伍勁鋒

摘 要：以北京地鐵 4 號(hào)線宣武門站人行通道平行上穿既有線為背景，研究中隔壁法（CRD 法）開挖施工對(duì)地下既有線結(jié)構(gòu)受力和形變的影響。采用有限元平面應(yīng)變力分析模型，研究 CRD 法不同開挖方案對(duì)既有線隧道結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果對(duì) CRD 法施工進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，先行開挖緊鄰既有線部分可以有效降低掌子面分部開挖卸荷的地層應(yīng)力，其對(duì)既有線隧道結(jié)構(gòu)受力和形變的影響顯著低于先行開挖背離既有線部分。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道;平行上穿;既有線;CRD 法;施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU457

CRD法，又稱交叉中隔壁法，是一種適用于地質(zhì)條件差、隧道埋深淺且周邊環(huán)境復(fù)雜的暗挖施工方法，該開挖方法要求每一個(gè)開挖步都各自封閉成環(huán)，兼有臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于控制地表沉陷及地層變形具有良好的效果[1]，在城市地鐵、市政管線和公路淺埋隧道等工程中的應(yīng)用越來越廣泛[2]。王薇等利用有限單元法研究了CRD法在某城市地下公路淺埋暗挖隧道的應(yīng)用，結(jié)果表明，CRD法在控制地層變形方面效果顯著[3];周保生研究了CRD法在深圳市軌道交通9號(hào)線給排水管改遷工程中的應(yīng)用，并改進(jìn)了CRD法施工工藝，加快了施工進(jìn)度，同時(shí)又保障了施工安全[4];鄧一等采用離散元法研究了CRD法不同工序?qū)訝钏淼缼r體應(yīng)力和位移變化規(guī)律的影響，結(jié)果表明，巖層傾向與開挖工序的關(guān)系密切[5]。由此可見，研究CRD法在具體工程中的施工方法，對(duì)保障工程施工安全具有重大的意義。

北京地鐵4號(hào)線宣武門站新增換乘通道工程，東北象限正北方向的一段人行通道在地鐵4號(hào)線的側(cè)上方平行穿越，且初支的外邊界緊鄰地鐵4號(hào)線，因此，采用CRD法施工控制地層變形，減少人行通道施工對(duì)既有線的影響。本文利用有限元軟件建立“地層-人行通道-既有線”的平面應(yīng)變力學(xué)模型，對(duì)比分析CRD法2 種不同開挖方案對(duì)既有線結(jié)構(gòu)受力和形變的影響，優(yōu)化CRD開挖方法，提升開挖施工過程的安全性。2種開挖方案為：方案1，先行開挖緊鄰既有線部分，即開挖步序是左上、左下、右上、右下;方案2，先行開挖背離既有線部分，即開挖步序是右上、右下、左上、左下。

1 工程概況

北京地鐵宣武門站是4號(hào)線與2號(hào)線的換乘車站，2號(hào)線車站東西向布置，4號(hào)線車站南北向布置。為改善2線之間換乘能力嚴(yán)重不足，新建西北、東北、西南3條換乘通道實(shí)現(xiàn)4號(hào)線向2號(hào)線的換乘。東北象限正北方向新增人行通道平行上穿既有4號(hào)線區(qū)間，平行穿越長(zhǎng)度約為300 m，通道結(jié)構(gòu)為馬蹄形斷面，標(biāo)準(zhǔn)斷面開挖跨度10.1 m，開挖高度8.4 m，初支外皮與區(qū)間凈距約2.2 m，為特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源（圖1）。

2 有限元數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 計(jì)算模型

新增通道與既有4號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)大范圍平行，開挖擾動(dòng)對(duì)地層和既有結(jié)構(gòu)變形的影響主要體現(xiàn)在橫截面內(nèi)，因此，本項(xiàng)目可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變力學(xué)問題進(jìn)行分析。采用有限元軟件PHASE2D建立二維數(shù)值模型如圖2所示。模型長(zhǎng)50 m，高30 m，頂部為自由邊界，兩側(cè)及底部采用法向位移約束。地層以及深孔注漿加固區(qū)采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，劃分為三角形單元;新增通道和4號(hào)線的二襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行模擬;整個(gè)模型共計(jì)2 567個(gè)單元，3 458個(gè)節(jié)點(diǎn)。

假定土層是均質(zhì)的和各向同性的，且為水平層狀分布，其變形破壞特征符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，既有線結(jié)構(gòu)、通道初支和二襯。均簡(jiǎn)化為彈性本構(gòu)模型。各土層的力學(xué)參數(shù)見表 1，深孔注漿加固的力學(xué)參數(shù)見表2。

2.2 模擬步序

CRD法開挖分區(qū)示意圖如圖3所示。本文主要研究2種不同的開挖方案對(duì)既有線結(jié)構(gòu)受力和形變的影響。方案1，模擬步序是先行開挖緊鄰既有線部分，即開挖順序依次是Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ;方案2，模擬步序是先行開挖背離既有線部分，即開挖順序依次是Ⅲ→Ⅳ→Ⅰ→Ⅱ。在開挖Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)時(shí)，均采用預(yù)留核心土方法。方案1模擬步序如下。

（1）進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡的計(jì)算，模擬施工開挖前既有線所處地層的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。

（2）開挖Ⅰ區(qū)導(dǎo)洞并保留核心土，激活初支結(jié)構(gòu)單元，修改加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)，施作初支，及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿。

（3）開挖Ⅰ區(qū)核心土部分，施作仰拱，激活仰拱結(jié)構(gòu)單元。

（4）開挖Ⅱ區(qū)土體，激活該區(qū)初支結(jié)構(gòu)單元，修改加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)，然后激活該區(qū)仰拱結(jié)構(gòu)單元。

（5）采用與Ⅰ區(qū)相同的方法開挖Ⅲ區(qū)。

（6）采用與Ⅱ區(qū)相同的方法開挖Ⅳ區(qū)。

（7）拆除下部臨時(shí)中隔壁結(jié)構(gòu)單元，激活二襯結(jié)構(gòu)單元。

（8）拆除上部臨時(shí)中隔壁結(jié)構(gòu)單元，完成施工過程模擬。

方案2模擬步序與上述（1）～（8）類同，從Ⅲ區(qū)開始模擬開挖。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 先行開挖緊鄰既有線部分（方案 1）

3.1.1 既有線結(jié)構(gòu)位移趨勢(shì)

圖4為先行開挖緊鄰既有線部分（方案1）條件下不同模擬步序時(shí)的位移云圖。下面根據(jù)圖4分析各個(gè)模擬步序時(shí)的位移變化。

（1）由圖4a可知，預(yù)留Ⅰ區(qū)核心土待開挖，此時(shí)位移主要集中在核心土的臺(tái)階部分，根據(jù)位移箭頭可看出核心土底部土體發(fā)生局部上拱，而既有線部分的位移不明顯。

（2）由圖4b可知，當(dāng)完成Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的開挖并施工左側(cè)的初支和橫向隔墻時(shí)，橫向隔墻的位移最大，Ⅱ 區(qū)底部土體呈上拱變形，既有線右線的位移箭頭指向已開挖區(qū)，表明此步的開挖擾動(dòng)已引起既有線發(fā)生形變，橫向隔墻在抑制地層和結(jié)構(gòu)變形中發(fā)揮了顯著作用。

（3）由圖4c可知，當(dāng)全部完成開挖并施工初支、橫豎向隔墻時(shí)，開挖擾動(dòng)引起的既有線結(jié)構(gòu)位移達(dá)到最大，左線和右線位移箭頭均指向開挖區(qū)，同時(shí)，橫、豎向隔墻的位移最顯著，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)底部土體發(fā)生上拱變形，由此表明，隨著開挖卸荷范圍的擴(kuò)大，地層擾動(dòng)的范圍亦隨之增大，隔墻繼續(xù)發(fā)揮抑制地層和結(jié)構(gòu)變形的作用。

（4）由圖4d可知，當(dāng)拆除全部隔墻并施工完二襯以后，二襯結(jié)構(gòu)的位移最顯著，表明此時(shí)二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)了地層松動(dòng)引起的主要荷載，有效地抑制了既有線結(jié)構(gòu)的形變。

3.1.2 既有線結(jié)構(gòu)計(jì)算點(diǎn)位移

圖5為既有線左線和右線結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的位移和應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)布置示意圖，其中，Z4和Y4分別表示左線和右線距離開挖區(qū)最近的計(jì)算點(diǎn)。

圖6、圖7分別為既有線左線和右線計(jì)算點(diǎn)位移、應(yīng)力與模擬步序的關(guān)系曲線，圖6、圖7分析如下。

（1）隨著開挖范圍的增大，左線和右線計(jì)算點(diǎn)的位移不斷增大，在模擬6步序時(shí)（即完成4個(gè)分區(qū)的全部開挖和初支施工），位移達(dá)到最大值，隨著二襯的施工，左線和右線計(jì)算點(diǎn)的位移有所回落。對(duì)比圖6a和圖6b可知，新增通道施工對(duì)右線形變的影響顯著大于左線，左線Z2計(jì)算點(diǎn)（底拱）的形變最大，右線Y3計(jì)算點(diǎn)形變最大。

（2）左線和右線計(jì)算點(diǎn)的豎向應(yīng)力變化趨勢(shì)與位移變化趨勢(shì)一致，即應(yīng)力擾動(dòng)幅度隨開挖面積增大而不斷增大，在模擬步序6時(shí)達(dá)到最大值，并在二襯施工完成后，應(yīng)力擾動(dòng)幅度有所回落，另外，應(yīng)力擾動(dòng)最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置是左線Z2計(jì)算點(diǎn)和右線Y3計(jì)算點(diǎn)。由此說明，開挖卸荷的應(yīng)力擾動(dòng)是引起既有線結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的本質(zhì)原因，距離開挖區(qū)越近，擾動(dòng)幅度越大，對(duì)左線的底拱影響最大，而對(duì)右線的右側(cè)墻擾動(dòng)最大。

3.2 先行開挖背離既有線部分（方案 2）

3.2.1 既有線結(jié)構(gòu)位移趨勢(shì)

圖8表示先行開挖背離既有線部分條件下不同模擬步序的位移云圖。下面根據(jù)圖8分析各個(gè)模擬步序的位移變化。

（1）由圖8a和圖8b可知，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)開挖完成后，變形主要集中在開挖區(qū)附近土體及橫向隔墻，對(duì)既有線結(jié)構(gòu)的位移影響較少，這是由于開挖區(qū)距離既有線結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)。

（2）由圖8c和圖8d可知，當(dāng)整個(gè)斷面開挖完成且初支施工后，既有線結(jié)構(gòu)存在顯著位移，二襯施工完成后在一定程度上抑制了地層的形變對(duì)既有線結(jié)構(gòu)的影響，由此可見，既有線結(jié)構(gòu)形變主要來自于開挖Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)應(yīng)力擾動(dòng)。

3.2.2 既有線結(jié)構(gòu)計(jì)算點(diǎn)位移

圖9、圖10分別表示既有線左線和右線計(jì)算點(diǎn)位移、應(yīng)力與模擬步序的關(guān)系曲線，圖9、圖10分析如下。

（1）既有線結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力擾動(dòng)幅度在模擬步序6之前不斷增大，然后隨著二襯施工完成，兩者的值有所下降。

（2）左線Z2計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力擾動(dòng)和形變最顯著，右線Y3計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力擾動(dòng)和形變最顯著。

4 結(jié)論及建議

方案1在整個(gè)施工過程對(duì)既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著擾動(dòng)影響，而方案2在施工左上開挖分區(qū)Ⅰ、左下開挖分區(qū)Ⅱ?qū)扔芯€結(jié)構(gòu)擾動(dòng)不大，因此，若對(duì)左上開挖分區(qū) Ⅰ、左下開挖分區(qū)Ⅱ施工過程有嚴(yán)格位移控制要求的，建議優(yōu)先選擇方案2。然而，方案1的最終擾動(dòng)程度顯著低于方案2，因此，從最終的安全控制角度來看，推薦采用方案1。

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收稿日期 2020-05-15

責(zé)任編輯 朱開明