邵长青

(中铁十六局集团有限公司 北京 100018)

1 引言

地铁车站大断面开挖是车站施工不可避免的难题，相关的研究案例已经有很多。吴波等[1]以有限元分析软件为基础，以地表沉降值增量和累计量分别为报酬和目标函数，通过分析对比，得出施工最佳顺序。杨忠年等[2]结合拱盖法隧道开挖，通过模型试验研究隧道开挖围岩应力，提出拱顶沉降是拱顶法判断围岩稳定性的主要依据。徐颖等人[3－4]通过数值模拟侧穿和近接施工，认为先施工远离建筑物的隧洞方案对邻近建筑影响最小。周玲芳等人[5－7]采用数值模拟的方法，优化了施工方案，实现了隧道开挖变形安全可控。

上述文献取得了大量的参数，对施工具有一定的指导意义，但是考虑到地层地质分配的随机性，有必要对不同地区的施工情况进行多次分析，本文结合贵阳地铁施工案例，系统介绍分析了有限元模拟优化工序的全过程，并对优化后的监测数据进行工后分析。

2 工程概况

贵阳地铁二期15标油榨街地铁站设计为地下二层岛式车站，共设置4个出入卡通道、1个消防及疏散通道和2组风道。施工采用初支拱盖法，先分部开挖拱部并及时支护，利用围岩与初期支护形成整体支护体系，确保车站主体开挖的安全稳定，最终一次成型二次衬砌。该方法在硬岩地质条件下的地铁车站中应用较多。

3 初支拱盖法数值模拟

3.1 建立有限元模型

根据施工阶段划分，按照拱盖施工前导洞开挖、拱盖施作后的支撑拆除、核心土开挖及车站下部土体开挖分三个阶段进行有限元分析。地铁车站三维模型及开挖断面的网格划分如图1所示。

图1 车站有限元模型

根据地勘参数，结合相关规范，模拟采用的各种参数如表1所示。

表1 有限元模型参数

3.2 净空收敛分析

3.2.1 初支净空收敛

第一个循环开挖左右导洞时，对导洞的净空收敛数据进行提取分析。根据模拟结果，施工时左右导洞两侧的净空收敛为0.6 mm，收敛不大，但是中导洞开挖后，收敛迅速增加到2.22 mm，说明中导洞的施工对前方和两侧土体都有较大影响。从图2的导洞施工历时曲线可以看出，中导洞开挖时引起的收敛明显大于左右导洞的开挖施工[8]，所以在中导洞开挖施工前，需要确认左右导洞的支护已经施工完成且强度达到要求，同时根据要求加强中导洞的超前支护，减轻中导洞向前凸出引起的两侧土体收敛变形。

图2 各导洞净空收敛变化曲线

3.2.2 拱盖净空收敛

为了能够为施工期间拱盖施工完成后提供围岩收敛信息，考虑到拱盖施工完成后，现场无法布点监测收敛，模拟时在拱盖部分增加模拟监测点，对拱盖的净空收敛进行分析计算。

从图3可以看出，每个循环净空收敛都会因拆除临时支撑和开挖核心土迅速增大。但是随着开挖面与监测点的距离越来越大，拆撑和开挖对收敛的影响也越来越小。

IR-UWB穿墙雷达实验系统组成及试验整机如图1所示。该实验系统是由中南大学航空航天学院研制的中心频率为300 MHz的IR-UWB穿墙雷达系统，主要用于穿墙探测以及灾后救援，该系统由两部分组成，一部分是雷达主机，用于实现脉冲的产生、发射、接收等功能；另一部分是计算机，主要实现参数下发、数据处理和结果输出等功能，通过USB接口与雷达主机连接。

图3 拱盖净空收敛变化曲线

上部土体开挖一定距离后，进行下部土体开挖时，净空收敛也有一个迅速上升的台阶，但是随着下部土体逐步向前开挖，净空收敛逐步趋于稳定。

3.2.3 车站下部侧壁的水平净空收敛

由于车站高度较大，下部土体开挖分两部，从图4的监测数据可以看出，上半部分土体开挖时净空收敛逐步增加，在下半部分土体开挖时收敛有一个明显的台阶陡降，说明上半部分土体开挖后，围岩变形的一定量都施加到了下半部分土体上，当下半部分土体开挖时，这部分变形得到了迅速的释放。

图4 车站下部侧壁水平净空收敛变化

3.3 沉降分析

3.3.1 地表沉降

对开挖各工序模拟时的地表沉降数据进行提取，如表2所示。拆除施工引起的地表沉降量最大，为9.42 mm，开挖中导洞引起的地表沉降量次之。由此可见，在施工环节的控制上，临时支撑的拆除时机和拆除方式需要通过多方讨论，以有效降低支撑拆除引起的地表沉降量；而中导洞开挖作为关键施工工序，需要合理组织开挖施工，严格按照设计和既定施工方案做好各类支护，降低中导洞开挖引起的地表沉降[9]。

表2 地表沉降监测值

3.3.2 拱顶沉降

根据模拟分析，由于采用了分部导洞开挖，围岩变形在不同导洞开挖时都得到了一定程度的释放，导致监测到的拱顶变形量最大值为5.5 mm，相对较小。这表明初支拱盖法把土体总的变形分配在了不同的阶段，降低了单个施工阶段的总体变形量，拱盖地施工完成能够为后续下放土体施工提供安全的作业空间。

4 开挖施工参数优化

4.1 缩短开挖进尺

由数值模拟分析结果可知，拆除临时支撑和中导洞开挖引起的地表沉降量占总沉降量的80%以上，对其进行优化是十分必要的。通过经验分析，结合地质情况和设计单位意见，拟定实际施工时拱盖完成6 m后才能拆除下放的临时支撑并开挖中导洞，后续形成流水作业。

优化后的施工方案再次进行有限元模拟，结果显示，优化后的地表沉降量相比优化前减少了3 mm，表明了减小进尺可以更好地增加施工过程中围岩的稳定性，降低总体施工沉降。

4.2 增加初支刚度

除考虑缩小开挖进尺外，同样有人也建议采用增加初支刚度来控制开挖变形，为此，采用增加两倍后的初支刚度对原方案进行有限元模拟，结果显示，增加初支刚度后，地表沉降量降低了2 mm，表明增加刚度也能有效控制施工变形。建议后续施工采用缩小进尺和增加刚度相结合的方式进行。

5 施工变形监测分析

5.1 初支拱顶沉降

在施工时，按照设计要求对多个断面进行布点监测，考虑到数据采取的随机性，本文以DK36＋954的断面数据为例，对初支沉降监测情况进行分析(见表3)。

表3 典型断面各施工步序沉降监测

从表3可以看出，导洞和拱顶沉降在施工前期的变形量相对较大，说明原始地层的平衡在遭到破坏后，迅速释放能量，导致变形出现陡变，后期随着开挖的推进，变形逐渐趋于平缓，最终达到相对稳定的状态。左、右导洞最先开挖，其对原始地层的影响也最大，左右导洞开挖引起的沉降量占总沉降量的83.10%，说明左右导洞开挖时需要做好加固措施，减少开挖初期变形，为后期变形控制提供一定的余量。

5.2 大拱盖部分拱顶沉降

现场不同断面的监测结果表明，各断面的支撑拆除期间，拱顶沉降变形整体趋势较为相似，本文以典型断面DK36＋974部位变形为例，对大拱盖部分沉降变形进行分析，具体变形情况见图5。

图5 拱盖拱顶典型断面沉降时态曲线

从图5可以看出，拱盖施工完成后，拱顶仍存在一定的沉降量，沉降量最大值仅为3.3 mm，发生于拱盖的中部[10]，相对较小。这表明大拱盖法施工时拱盖的安全度是可靠的，能够满足下部土体开挖后和后期二衬结构安全施工的需要。

5.3 地表沉降

根据现场实际，在车站施工上方地表按照设计要求进行了监测点的布置。地表监测点布置如图6所示。

图6 地表沉降监测点布置

地表沉降断面多，监测量也很大，数据分析处理复杂，本文根据实际情况，以DK36＋994的横断面监测数据为例，对施工期间的地表变形情况进行分析[11]。从图7中可以看出该断面地表沉降量最大的点为DK36＋994－04，表4列出了该点不同施工阶段的变形情况。

图7 地表沉降典型断面历时曲线

表4 地表沉降分析

从表4分析得出，实际施工期间左右导洞开挖引起的沉降量占总体沉降量的13.80%，而中导洞开挖和拆除临时支撑引起的沉降量分别占总体沉降量的25.46%和47.65%[12]，说明中导洞开挖和拆除临时支撑是大拱盖法施工的关键工序，这与有限元分析的结果较为契合。因此，在临时支撑拆除和中导洞施工时在加强支护的同时，也要加强现场监测，做到监测结果能够实时反馈，及时为后续施工提供参考。

6 结论

初支拱盖法地铁车站施工由于开挖断面较大，会引起较大的各种变形，通过数值模拟对各开挖工序引起的变形进行分析，并根据分析结果提出了开挖优化措施，取得了良好的效果，最终结合施工经验，形成以下结论:

(1)数值模拟可以在开挖之前提前获取各开挖步序的关键点，为后期施工时对关键点的优化和改进提供了可能，是地下工程施工之前可以有效预演施工过程的有力助手。

(2)缩短开挖进尺和增加初支刚度能够有效地减少施工扰动，增加施工过程中周边岩体的稳定，在初支拱盖法施工时采取该方法可以很好地控制施工变形，保障结构安全。

(3)通过现场监测数据分析，拆除临时支撑和开挖核心土体引起的地表累计沉降量占地表总沉降量的47.65%，施工中要格外加强控制。