进行左右线洞内承载桩施工，承载桩施工可由堵头墙向临时竖井口出施工（由南侧向北侧施工），以便于二衬结构施工。

3   计算模型简化

将边桩结构及管幕结构简化为连续墙和矩形结构体，将连续墙单元厚度设置为0.688m。依据抗弯刚度等效原则，将管幕结构简化为矩形结构。对管幕结构采用单调静压试验，获得其荷载-变形曲线，取其线性段刚度作为等效横向刚度。荷载-变形曲线如图1所示。

4   力学性能分析

4.1   导洞施工对地表沉降影响

随导洞开挖施工进行，不同区间地表沉降量变化形势不同。导洞开挖完成后地表沉降变化如图2所示。从图2可以看出，不同导洞开挖过后地表沉降量呈现低谷形，左下导洞最先开挖，其最大沉降量大约在中部区域，距两端约70m，为2.13mm。随后右下导洞开挖过程，其地表沉降量最高沉降达3.28mm，较左下导洞开挖完成后下降了1.15mm，左下、右下导洞完成后沉降量占总沉降量87.9%。

最后左上导洞和右上导洞开挖对地表沉降影响较小，地表沉降值最大分别达到3.56mm和3.73mm，较右下导洞施工完成后仅增大了0.45mm。同时还可以发现，地表最大沉降量均反映在剖面中部区域，由两端向中间发展不断增大，呈现波谷形趋势。

4.2   导洞施工对地表沉降纵向影响

图3为导洞施工期间地表沉降纵向影响曲线。其中，监测断面位置为距地表-12m处，d表示导洞直径，从图3可以看出，开挖至导洞附近对地表沉降影响极大，沉降量在导洞开挖至-12m及开挖至-22m后地表沉降量速率减缓，且各导洞开挖后地表沉降规律相似。这是由于开挖前地层处于密实状态，导洞开挖完成后施工区域封闭，上覆土被人工夯实，因此地表沉降放缓。

各导洞在开挖至导洞附近2d范围，地表沉降量分别达到其导洞开挖总沉降量68.1%、71.8%、71%、77.8%。此时导洞开挖导致附近土体形成镂空层，容易出现土体沉降。导洞开挖完成1d后，地表沉降基本稳定，地层无明显变形发生，各导洞地表沉降量分别占其导洞总沉降量的10.4%、9.4%、16.1%、11.1%。

4.3   车站主体施工对地表沉降影响

车站主体施工期间对地表沉降影响见图4。从图4可以看出，各层施工对地表沉降影响规律均由两端向中部位置发展，各层施工期间对应最大地表沉降量分别为3.95mm、4.14mm、4.25mm，沉降区域主要控制在距地表40～90m之间。同时可以看出，由于支护结构形成，车站主体施工阶段对地表沉降影响较小。

4.4   支护横向受力分析

随施工进行支护所受应力逐渐增大，不同施工阶段对支护受力影响不同。支护受力一方面随施工工序开展逐渐增大，另一方面不同施工阶段，支护受力相应增加。在车站主体施工阶段，横向支护应力发展缓慢，仅从0.411MPa增大至0.615MPa，导洞施工阶段支护横向应力增量占总应力值的61%。其余车站主体开挖期间，横向应力值占最大应力变化39%。支护横向应力变化状况如表1所示。

4.5   支护纵向受力分析

支护纵向应力变化状况如表2所示。从表2可知，下方导洞开挖对支护纵向受力几乎没有影响，下方导洞埋置位置较深距支護较远，因此下方导洞开挖完成后，最终支护纵向应力值仅0.068MPa。同时还可以看出，车站主体施工阶段对支护纵向受力影响较小，负一层至负三层开挖期间应力数值由0.281MPa升至0.433MPa，增长应力值占最大应力值的35.1%，导洞开挖期间应力数值由0增大至0.271MPa，占最大应力值的62.6%。主要是由于车站主体施工过程中支护系统已经完成部分，有一定支撑作用，使得支护纵向受力影响不大。

5   结束语

地铁工程建设期间常采用暗挖施工，具有拆迁占地少、不扰民、不干扰交通的特点，但是其对地层地表变形影响较大，如果施工不合理，将造成极大的交通隐患。本文结合某地铁车站暗挖施工，采用模拟计算方法简化边桩结构及支护结构，分析导洞及车站施工期间对支护结构受力的影响。针对某地铁车站暗挖施工期间支护结构进行受力分析，得出以下结论：

施工期间地表沉降规律为车站中部沉降区域最大，向两端发展逐渐减弱，形成低谷形。下侧导洞施工期间对沉降影响较显著，导洞施工完成后沉降量最大值为3.73mm。

导洞施工至其周围2d范围对地表沉降影响最显著。在此期间，开挖地表沉降量达到总沉降量的68.1%～77.8%，其余部位开挖对地表沉降影响不大。车站主体施工期间引起的地表沉降量区间在3.95mm～4.25mm，对地表变形影响不大。

施工期间，支护结构横向受力及纵向受力最大值分别为0.615MPa和0.433MPa，导洞施工对支护结构受力影响显著。由于支护系统部分完成，车站主体施工期间对支护受力影响较小。

参考文献

[1] 赵杰，刘历胜，王桂萱，等.大连地铁暗挖隧道变形监测及参数智能反演[J].防灾减灾工程学报，2016，36（4）：640-645+651.

[2] 吴学锋，吕文杰，张黎明，等.暗挖地铁车站围岩稳定性分析与支护优化[J].地下空间与工程学报，2012，8（5）：1059-1064.

[3] 李东勇，徐祯祥，王琳静.地铁暗挖隧道初期支护联合系统数值模拟分析[J].铁道建筑，2007（5）：34-37.

[4] 王梦恕著. 地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社， 2004.12.

[5] 赵文，董驾潮，贾鹏蛟，等.地铁暗挖车站STS管幕结构施工技术研究[J].隧道建设（中英文），2018，38（1）：72-79.