冀少鵬，葛克水，孫立超，陳　松

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)<北京>工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.北京筑信達(dá)工程咨詢有限公司，北京100043）

北京地鐵區(qū)間開(kāi)挖工法的可行性研究

冀少鵬*1，葛克水1，孫立超2，陳松1

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)<北京>工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.北京筑信達(dá)工程咨詢有限公司，北京100043）

開(kāi)挖工法的選擇對(duì)控制淺埋地鐵隧道引起的地表沉降起著重要的作用。以北京地鐵14號(hào)線某地鐵站區(qū)間為依托，運(yùn)用工程實(shí)際參數(shù)，結(jié)合有限元分析軟件Midas/GTS對(duì)地鐵區(qū)間開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)比對(duì)地表沉降實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果，明確數(shù)值模擬具有重要參考價(jià)值，進(jìn)而對(duì)臺(tái)階法、核心土法、導(dǎo)坑法3種方法進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)施工完成后地表測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)、變形曲線的對(duì)比分析，明確不同開(kāi)挖工法對(duì)地表沉降影響的差異，為后續(xù)工程提供參考和借鑒。

淺埋暗挖；數(shù)值模擬；開(kāi)挖方法

1　概述

隨著城市化進(jìn)程的加快，地鐵建設(shè)已經(jīng)成為緩解城市壓力的一種重要手段。經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐，北京已經(jīng)完成了多條地鐵線路的建設(shè)，很大程度上改善了人們的工作和生活。但是由于城市地下工程復(fù)雜的地質(zhì)條件、種類(lèi)繁多的施工工藝、復(fù)雜的圍巖與支護(hù)相互作用等原因，使得施工方法的選擇起著越來(lái)越重要的作用。本文根據(jù)北京地鐵14號(hào)線某區(qū)間段的實(shí)際施工情況，通過(guò)Midas/GTS有限元分析軟件分別對(duì)臺(tái)階法、核心土法、導(dǎo)坑法3種不同開(kāi)挖工法進(jìn)行模擬分析，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的對(duì)比討論，分析不同開(kāi)挖工法對(duì)地表沉降影響的差異，提出減小沉降的具體措施，為后續(xù)工程實(shí)踐提供一定的參考價(jià)值。

2　工程概況

北京地鐵14號(hào)線某車(chē)站為北京市軌道交通重點(diǎn)線路上的大型換乘車(chē)站，主體采用雙柱三跨拱形結(jié)構(gòu)，采用上下8導(dǎo)洞的開(kāi)挖方式，兩換乘站呈“T”型換乘，共設(shè)1、2號(hào)2條換乘通道。區(qū)間左線起止里程：左K14+ 504.386～K15+043.934，區(qū)間長(zhǎng)度539.548m；區(qū)間右線起止里程：右K14+504.386～K15+043.934，區(qū)間長(zhǎng)度539.548m；區(qū)間隧道覆土16.1～24.6m，采用礦山法施工。區(qū)間中部右K14+681.000處設(shè)置施工豎井及橫通道，施工過(guò)程中由橫通道雙向開(kāi)挖，站端設(shè)置迂回風(fēng)道及人防段。區(qū)間沿線需下穿2處人行天橋及?500mm中壓燃?xì)狻?500mm高壓燃?xì)狻?1000mm上水、?600mm上水等大型市政管線。

3　工程、水文地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層（Qm）l、第四紀(jì)全新世沖洪積層（Q4al+pl）、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層（Q3al+pl）3大層。區(qū)間隧道穿過(guò)的土層為中粗砂⑤1層、粉質(zhì)粘土⑥層、粉土⑥2層、粘土⑥1層、圓礫卵石⑦層、中粗砂⑦1層、粉細(xì)砂⑦2層。隧道圍巖分級(jí)為Ⅵ級(jí)，主要土層參數(shù)見(jiàn)表1。在本次勘察深度范圍內(nèi)，未見(jiàn)上層滯水，但由于大氣降水、管道滲漏等原因，沿線不排除局部存在上層滯水的可能性?？辈榻Y(jié)果顯示，地下水主要類(lèi)型為潛水和承壓水。

4　數(shù)值模擬

表1　主要土層參數(shù)

根據(jù)實(shí)際施工參數(shù)，利用有限元分析軟件Midas/ GTS建立模型，選取埋深16.1～24.6m的區(qū)間段為研究對(duì)象。模型整體高度50m，模型區(qū)間開(kāi)挖長(zhǎng)度為60m，上邊界為地表面，下邊界為3倍洞室跨度，左右線洞距為實(shí)際洞室間距。上邊界為自由邊界，側(cè)面限制水平位移，模型底部限制垂直位移，模型網(wǎng)格如圖1所示。洞室開(kāi)挖方向上10m、20m處設(shè)置斷面一、二，每個(gè)斷面各設(shè)13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，斷面一測(cè)點(diǎn)編號(hào)為DB-01～DB-13，斷面二測(cè)點(diǎn)編號(hào)為DB2-01～DB2-13，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

土層、襯砌的參數(shù)為施工實(shí)際參數(shù)，區(qū)間正線開(kāi)挖過(guò)程中，隧道拱部采用超前小導(dǎo)管注漿加固地層，超前小導(dǎo)管規(guī)格為DN25×3.25水煤氣管，長(zhǎng)為2m，縱向間距為0.5m，環(huán)向間距為0.25m或0.3m，鎖腳錨桿為DN25×3.25水煤氣管，長(zhǎng)為2m，對(duì)于超前支護(hù)，數(shù)值模擬采用適當(dāng)調(diào)整圍巖c、φ值來(lái)等效。

圖1　模型網(wǎng)格劃分

5結(jié)果分析

圖2　測(cè)點(diǎn)布置圖

5.1工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比分析

區(qū)間正線的實(shí)際開(kāi)挖方法為核心土法，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可參考價(jià)值，為后續(xù)3種不同開(kāi)挖工法的模擬分析奠定基礎(chǔ)。區(qū)間正線開(kāi)挖過(guò)程中，左線先開(kāi)挖，左、右線開(kāi)挖錯(cuò)距15m。取斷面一為研究對(duì)象，斷面一測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)表如表2所示，沉降曲線圖如圖3所示。

由數(shù)據(jù)表及曲線圖可知，在左線先開(kāi)挖過(guò)程中，最大沉降量發(fā)生在左線拱頂對(duì)應(yīng)地表測(cè)點(diǎn)DB-05，斷面一模擬曲線與實(shí)測(cè)曲線變形趨勢(shì)基本相同。測(cè)點(diǎn)DB-05對(duì)應(yīng)模擬沉降值為5.912mm，實(shí)測(cè)沉降值為8.217mm，沉降差為2.305mm，是沉降變化最大位置，洞室兩側(cè)隨著距開(kāi)挖洞室距離的增大，開(kāi)挖對(duì)土體的擾動(dòng)減小，沉降差呈減小趨勢(shì)，沉降差產(chǎn)生的原因主要是由于實(shí)際施工過(guò)程中影響因素較多，如施工中降水、開(kāi)挖進(jìn)尺較長(zhǎng)、施工過(guò)程中沒(méi)有及時(shí)施作初期支護(hù)、洞室的開(kāi)挖沒(méi)有及時(shí)封閉成環(huán)、測(cè)量中交通對(duì)測(cè)量精度的影響等原因造成的。由于左右線洞室間距為1.4倍洞徑，為近間距隧道，區(qū)間雙線開(kāi)挖時(shí)，洞室周?chē)馏w的擾動(dòng)會(huì)相互疊加，開(kāi)挖完成后，取斷面二為研究對(duì)象，斷面二測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)表如表3所示，沉降曲線圖如圖4所示。

表2　斷面一沉降數(shù)據(jù)表

圖3　斷面一沉降曲線圖

表3　斷面二沉降數(shù)據(jù)表

由數(shù)據(jù)表及曲線圖可知，近間距隧道施工完成后，由于左右線開(kāi)挖對(duì)隧道中間土體影響的相互疊加，沉降槽曲線不是雙峰沉降槽曲線，而是單峰沉降槽曲線。雙線開(kāi)挖過(guò)程中，最大沉降量由左線拱頂對(duì)應(yīng)地表測(cè)點(diǎn)DB2-05逐漸向右移動(dòng)，開(kāi)挖完成后，最大沉降位置為兩隧道中線偏左的DB2-06點(diǎn)，主要是由于受到左線先開(kāi)挖的影響。模擬曲線與實(shí)測(cè)曲線的橫向變形趨勢(shì)近似相同，DB2-06測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沉降差最大，模擬沉降值為14.884mm，實(shí)際測(cè)量值為18.513mm，沉降差為3.639mm，測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)沉降值均滿足規(guī)范要求。DB2-06測(cè)點(diǎn)兩邊沉降差有減小趨勢(shì)，由于曲線的變形趨勢(shì)基本相同，沉降差變化范圍較小，說(shuō)明數(shù)值模擬有重要的參考價(jià)值。

5.2不同開(kāi)挖工法的對(duì)比分析

模擬區(qū)間的開(kāi)挖方法分別為：臺(tái)階法、核心土法、導(dǎo)坑法，3種方法的開(kāi)挖工序如圖5所示，模擬開(kāi)挖工序與實(shí)際施工工序保持一致。取斷面二為研究對(duì)象，開(kāi)挖完成后，斷面二對(duì)應(yīng)的沉降數(shù)據(jù)表如表4所示，沉降曲線圖如圖6所示。

根據(jù)斷面二不同開(kāi)挖工法對(duì)應(yīng)的沉降數(shù)據(jù)表及沉降曲線圖可得如下結(jié)論：

（1）由于該地鐵區(qū)間隧道為近間距隧道，區(qū)間雙線開(kāi)挖過(guò)程中，3種開(kāi)挖方法對(duì)應(yīng)的斷面沉降槽曲線均為單峰狀，說(shuō)明沉降槽曲線的形式主要受隧道間距的影響。沉降最大點(diǎn)為左右線中間位置偏左的DB2-06測(cè)點(diǎn)，主要是由于左線先開(kāi)挖，周?chē)馏w較先受到擾動(dòng)引起的，所以在左線開(kāi)挖過(guò)程中要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)縮短開(kāi)挖進(jìn)尺、合理注漿施工、及時(shí)封閉成環(huán)等措施來(lái)控制周?chē)馏w變形及地表沉降。

圖4　斷面二沉降曲線圖

圖5　不同開(kāi)挖方法施工工序圖

表4　斷面二模擬沉降數(shù)據(jù)表

圖6　斷面二模擬沉降曲線圖

（2）從圖6中可以看出，導(dǎo)坑法開(kāi)挖引起的地表沉降最小，臺(tái)階法開(kāi)挖引起的地表沉降最大，核心土法開(kāi)挖引起的地表沉降介于導(dǎo)坑法和核心土法之間。3種開(kāi)挖方法對(duì)應(yīng)地表沉降最大測(cè)點(diǎn)DB2-06的沉降值分別為：導(dǎo)坑法為10.632mm，核心土法為14.884mm，臺(tái)階法為27.532mm。地表沉降最大位移處，核心土法開(kāi)挖引起沉降是導(dǎo)坑法的1.40倍，臺(tái)階法開(kāi)挖引起的沉降是導(dǎo)坑法的2.59倍，臺(tái)階法開(kāi)挖引起沉降是核心土法的1.85倍。最大沉降測(cè)點(diǎn)DB2-06兩側(cè)，隨著擾動(dòng)影響的減弱，3種開(kāi)挖方法引起的沉降差呈減小趨勢(shì)。

（3）對(duì)于軟弱地層，導(dǎo)坑法和核心土法能夠有效的控制了地表的沉降，導(dǎo)坑法開(kāi)挖將開(kāi)挖斷面分為3個(gè)小型斷面，拱部開(kāi)挖后，及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效地控制了拱部土體的變形，臨時(shí)支撐的施工能夠使小斷面及時(shí)封閉成環(huán)，有效地減小拱頂和側(cè)墻的變形。對(duì)于核心土法，環(huán)形土體開(kāi)挖后拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)控制拱頂沉降，預(yù)留核心土抑制了土體對(duì)掌子面的應(yīng)力作用，減小掌子面的變形，下臺(tái)階土體不僅對(duì)掌子面的變形起到抑制作用，而且對(duì)洞室側(cè)壁土體的變形起到抑制作用。對(duì)于該工程對(duì)應(yīng)的軟弱土層，臺(tái)階法施工地表最大沉降為27.532mm，由于數(shù)值模擬結(jié)果略小于實(shí)際施工引起的沉降結(jié)果，臺(tái)階法實(shí)際施工中引起的地表沉降很可能大于設(shè)計(jì)值30mm。所以，對(duì)于該工程臺(tái)階法建議謹(jǐn)慎使用。導(dǎo)坑法和核心土法引起的最大沉降量明顯小于設(shè)計(jì)值30mm，理論上都可以應(yīng)用，但是導(dǎo)坑法施工成本較高、進(jìn)度較慢、洞室開(kāi)挖后期導(dǎo)坑拆除困難、工序復(fù)雜、工期延長(zhǎng)、施工成本進(jìn)一步增加。相比較而言，核心土法不僅工序簡(jiǎn)單，施工進(jìn)度較快，而且成本較低。所以，對(duì)于該工程，區(qū)間正線的開(kāi)挖推薦使用核心土法。

6　結(jié)論

本文利用有限元軟件Midas/GTS模擬實(shí)際施工工況并與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，所取斷面處的模擬橫向變形趨勢(shì)與實(shí)際變形趨勢(shì)基本相同，沉降差較小，說(shuō)明數(shù)值模擬具有重要參考價(jià)值，沉降差主要是由于施工過(guò)程中降水、臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺較長(zhǎng)、開(kāi)挖后沒(méi)有及時(shí)支護(hù)等原因引起的。根據(jù)對(duì)3種工法的模擬分析，由于模擬沉降值小于實(shí)際沉降值，臺(tái)階法開(kāi)挖引起的實(shí)際地表沉降很可能大于控制值30mm，所以要謹(jǐn)慎使用。導(dǎo)坑法和核心土法都可以有效地控制洞室周?chē)馏w的變形及地表的沉降。導(dǎo)坑法成本較高，工序繁瑣，工期較長(zhǎng)，核心土法成本較低，工序簡(jiǎn)單，進(jìn)度較快。

綜上所述，建議該工程的開(kāi)挖方法為核心土法。對(duì)于沉降要求嚴(yán)格的部位，施工過(guò)程中可以采取減小開(kāi)挖步長(zhǎng)、及時(shí)施作支護(hù)、合理注漿、盡早封閉成環(huán)等措施來(lái)有效控制洞室周?chē)馏w變形和地表沉降。

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U455.4

A

1004-5716（2016）01-0191-04

2015-09-01

冀少鵬（1988-），男（滿族），河北張家口人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：地下建筑設(shè)計(jì)與施工。