申秦川，應(yīng) 杰，陳高生

（1.重慶市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)工程質(zhì)量總站，重慶 400000；2.中國(guó)建筑第五工程局有限公司，重慶 400000）

近年來(lái)，由于中國(guó)城市內(nèi)地鐵隧道施工的快速進(jìn)展，隨之產(chǎn)生的生產(chǎn)安全問(wèn)題也成了人們所關(guān)心的熱點(diǎn)話題，其中以軌道交通車(chē)站的施工安全問(wèn)題最為凸顯。軌道交通車(chē)站一般采取暗挖的施工方式，但由于車(chē)站通常存在埋深較淺、大斷面、圍巖自穩(wěn)定性不好的特點(diǎn)，所以在施工過(guò)程中選取合適的施工方法就變得特別關(guān)鍵，以便提高在軌道交通站場(chǎng)的施工過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)的安全和圍巖的穩(wěn)定性。

針對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中不同工法下的圍巖沉降問(wèn)題，曹光輝[1]針對(duì)軟弱圍巖使用數(shù)值分析的方法，對(duì)比分析了CRD 法，上下臺(tái)階法和全斷面法施工下在相同的地應(yīng)力釋放率下的圍巖位移情況，并得出采用CRD 法施工的位移最小，采用上下臺(tái)階法施工的位移居中，采用全斷面法施工的位移最大的結(jié)果；王丙坤等[2]分別對(duì)HCD（Human Centered Design）工法、CD 工法（Center Diaphragm，中隔墻法）和上下臺(tái)階法施工工法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)比分析出位移、塑性區(qū)、應(yīng)力等方面，驗(yàn)證了HCD 施工工法在海螺峪大斷面破碎圍巖隧道施工過(guò)程中的安全性及合理性；SHANG 等[3]以大連地鐵興街站為依托工程，利用了包括6 種不同支護(hù)措施在內(nèi)的組合控制方法，控制了圍巖的變形，并且建立三維有限元模型，分析組合控制措施的施工效果，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了組合控制方法的變形控制效果；高峰等[4]對(duì)臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法、全斷面開(kāi)挖法及導(dǎo)洞超前擴(kuò)挖法4 種施工工法進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比位移、應(yīng)力及塑性區(qū)，得出最佳施工方案。

1 依托工程背景

重慶軌道交通五號(hào)線北延伸段悅港大道站作為依托工程，該車(chē)站位于重慶市渝北區(qū)秋成大道下方，最大斷面面積為447 m2，車(chē)站的埋深較淺，頂部覆蓋層厚度為12.85～15.99 m。地面地質(zhì)調(diào)查和鉆孔勘探表明，隧道圍巖主要巖性為中風(fēng)化頁(yè)巖，軟弱地層條件下進(jìn)行淺埋暗挖大斷面地鐵隧道施工。

2 建模及參數(shù)

2.1 模型尺寸與邊界條件

采用A N S Y S 有限元軟件建立模型，運(yùn)用Newton-Raphson 方法進(jìn)行迭代計(jì)算。模型尺寸為200 m×100 m，左右兩邊約束x方向位移，底部約束x、y這2 個(gè)方向的位移，上部為自由面，隧道跨度為23 m，高度為19 m，隧道埋深為15 m，圍巖使用PLANE42單元，初支和二襯采用BEAM3 單元，錨桿間距為0.5 m，采用LINK1 單元，隧道模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 隧道模型網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)值模擬模型參數(shù)

數(shù)值模型參數(shù)采用重慶軌道交通五號(hào)線北延伸段悅港大道站的實(shí)際參數(shù)，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

2.3 荷載工況

分別對(duì)3 種不同施工工法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算荷載工況如表2 所示。

表2 荷載工況表

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 開(kāi)挖過(guò)程拱頂沉降對(duì)比

提取各個(gè)模型中每一步開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖最大沉降量，如圖2 所示。從圖中可以看出，不同開(kāi)挖方式下的最大沉降量趨勢(shì)基本一致。第一步開(kāi)挖的沉降最明顯，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行數(shù)值逐漸增大，由于考慮地應(yīng)力釋放比例，所以在施作二襯時(shí)沉降量還會(huì)出現(xiàn)較大的增長(zhǎng)。

圖2 圍巖最大沉降量變化圖

3.2 地表沉降對(duì)比

提取模擬完成時(shí)的地表各個(gè)點(diǎn)的位移值，如圖3所示。從圖中可以看出，地表沉降規(guī)律基本一致，并形成了明顯的沉降區(qū)域，寬度在40 m 左右。其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法地表沉降量最小，比CRD 法和三臺(tái)階法的地表沉降降低了19%和33%。因此，對(duì)于地表沉降來(lái)說(shuō)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法效果最佳。

圖3 地表沉降曲線圖

3.3 圍巖位移結(jié)果對(duì)比

分別對(duì)3 種荷載工況下的圍巖位移情況進(jìn)行分析計(jì)算，三臺(tái)階法下圍巖位移云圖如圖4 所示，CRD 法下圍巖位移云圖如圖5 所示，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下圍巖位移云圖如圖6 所示。

圖4 三臺(tái)階法圍巖位移云圖

圖5 CRD 法圍巖位移云圖

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖位移云圖

分析位移云圖可知，3 種施工方法下隧道圍巖位移分布規(guī)律相似，最大豎向位移主要為拱頂沉降和仰拱的隆起，最大水平位移集中在邊墻，呈內(nèi)斂趨勢(shì)，相比于拱頂和仰拱處的豎直位移值小許多，因此在實(shí)際施工中以圍巖的豎直位移為主要控制目標(biāo)。提取3 種荷載工況下圍巖的拱頂豎向位移極值、仰拱豎向位移極值和邊墻的水平位移極值，如表3 所示。

表3 最大位移值

綜合位移云圖和表3 中的數(shù)據(jù)可知，圍巖豎向位移和水平位移最大數(shù)值規(guī)律相似，對(duì)比不同工法發(fā)現(xiàn)，三臺(tái)階法位移值最大，其次為CRD 法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法位移值最小，因此雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在控制圍巖變形方面最佳。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)淺埋暗挖大斷面地鐵車(chē)站進(jìn)行數(shù)值分析，可以得出以下3 種常用工法圍巖位移情況的結(jié)論：①地表沉降左右對(duì)稱(chēng)分布，由于隧道埋深較淺，圍巖自穩(wěn)定性差，地表沉降影響較大，形成了明顯的沉降區(qū)域，沉降區(qū)域的寬度在40 m 左右，經(jīng)過(guò)對(duì)比，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法地表沉降最??；②三臺(tái)階法、CRD 法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的圍巖變形逐漸減小，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)于圍巖變形的控制效果最優(yōu)；③CRD 法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在開(kāi)挖大斷面隧道時(shí)明顯優(yōu)于三臺(tái)階法，綜合對(duì)比不同的工法位移云圖，表明在本淺埋暗挖車(chē)站隧道中使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法效果最佳。