戴文亭， 武　皓， 孙明志， 郝佰洲， 曹耀兮

(吉林大学交通学院， 吉林 长春　130022)



长春地铁解放大路站基于三维数值模拟的地铁车站施工工法优化分析

戴文亭， 武皓*， 孙明志， 郝佰洲， 曹耀兮

(吉林大学交通学院， 吉林 长春130022)

摘要：为了对地铁车站施工工法进行优化分析，依托长春地铁解放大路站工程，采用数值模拟方法建立数值模型，从中轴线上方地表沉降、拱顶沉降和拱顶应力3方面对6导洞PBA工法、8导洞PBA工法以及一次扣拱暗挖逆作法进行了对比分析，得到： 1)在施工过程中，3种工法的中轴线上方地表沉降、拱顶沉降和拱顶应力变化规律存在明显差异； 2)通过综合对比分析，一次扣拱暗挖逆作法最优，6导洞PBA工法最差。得到的对比分析结果对现场施工具有指导意义。

关键词：地铁车站； 施工工法； 6导洞PBA工法； 8导洞PBA工法； 一次扣拱暗挖逆作法； 数值模拟； FLAC3D； 地表沉降； 拱顶沉降； 拱顶应力

0引言

伴随着城市轨道交通的发展，地铁车站的建设成为目前轨道交通建设中最突出的难题。地铁车站往往位于城市中心区域，修建地铁车站开挖范围大，施工步序多，施工过程中不可避免地会对周围道路和建筑等造成影响[1-3]。目前国内外地铁车站施工主要采用PBA法和一次扣拱暗挖逆作法等。姚君华等[4]和李皓等[5]利用有限差分程序FLAC3D，对PBA工法导洞不同开挖顺序进行数值模拟，得出最优开挖顺序；李晓霖[6]利用FLAC软件，对PBA工法的施工过程进行了数值模拟，分析了施工过程中土体的扰动情况、车站结构的内力转换和变化情况，以及施工完成后车站结构的位移情况；黄美群[7]结合工程实践，阐述了一次扣拱暗挖逆作法的技术核心和要点，并指出了该工法的应用前景；许洪伟等[8]通过分析各种车站的结构形式和施工方法，归纳了暗挖地铁车站的结构形式和工法选取原则；郭海柱等[9]采用有限元法对地铁车站换乘段盖挖法、半盖挖法和明挖法等工法进行了数值模拟，分析结果可为地铁车站换乘站的设计和施工提供参考。

本文在前人研究成果的基础上，依托长春地铁解放大路站工程，采用数值模拟分析方法将3种工法综合在一起，从中轴线上方地表沉降、拱顶沉降和拱顶应力3方面对6导洞PBA工法、8导洞PBA工法以及一次扣拱暗挖逆作法3种工法进行优化分析。与其他已有的研究工作相比，本研究可以更直观具体地发现3种工法的不同和优劣，可为后续施工提供指导。

1工程概况

长春地铁解放大路站位于人民大街与解放大路十字路口交汇处，沿南北向跨路口设置。本站为地铁1号线和2号线换乘车站，在区间配有联络线和单渡线。1号线车站主体为岛式站台，站台为标准双层、三跨拱顶直墙结构，采用一次扣拱暗挖逆作法施工。2号线车站主体为侧式站台，标准双层、双跨拱顶直墙结构，采用6导洞PBA工法施工。车站主体结构如图1和图2所示。

图1　1号线车站结构

图2　2号线车站结构

工程范围内的地层由第四系全新统人工填土层、第四系中更新统冲洪积黏性土和砂土、白垩纪泥岩组成。工程范围内的地下水共分为3层，第1层为表层孔隙性潜水，第2层为浅层承压水，第3层为岩石裂隙水。

2模型建立

数值模拟采用FLAC3D有限差分程序[10-12]。将模型简化为4个土层，从上至下填土层厚2 m，黏土层厚8 m，粗砂层厚2 m，其余为泥岩层。假定地表和各土层均匀水平分布，不考虑地下水的影响，土体材料采用摩尔-库仑本构模型，混凝土材料采用弹性模型。导洞超前支护管棚和小导管注浆简化为2 m厚的注浆加固层。采用全断面开挖方式。地层和材料的应力、应变均在弹塑性范围内变化，地应力场由自重应力自动生成。

考虑到尺寸效应，整个模型取宽80 m、高60 m、纵向15 m计算。6导洞PBA工法、8导洞PBA工法和一次扣拱暗挖逆作法3种工法的车站主体长度为15 m，净宽为21.6 m，覆土厚度为9.5 m，底板埋深为26 m。3种工法的模型如图3—5所示。

图3　6导洞PBA工法模型

图4　8导洞PBA工法模型

图5　一次扣拱暗挖逆作法模型

Fig. 5Model of cast in-situ arch and cut-and-cover top-down method

材料参数的选取依据勘测单位提供的土工实验数据和原位实验结果，同时结合本地经验，最终选取的材料参数如表1所示。

表1　材料参数

3结果分析

3.16导洞PBA工法分析

在不同的施工阶段，开挖过程对整体的影响不同。本次分析从中轴线上方地表沉降、拱顶沉降以及拱顶应力3方面，将整个施工阶段分为7个阶段进行分析。1)导洞开挖阶段； 2)边桩、中柱及底板施工阶段； 3)外顶初期支护施工阶段； 4)内顶初期支护施工阶段； 5)顶二次衬砌施工阶段； 6)中板施工阶段； 7)下二次衬砌施工阶段。

3.1.1中轴线上方地表沉降

以模型中断面为基准，选择中轴线上方地表沉降监测点。6导洞PBA工法的地表沉降监测点布置情况如图6所示。

图6　6导洞PBA工法地表监测点布置

Fig. 6Layout of monitoring points of ground surface settlement of Metro station constructed by 6-pilot PBA method

6导洞PBA工法施工时，不同施工阶段中轴线上方地表沉降量变化如图7所示，各施工阶段沉降量分配比例如图8所示。

当整体施工完成时，6导洞PBA工法中轴线上方地表最终沉降值为99.84 mm；内顶初期支护施工和中板施工时，地表沉降量变化较大。

3.1.2拱顶沉降

以模型中断面为基准，选择主体拱顶处的沉降监测点。6导洞PBA工法的拱顶沉降监测点布置情况如图9所示。

图7　6导洞PBA工法中轴线上方地表沉降变化

Fig. 7Settlement of ground surface above tunnel axial line of each construction step of 6-pilot PBA method

图8　6导洞PBA工法各施工阶段沉降量分配比例

Fig. 8Settlement percentage of each construction step of 6-pilot PBA method

图9　6导洞PBA工法拱顶监测点布置

Fig. 9Layout of monitoring points of crown settlement of Metro station constructed by 6-pilot PBA method

不同施工阶段拱顶监测点处的沉降量变化如图10所示。

图10　6导洞PBA工法拱顶沉降对比

Fig. 10Crown settlement of each construction step of 6-pilot PBA method

由图10分析可知： 在导洞开挖、边桩、中柱、底板施工以及外顶初期支护施工阶段，监测点2处的沉降大于监测点1、3处的沉降；随着施工的进行，监测点1、3处的沉降量增加较快，大于监测点2处的沉降量；当整体完成时，拱顶最大沉降量达到102 mm，3个监测点处的最终沉降量相差不大。

3.1.3拱顶应力

以模型中断面为基准，选择主体拱顶处的应力监测点。6导洞PBA工法的拱顶应力监测点布置情况如图9所示。不同施工阶段拱顶监测点处的应力值变化如图11所示。

图11　6导洞PBA工法拱顶应力变化

Fig. 11Crown stress of each construction step of 6-pilot PBA method

首先分析监测点1、3位置处的应力变化。在导洞开挖及边桩、中柱、底板施工阶段，拱顶应力值基本不变；随着外顶初期支护和内顶初期支护的施工，拱顶应力值迅速增大，在内顶初期支护完成时达到最大值(0.55 MPa)；在车站二次衬砌结构施工时，需要破除导洞初期支护结构，完成初期支护到二次衬砌的受力转换，顶二次衬砌完成时，拱顶应力值迅速减小为0.12 MPa；之后随着施工的进行，拱顶应力值基本不变。

然后分析监测点2位置处的应力变化。导洞施工完成后，随着边桩、中柱和底板的施工，拱顶应力值减小；内顶初期支护完成时，拱顶应力值增大，随后基本保持不变，拱顶应力值最大为0.4 MPa。

3.28导洞PBA工法分析

本次分析从中轴线上方地表沉降、拱顶沉降以及拱顶应力3方面，将整个施工阶段分为7个阶段进行分析。1)导洞开挖阶段； 2)边桩、中柱及底板施工阶段； 3)外顶初期支护施工阶段； 4)内顶初期支护施工阶段； 5)顶二次衬砌施工阶段； 6)中板施工阶段； 7)下二次衬砌施工阶段。

3.2.1中轴线上方地表沉降

以模型中断面为基准，选择中轴线上方地表沉降监测点。8导洞PBA工法的地表沉降监测点布置情况如图12所示。

图12　8导洞PBA工法地表监测点布置

Fig. 12Layout of monitoring points of ground surface settlement of Metro station constructed by 8-pilot PBA method

8导洞PBA工法施工时，不同施工阶段中轴线上方地表沉降量变化如图13所示，各施工阶段沉降量分配比例如图14所示。

图13　8导洞PBA工法中轴线上方地表沉降变化

Fig. 13Settlement of ground surface above tunnel axial line of each construction step of 8-pilot PBA method

图14　8导洞PBA工法各施工阶段沉降量分配比例

Fig. 14Settlement percentage of each construction step of 8-pilot PBA method

当整体施工完成时，8导洞PBA工法中轴线上方地表最终沉降值为81 mm；导洞施工阶段和顶二次衬砌施工阶段，地表沉降量变化较大。

3.2.2拱顶沉降

以模型中断面为基准，选择主体拱顶处的沉降监测点。8导洞PBA工法的拱顶沉降监测点布置情况如图15所示。

8导洞PBA工法施工时，不同施工阶段拱顶监测点处的沉降量变化如图16所示。

图15　8导洞PBA工法拱顶监测点布置

Fig. 15Layout of monitoring points of crown settlement of Metro station constructed by 8-pilot PBA method

图16　8导洞PBA工法拱顶沉降对比

Fig. 16Crown settlement of each construction step of 8-pilot PBA method

由图16分析可知： 在导洞开挖和边桩、中柱及底板施工阶段，监测点2处的沉降大于监测点1、3处的沉降；随着施工的进行，监测点1、3处的沉降量迅速增加，明显大于监测点2处的沉降量； 当整体完成时，拱顶最大沉降量达到93 mm； 3个监测点处的最终沉降量相差较大，沉降差达到41 mm。

3.2.3拱顶应力

以模型中断面为基准，选择主体拱顶处的应力监测点。8导洞PBA工法的拱顶应力监测点布置情况如图15所示。不同施工阶段拱顶监测点处的应力值变化如图17所示。

图17　8导洞PBA工法拱顶应力变化

Fig. 17Crown stress of each construction step of 8-pilot PBA method

首先分析监测点1、3位置处的应力变化。前几步施工过程中，拱顶应力值基本不变，应力值最大为0.2 MPa；当顶二次衬砌施工完成时，拱顶应力减小到0.15 MPa，之后基本稳定不变。

然后分析监测点2位置处的应力变化。在导洞开挖和边桩、中柱及底板施工阶段，拱顶应力值基本不变；随着外顶初期支护和内顶初期支护的施工，监测点2处的应力值不断增大，在内顶初期支护完成时达到最大值(0.37 MPa)；在车站二次衬砌结构施工时，需要破除导洞初期支护结构，完成初期支护到二次衬砌的受力转换，顶二次衬砌完成时，拱顶应力值迅速减小为0.26 MPa；之后随着施工的进行，拱顶应力值基本不变。

3.3一次扣拱暗挖逆作法分析

本次分析从中轴线上方地表沉降、拱顶沉降以及拱顶应力3方面，将整个施工阶段分为6个阶段进行分析。1)导洞开挖阶段； 2)边桩、中柱及底板施工阶段； 3)洞内扣拱阶段； 4)中跨拱施工阶段； 5)上部结构施工阶段； 6)下部结构施工阶段。

3.3.1中轴线上方地表沉降

以模型中断面为基准，选择中轴线上方地表沉降监测点。一次扣拱暗挖逆作法的地表沉降监测点布置情况如图18所示。

图18　一次扣拱暗挖逆作法地表监测点布置

Fig. 18Layout of monitoring points of ground surface settlement of Metro station constructed by cast in-situ arch and cut-and-cover top-down method

一次扣拱暗挖逆作法施工时，不同施工阶段中轴线上方地表沉降量变化如图19所示，各施工阶段沉降量分配比例如图20所示。

图19　一次扣拱暗挖逆作法中轴线上方地表沉降变化

Fig. 19Settlement of ground surface above tunnel axial line of each construction step of cast in-situ arch and cut-and-cover top-down

当整体施工完成时，一次扣拱暗挖逆作法中轴线上方地表最终沉降值为71.37 mm；导洞施工阶段的地表沉降量最大，占总沉降量的51%。

图20　一次扣拱暗挖逆作法各施工阶段沉降量分配比例

Fig. 20Settlement percentage of each construction step of cast in-situ arch and cut-and-cover top-down method

3.3.2拱顶沉降

以模型中断面为基准，选择主体拱顶处的沉降监测点。一次扣拱暗挖逆作法的拱顶沉降监测点布置情况如图21所示。

图21　一次扣拱暗挖逆作法拱顶监测点布置

Fig. 21Layout of monitoring points of tunnel crown settlement of Metro station constructed by cast in-situ arch and cut-and-cover top-down method

一次扣拱暗挖逆作法施工时，不同施工阶段拱顶监测点处的沉降量变化如图22所示。

图22　一次扣拱暗挖逆作法拱顶沉降对比

Fig. 22Crown settlement of each construction step of cast in-situ arch and cut-and-cover top-down method

由图22分析可知： 在导洞开挖、边桩、中柱及底板施工和洞内扣拱阶段，监测点2处的沉降要略小于监测点1、3处的沉降；随着施工的进行，监测点2处的沉降量迅速增加，明显大于监测点1、3处的沉降量；当整体完成时，监测点2处的最终拱顶沉降量达到79.84 mm； 3个监测点处的最终沉降量相差较大，沉降差达到18.2 mm。

3.3.3拱顶应力

以模型中断面为基准，选择主体拱顶处的应力监测点。一次扣拱暗挖逆作法的拱顶应力监测点布置情况如图21所示。不同施工阶段拱顶监测点处的应力值变化如图23所示。

图23　一次扣拱暗挖逆作法拱顶应力变化

Fig. 23Crown stress of each construction step of cast in-situ arch and cut-and-cover top-down method

首先分析监测点1、3位置处的应力变化。施工过程对左右拱顶位置处的应力影响不大，拱顶应力值变化很小。

然后分析监测点2位置处的应力变化。在导洞开挖、边桩、中柱及底板施工和洞内扣拱阶段，拱顶应力值基本不变，为0.31 MPa；随着中跨拱的施工，监测点2处的应力值减小为0.15 MPa；随着上部结构和下部结构的施工，拱顶应力值基本不变。

43种工法的对比分析

结合以上对3种工法的分析，从中轴线上方地表沉降、拱顶沉降、拱顶应力以及施工方法4方面，对比分析3种工法的不同。

4.1中轴线上方地表沉降

首先选取导洞开挖完成，边桩、中柱和底板完成，扣拱完成，上部结构完成和整体施工完成5个阶段的沉降值，对比分析3种工法。3种工法中轴线上方地表沉降对比如图24所示，各工法沉降量分配如表2所示。

图24　3种工法中轴线上方地表沉降对比

Fig. 24Comparison and contrast among three construction methods in terms of ground surface settlement above tunnel axial line

由图24分析可得： 当导洞开挖完成时，6导洞PBA工法的沉降量最小，一次扣拱暗挖逆作法的沉降量最大；随着施工的进行，6导洞PBA工法的沉降量增加较快，当整体完成时，6导洞PBA工法沉降量最大为99.84 mm，一次扣拱暗挖逆作法沉降量最小为71.4 mm，8导洞PBA工法沉降量为81 mm。

表2各工法沉降量分配

Table 2Settlement percentage of each construction step of different construction methods

6导洞PBA工法工序比例/%8导洞PBA工法工序比例/%一次扣拱暗挖逆作法工序比例/%导洞开挖15导洞开挖33导洞开挖51边桩、中柱、底板11边桩、中柱、底板11边桩、中柱、底板5外顶初期支护2外顶初期支护14洞内扣拱7内顶初期支护22内顶初期支护7中跨拱14顶二次衬砌16顶二次衬砌20上部结构13中板21中板2下部结构14下二次衬砌13下二次衬砌13

由表2分析可得： 6导洞PBA工法内顶初期支护施工和中板施工时，沉降量变化较大； 8导洞PBA工法导洞施工和顶二次衬砌施工时，沉降量变化较大； 一次扣拱暗挖逆作法导洞施工阶段，沉降量变化最大。

4.2拱顶沉降

3种工法的拱顶沉降对比如表3所示。

表3各工法拱顶沉降对比

Table 3Comparison and contrast among three construction methods in terms of crown settlement

工法最大沉降监测点位置最终沉降量/mm监测点最终沉降差/mm6导洞PBA工法1、31024.28导洞PBA工法1、39341一次扣拱暗挖逆作法279.8418.2

由表3分析可得，3种工法的最大拱顶沉降出现的位置不同，6导洞PBA工法最终沉降量最大，8导洞PBA工法最终监测点沉降差最大。

4.3拱顶应力

3种工法的拱顶应力对比如表4所示。

表4各工法拱顶应力对比

Table 4Comparison and contrast among three construction methods in terms of crown stress

工法最大应力监测点位置最大应力出现工序最大拱顶应力值/MPa6导洞PBA工法1、3内顶初期支护0.558导洞PBA工法2内顶初期支护0.37一次扣拱暗挖逆作法2洞内扣拱0.31

由表4分析可得，3种工法的最大拱顶应力出现的位置和施工工序不同，6导洞PBA工法最大拱顶应力值最大，一次扣拱暗挖逆作法最大拱顶应力值最小。

4.4施工方法

PBA工法[13]是将盖挖及分步暗挖法有机结合起来，先施工小导洞，在导洞内施工围护边桩、中柱、底梁和顶梁,当梁和柱完成后,再施工拱顶结构,形成由边桩、中柱(拱)、顶底梁、顶拱共同构成的初期受力体系，承受施工过程中的荷载；然后在顶盖的保护下，逐层向下开挖土体，施作二次衬砌和内部结构，最终形成由初期支护和二次衬砌组合而成的永久承载体系[14-15]。

一次扣拱暗挖逆作法的施工步骤为： 1)在地下结构设计空间对应的顶部主体和底部主体分别开挖至少1对上导洞和下导洞，每对导洞为一跨，进行洞壁的初期支护； 2)在下导洞底部敷设防水层，在防水层上浇筑下层框架结构底板； 3)从上导洞施作边桩和中间立柱； 4)在上导洞拱顶敷设防水层，浇筑拱顶永久结构； 5)采用暗挖法开挖2个上导洞之间的中间跨土体，形成中跨上导洞，并施作中跨上导洞拱顶永久结构； 6)凿除上导洞底部初期支护，向下开挖土体，浇筑结构侧墙和中楼板； 7)开挖下导洞顶部初期支护和中楼板之间的剩余部分立体，同时凿除下导洞顶部初期支护，并浇筑剩余侧墙结构，封闭偶数结构底板[16]。

一次扣拱暗挖逆作法施工风险小，施工场地大，施工速度快，采用较少数目的大导洞，解决了传统暗挖工法开挖分块多、结构受力转化次数多、施工空间小、施工效率低和围岩重复扰动等问题。

5结论与讨论

本文以长春地铁解放大路站为工程背景，采用FLAC3D进行数值模拟，对比分析了6导洞PBA工法、8导洞PBA工法和一次扣拱暗挖逆作法3种工法，得出以下结论。

1)在中轴线上方地表沉降方面，6导洞PBA工法最终沉降量最大，一次扣拱暗挖逆作法最终沉降量最小；不同工法的沉降量分配比例有差异。

2)在拱顶沉降方面，6导洞PBA工法最终沉降量最大，一次扣拱暗挖逆作法最终沉降量最小；不同工法最大沉降量出现时，所在的监测点位置不同。

3)在拱顶应力方面，6导洞PBA工法最大拱顶应力值最大，一次扣拱暗挖逆作法最大拱顶应力值最小；2种PBA工法均存在明显的受力转化过程，最大拱顶应力出现在内顶初期支护施工时；不同工法最大应力出现时，所在的监测点位置不同。

4)对比PBA工法，一次扣拱暗挖逆作法施工环节较少，能尽早形成稳定的主要受力体系，结构受力转化次数较少，施工作业效率较高。

综合以上结论，3种工法中，一次扣拱暗挖逆作法最优，8导洞PBA工法次之，而6导洞PBA工法最差。

本文从中轴线上方地表沉降、拱顶沉降以及拱顶应力3方面，较好地对比论证了3种工法的不同，为后续施工提供了一定经验，对现场施工具有指导意义。但本文研究仍存在不足之处，如： 没有对地铁工程运营过程中发生的工后沉降进行系统完善的研究，没有对施工过程中的关键节点(初期支护到二次衬砌的受力转换过程)进行重点分析，后续工作应针对以上不足进行研究。

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Optimization of Construction Methods for Jiefanglu Station of

Changchun Metro Using Three-dimensional (3D) Numerical Simulations

DAI Wenting, WU Hao*, SUN Mingzhi, HAO Baizhou, CAO Yaoxi

(SchoolofTransportation,JilinUniversity,Changchun130022,Jilin,China)

Abstract:In this paper, comparison and contrast is made among three constructions methods, i.e., 6-pilot PBA method, 8-pilot PBA method, and cast in-situ arch and cut-and-cover top-down method, in terms of ground surface settlement above tunnel axial line, crown settlement and crown stress. The numerical simulation model of Jiefanglu Station of Changchun Metro is established, so as to analyze the optimization of construction method. The study results show that: 1) The ground surface settlement above the tunnel axial line, crown settlement and crown stress of the three construction methods are different； 2) The cast in-situ arch and cut-and-cover top-down method is superior to 6-pilot PBA method and 8-pilot PBA method for this project, and the 6-pilot PBA method is the worst. The results achieved can provide reference for construction of similar projects in the future.

Keywords:Metro station; construction method; 6-pilot PBA method; 8-pilot PBA method; one-time cast-in-situ arch and cut-and-cover top-down method; numerical simulation; ground surface settlement; crown settlement; crown stress

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)01-0012-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.002

作者简介：第一 戴文亭(1964—)，男，江苏徐州人，2001年毕业于吉林大学，地质工程专业，博士，教授，现从事地质、隧道及地下工程方面的教学、研究工作。E-mail: daiwenting64@163.com。*通讯作者： 武皓， E-mail: 664020565@qq.com。

基金项目：吉林大学横向课题(3R1133142417)

收稿日期：2015-07-02; 修回日期: 2015-09-25