張 華，商學旋，雷 奇，席 宇，劉 義，楊 焜，李 偉

(1.陜西建工集團股份有限公司，陜西 西安 710003； 2.陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西 西安 710082)

0 引言

近年來，城市密集區(qū)地下軌道交通建設(shè)發(fā)展迅猛，為保證地面交通正常運行、減小施工對周圍環(huán)境的影響，在城市地下軌道交通新建、擴建過程中，多采用暗挖法施工。暗挖施工過程中，地下空間交叉結(jié)構(gòu)受荷條件、邊界支承條件會隨土體卸荷、交叉部位失去支承約束而發(fā)生改變，其受力與變形控制至關(guān)重要。劉明忠等[1]結(jié)合北京地鐵10號線工程，進行了交叉部位雙向扣拱施工方案比選，優(yōu)化完善立體交叉結(jié)構(gòu)受力分析、技術(shù)組織措施，形成了交叉部位雙向扣拱技術(shù)。房旭[2]主要開展了PBA洞樁法新建地鐵車站與既有地鐵車站相交形成的空間交叉結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形和受力分析，優(yōu)化了施工方案。張建新[3]分析了車站交叉區(qū)段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全系數(shù)，結(jié)合實際工程提出了進洞方案和施工加固措施。黃明利等[4]依托重慶北站交叉隧道工程，開展了交叉隧道施工過程力學及變形仿真分析，并與監(jiān)測值進行對比分析，驗證了施工方案的合理性。由此可見，城市地下軌道交通建設(shè)過程中空間交叉結(jié)構(gòu)暗挖施工階段的安全控制值得研究。

西安地鐵2號線二期工程何家營車站設(shè)計采用三跨雙柱式地下2層現(xiàn)澆直墻三聯(lián)拱結(jié)構(gòu)形式，采用PBA洞樁法暗挖施工，施工工序轉(zhuǎn)換頻繁，且工期緊，導洞需與風道、橫通道等多種空間交叉結(jié)構(gòu)施工作業(yè)，潛在風險較大。本文依托該工程，開展毗鄰風道初期支護結(jié)構(gòu)PBA洞群暗挖施工安全控制研究，為工程方案決策提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

何家營車站位于西安市長安區(qū)南長安街與神禾二路十字路口北側(cè)下，沿南長安街南北向布設(shè)，南長安街實現(xiàn)規(guī)劃道路雙向6個機動車道、2個機非混合道，神禾二路規(guī)劃道路雙向4車道。車站地處黃土臺塬區(qū)，所在地層自上而下依次為素填土層、新黃土層、古土壤層、老黃土層、古土壤層和老黃土層，地下穩(wěn)定水位在地表以下31～32m。車站設(shè)計為島式站臺車站，站臺主體長度約230.3m，結(jié)構(gòu)標準段寬度約21.9m，總高約16.5m，結(jié)構(gòu)拱部埋深13.3～24.8m，車站南、北端接風道結(jié)構(gòu)，標準段共設(shè)置3座施工豎井及橫通道，如圖1所示。車站北端1號風道(風井)兼作盾構(gòu)機出入井，由于該線路常寧站—何家營站區(qū)間盾構(gòu)施工工期短，為便于及時接收和吊出盾構(gòu)機，現(xiàn)場先進行車站1號風道施工豎井及其西側(cè)風道施工，同時通過1～3號施工豎井及橫通道開展車站正線PBA洞群暗挖施工。

1號風道施工豎井平面凈尺寸為5.4m×14.7m，井深36.1m，采用倒掛井壁法施工，施工前對周邊地層采用超前小導管注漿加固，初期支護系統(tǒng)采用等間距格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)及型鋼對撐、角撐。豎井西側(cè)風道進深28.75m，跨度13.3m，開挖高度25.0m，初期支護系統(tǒng)采用等間距格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)(鋼架上設(shè)置鎖腳錨管)，內(nèi)設(shè)型鋼-噴射混凝土中隔壁、型鋼-噴射混凝土仰拱，共5層、10個暗挖導洞，采用預留核心土施作，施工前對周邊地層進行超前管棚和小導管注漿加固。

車站主體PBA洞群設(shè)計采用“上4下2”導洞形式，上部4個導洞開挖寬度均為4.0m，高度均為5.0m，采用臺階法施工；下部2個導洞開挖寬度均為11.4m，高度均為6.0m，采用CD法施工。各導洞初期支護系統(tǒng)采用等間距格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)(鋼架上設(shè)置鎖腳錨管)，下導洞內(nèi)設(shè)型鋼-噴射混凝土中隔壁，施工前對周邊地層進行超前管棚和小導管注漿加固。

由于風道10個導洞及PBA洞群暗挖施工易引發(fā)群洞效應(yīng)，且洞群與1號風道形成空間交叉結(jié)構(gòu)，整個車站暗挖施工風險較大。

2 模型建立與驗證

建立車站1號風道施工豎井、豎井西側(cè)風道及毗鄰風道PBA洞群的三維有限元力學計算模型，建模區(qū)域如圖1虛線框所示。通過對比分析豎井、風道施工誘發(fā)地表與結(jié)構(gòu)的變形計算值與監(jiān)測值，對計算模型進行驗證。

2.1 模型建立

1)模型尺寸

基于研究對象，結(jié)合GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[5]和DBJ 61—98—2015《西安城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[6]中的影響區(qū)劃分，確定三維模型x，y，z向尺寸分別為80，180，75m，x向為平行于車站正線方向，y向為平行于1號風道方向，z向為平行于重力方向，計算模型如圖2所示。

2)單元及材料本構(gòu)

土體采用實體單元模擬，材料采用修正莫爾-庫侖本構(gòu)關(guān)系；豎井、風道及PBA洞群的格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)、中隔壁、仰拱均采用等效板單元模擬，角撐及對撐采用桁架單元模擬，鎖腳錨管及管棚采用植入式桁架單元模擬，以上材料均采用線彈性本構(gòu)關(guān)系；注漿加固區(qū)采用實體單元模擬，土體本構(gòu)關(guān)系同原土層[7]。土體物理力學參數(shù)如表1所示，材料參數(shù)如表2所示。

3)等效模擬

將超前小導管注漿加固范圍地層通過厚度等效換算為注漿土[8]，確定風道導洞拱部外圈取0.6m厚注漿土，PBA洞群拱部外圈取1.0m厚注漿土。將格柵鋼架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)、型鋼-噴射混凝土結(jié)構(gòu)通過剛度等效換算為混凝土結(jié)構(gòu)[8]。

表1 土體物理力學參數(shù)

表2 材料參數(shù)

4)施工階段劃分

依據(jù)現(xiàn)場施工方案和進度，將1號風道施工豎井及西側(cè)風道1號導洞的施工過程共劃分為11個階段：①豎井第3榀格柵鋼架施工完畢；②豎井第8榀格柵鋼架施工完畢；③豎井第13榀格柵鋼架施工完畢；④豎井第20榀格柵鋼架施工完畢；⑤豎井施工至風道1號導洞下3榀(臨時封底)；⑥風道1號導洞進尺5.0m；⑦風道1號導洞進尺10.0m；⑧風道1號導洞進尺15.0m；⑨風道1號導洞進尺20.0m；⑩風道1號導洞進尺25.0m；風道1號導洞施工完畢。

5)計算假定

計算假定如下：①各土層平整，厚度取各土層厚度平均值；②計算荷載考慮土體及結(jié)構(gòu)自重、地面超載20kPa；③土體開挖與支護簡化為同一施工階段進行，施工步距0.5m；④模型底面約束x，y，z向位移，頂面為自由面，其余面各自約束其法向(x向或y向)位移；⑤由于地下水位穩(wěn)定且開挖面未到達地下水位面，計算不予考慮。

2.2 模型驗證

結(jié)合現(xiàn)場施工和監(jiān)測進度，分別選取豎井周邊地表沉降監(jiān)測點DB1-33，DB1-44，DB1-38，DB1-53，鎖口圈梁收斂監(jiān)測點SL1-6，SL1-7及風道1號導洞拱頂沉降監(jiān)測點FDS1-121和收斂監(jiān)測點FDS1-12作為分析對象(見圖3)，各監(jiān)測點變形計算值和監(jiān)測值對比如圖4所示。

由圖4可知，除監(jiān)測點DB1-53在豎井施工至風道1號導洞下3榀(臨時封底)直至導洞進尺10.0m階段因受監(jiān)測點周邊地表堆載影響出現(xiàn)監(jiān)測值與計算值偏差較大外，在豎井開挖直至風道1號導洞施工完畢階段，各監(jiān)測點變形計算值與監(jiān)測值隨施工階段的推進變化趨勢基本一致，即在豎井開挖過程中，地表沉降及鎖口圈梁收斂變形不斷增大，而在風道1號導洞開挖過程中，地表沉降及鎖口圈梁收斂變形基本保持穩(wěn)定，但導洞拱頂沉降及收斂變形不斷增加直至導洞施工完畢后趨于穩(wěn)定。由此可見，計算模型所取參數(shù)合理，可進一步開展毗鄰風道初期支護結(jié)構(gòu)PBA洞群暗挖施工安全控制研究。

3 PBA洞群施工安全控制

本工程既定施工方案為風道二次襯砌施工結(jié)束后由風道處轉(zhuǎn)進車站洞群施工，但受工期和現(xiàn)場進度影響，1號施工豎井及橫通道已形成，為加快車站正線施工進度，將方案調(diào)整為風道初期支護結(jié)構(gòu)形成后，由PBA洞群向風道方向施工。建立PBA洞群與風道交叉區(qū)域模型(見圖5)，考慮豎井、風道施工路徑效應(yīng)，以風道初期支護結(jié)構(gòu)作為重點分析對象，開展洞群暗挖施工安全控制研究。

3.1 計算條件與施工階段

3.1.1計算條件

以豎井、風道施工路徑效應(yīng)作為洞群暗挖施工計算分析的前提條件，洞群開挖與支護簡化為同一施工階段進行，施工步距0.5m。

3.1.2施工階段

根據(jù)現(xiàn)場施工進度和論證優(yōu)化的車站正線洞群暗挖方案，主要選取以下施工階段進行分析：①1號風道初期支護結(jié)構(gòu)施工完畢；②洞群均施工至距風道初期支護結(jié)構(gòu)10.0m；③下1-D導洞施工至風道；④上1導洞施工至風道；⑤下2-D導洞施工至風道；⑥上4導洞施工至風道；⑦下1-C導洞施工至風道；⑧下2-C導洞施工至風道；⑨上2導洞施工至風道；⑩上3導洞施工至風道。

3.2 結(jié)果分析

1號風道初期支護結(jié)構(gòu)主要由格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)、中隔壁及仰拱構(gòu)成，主要基于洞群施工誘發(fā)風道初期支護結(jié)構(gòu)各組成部分的內(nèi)力、格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)與地表的變形展開分析。

3.2.1內(nèi)力

統(tǒng)計各施工階段風道初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值，并對格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)、中隔壁及仰拱軸力和彎矩進行歸一化處理(各施工階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值與1號風道初期支護結(jié)構(gòu)施工完畢階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值的比值，稱為比例系數(shù))，結(jié)果如圖6所示。

由圖6a可知，隨著車站正線洞群向風道方向施工，各階段格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)彎矩最大值略有增加，均發(fā)生在拱架底部，增量僅7%；各階段結(jié)構(gòu)軸力不斷增大，從1號風道初期支護結(jié)構(gòu)施工完畢到車站正線洞群均施工至距風道10.0m位置時，結(jié)構(gòu)軸力最大值由風道第5層拱架北側(cè)壁轉(zhuǎn)移至與下1導洞交叉的第5層拱架南側(cè)壁(與車站正線洞群交叉區(qū)域，下文同)，且在下1-D、下1-C導洞施工至風道階段，結(jié)構(gòu)軸力增加明顯，增量分別達47%，54%，但自下2-C、上2、上3導洞施工階段，結(jié)構(gòu)軸力增量基本不變。

由圖6b可知，隨著車站正線洞群向風道方向施工，各階段型鋼-噴射混凝土中隔壁結(jié)構(gòu)彎矩最大值略有減小，結(jié)構(gòu)軸力最大值略有增加，且各施工階段結(jié)構(gòu)最大彎矩、軸力均發(fā)生在底部，增量均≤5%。

由圖6c可知，隨著車站正線洞群向風道方向施工，各階段型鋼-噴射混凝土仰拱結(jié)構(gòu)彎矩最大值略有增加，從1號風道初期支護結(jié)構(gòu)施工完畢到下1-C導洞施工至風道，結(jié)構(gòu)彎矩最大值由風道第4層仰拱與中隔壁交匯處轉(zhuǎn)移至第3層仰拱與拱架南側(cè)壁交匯處，增量≤9%；各階段軸力最大值不斷增大，從1號風道初期支護結(jié)構(gòu)施工完畢到下2-D導洞施工至風道，結(jié)構(gòu)軸力最大值由第3層仰拱轉(zhuǎn)移至第4層仰拱與拱架南側(cè)壁交匯處，且在下1-C導洞施工至風道階段，結(jié)構(gòu)軸力增加明顯，增量達90%，但自下2-C、上2、上3導洞施工階段，結(jié)構(gòu)軸力增量基本不變。

綜上所述，車站正線洞群施工誘發(fā)風道初期支護結(jié)構(gòu)的彎矩增量較小，風道格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)、型鋼-噴射混凝土仰拱的軸力增量較大，尤其在下1-C導洞施工至風道階段，結(jié)構(gòu)軸力增加明顯，且此階段格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)已不滿足規(guī)范允許的安全承載要求。風道初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生上述變化的主要原因是受與之毗鄰的車站正線導洞施工誘發(fā)風道初期支護結(jié)構(gòu)邊界約束變化、土體應(yīng)力釋放及風道導洞施工路徑效應(yīng)的綜合影響[9-10]。

3.2.2結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算結(jié)果如圖7所示。依據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[11]的規(guī)定，在“主要荷載+附加荷載”組合下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)取為1.7，隧道按所采用的施工方法檢算施工階段強度時，安全系數(shù)可按規(guī)定值乘以折減系數(shù)0.9，故格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)應(yīng)≥1.53。

由圖7可知，隨著車站正線洞群向風道方向施工，自下1-C導洞施工至風道階段開始，格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)<1.53，已不滿足安全承載要求。

3.2.3變形

統(tǒng)計各施工階段風道格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)與地表最大變形值(見圖8)，變形為正值時，變形方向為計算模型x，z軸坐標正向，變形為負值時，變形方向為計算模型x，z軸坐標反向。

由圖8可知，隨著車站正線洞群的施工，格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)及地表最大變形值未發(fā)生明顯變化，均滿足變形監(jiān)測控制要求。風道格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)豎向變形主要表現(xiàn)為拱頂沉降和拱底隆起，其中拱頂沉降最大值約為9.3mm，拱底隆起最大值約為19.9mm。風道格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)水平向變形主要表現(xiàn)為拱架南、北側(cè)壁均向風道挖空區(qū)位移，最大值分別為4.7，2.5mm，均發(fā)生在風道初期支護結(jié)構(gòu)第4層區(qū)域，即風道總高度的3/5～4/5區(qū)域。地表變形表現(xiàn)為沉降，最大值約為7.6mm，主要發(fā)生在風道上方對應(yīng)地表區(qū)域，其不隨車站正線導洞施工而發(fā)生明顯變化，這是受風道施工誘發(fā)地表沉降累積效應(yīng)的影響，但在車站正線洞群施工階段，地表沉降區(qū)域逐漸由風道上方地表向洞群上方地表擴大。

綜上所述，為確保洞群暗挖施工安全，建議車站正線下1-C、下2-D導洞施工安全距離控制在距風道初期支護結(jié)構(gòu)10.0m，且為避免上2、上3導洞初期支護結(jié)構(gòu)受下1-C、下2-C導洞施工誘發(fā)的二次擾動，上2、上3導洞施工安全距離同樣控制在距風道初期支護結(jié)構(gòu)10.0m，并應(yīng)考慮構(gòu)造措施進行各導洞掌子面臨時封堵，待風道二次襯砌結(jié)構(gòu)施作后，再進行下1-C、下2-C、上2、上3導洞貫通施工，其余導洞可先行施工至風道。

4 結(jié)語

本文基于三維有限元力學計算模型，考慮豎井、風道施工路徑效應(yīng)，開展毗鄰風道初期支護結(jié)構(gòu)PBA洞群暗挖施工安全控制研究，主要得出以下結(jié)論。

1)對比豎井、風道施工誘發(fā)地表及結(jié)構(gòu)的變形計算值與監(jiān)測值，驗證了三維有限元力學計算模型的合理性，可用于PBA洞群暗挖施工安全控制研究。

2)基于調(diào)整后方案，隨著車站正線洞群施工，風道初期支護結(jié)構(gòu)彎矩增量較小，風道格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)、型鋼-噴射混凝土仰拱軸力增量較大，尤其在下1-C導洞施工至風道階段，結(jié)構(gòu)軸力增加明顯，且自此階段開始，格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)小于規(guī)范允許限值1.53，已不滿足安全承載要求。

3)基于調(diào)整后方案，隨著車站正線洞群施工，格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)及地表最大變形值未發(fā)生明顯變化，均滿足變形監(jiān)測控制要求。風道格柵拱架-噴射混凝土結(jié)構(gòu)豎向變形主要表現(xiàn)為拱頂沉降、拱底隆起，水平向變形主要表現(xiàn)為拱架側(cè)壁向風道挖空區(qū)位移，且最大值均發(fā)生在風道總高度的3/5～4/5區(qū)域。地表最大沉降變形主要發(fā)生在風道上方地表區(qū)域，但隨著洞群施工，地表沉降區(qū)域逐漸由風道上方地表向洞群上方地表擴大。

4)為確保PBA洞群安全施工，綜合洞群施工誘發(fā)毗鄰風道初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形、結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及地表變形計算結(jié)果，建議車站正線下1-C、下2-C、上2、上3導洞施工安全距離控制在距風道初期支護結(jié)構(gòu)10.0m，并應(yīng)考慮采取構(gòu)造措施進行掌子面臨時封堵，待風道二次襯砌結(jié)構(gòu)施作后可貫通施工，其余導洞可先行施工至風道。