地铁换乘车站单层段结构施工研究

柴桂明

（中铁十八局集团公司 天津）

一、引言

隧道开挖过程中，由二次应力场造成的地层变形，会逐渐传递到地表，从而导致地表沉降。即使相同的结构断面形式，采用不同的施工法施工，引起的地层变形和地表沉降是不同的。对长春地铁1号线解放大路站1号线与2号线交叉的单层结构采用的3连拱双柱结构形式，从理论上分析其采用中洞法和侧洞法施工引起的地表沉降规律和大小。

借助商用有限差分软件FLAC3D，模拟分析了1号线与2号线交叉的单层结构施工过程，对比中洞法和侧洞法2种工况下地层沉降规律和大小。为保证理论分析的准确性，2种工法的分析计算采用完全相同结构断面形式、埋深、地质参数、边界条件、初期支护结构参数等。

1.模型基本假定及建模说明

表1 土层和计算参数表

地层材料采用摩尔-库仑准则、大应变变形模型计算。假定地表和各土层均成层均质水平分布，土层参数见表1。地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化。初始应力按照将模型材料取为弹性材料（不设置粘聚力和内摩擦角），运行平衡然后将材料换为摩尔-库伦材料再运行平衡获得。不考虑地下水在开挖过程中的影响。计算建模时，对洞周及关心的部位加密网格剖分。管棚作为安全储备，在计算中不予考虑。

图1 侧洞法模型

2.侧洞法地表沉降规律研究

（1）建模（图1、图2）。根据圣维南原理和实际计算的需要，模型几何尺寸设定为60×15×40 m（长×宽×高）。模型上表面为自由面，对其他5个表面的法向位移进行约束。

（2）地表沉降规律研究。

①侧洞法施工步序（表2）。将各洞编号（编号图略），按表2施工步骤操作。

图2 侧洞法模型网格

②侧洞法开挖过程沉降槽变化曲线及规律

图3 施工各阶段沉降槽曲线

图4 侧洞法各部沉降组合

从侧洞法施工过程地表沉降槽变化图和地表沉降曲线可知，侧洞法初次开挖1号洞引起的地表沉降较小，只有4.62 mm，随着1号洞室支护的建立，地层沉降率逐渐下降。3号洞开挖后，3号洞的开挖造成地表沉降速率加大，这是由于侧洞竖向隔壁没有完全封闭形成受力结构的原因。随着侧洞开挖形成稳定的支护体系，地层变形逐步稳定。中洞上台阶开挖，地表沉降增量逐渐增大达36.38 mm，这是由于侧洞稳定后，中洞开挖但支护没有建立的原因，造成地表沉降变化量过大，随着中洞支护体系的建立地层沉降趋于稳定。

3.中洞法地表沉降规律研究

（1）建模。中洞法模型网格划分如图6和图7所示。

（2）地表沉降规律研究。

①中洞法施工步序（表4）。将各洞编号（编号图略），按表4施工步骤操作。

②中洞法开挖过程沉降槽变化曲线及规律。

表2 侧洞法施工步序

表3 各阶段地表沉降量占全部沉降量比

图5 侧洞法最终沉降图

图6 中洞法模型

从中洞法施工过程地表沉降槽变化图及地表沉降曲线可知，中洞法初次开挖1号洞引起的地表沉降较小，只有4.42 mm，随着1号洞室支护的建立，地层沉降率逐渐下降。3号洞开挖后，3号洞的开挖造成地表沉降速率加大，这是由于中洞竖向隔壁没有完全封闭形成受力结构的原因。随着中洞开挖形成稳定的支护体系，地层变形逐步稳定。侧洞7号洞室开挖，地表沉降增量逐渐增大达31.2 mm，这是由于中洞稳定后，侧洞开挖但支护没有建立的原因，造成地表沉降变化量过大，随着侧洞支护体系的建立地层沉降趋于稳定。

图7 中洞法模型网格

4.中洞法和侧洞法地层沉降对比分析

从中洞法与侧洞法地表沉降对比曲线可以看出，测洞法施工地表沉降小于中洞法施工引起的地表沉降，这是由于采用中洞法施工时，中洞上方土体经受多次扰动，形成危及中洞的上小下大的梯形、三角形，土体直接压在中洞上，中洞施工若不够谨慎就可能发生坍塌。采用该工法施工引起的地面沉降较大，而侧洞法则不会出现这种情况。

表5 各阶段地表沉降量占全部沉降量比

图8 施工各阶段沉降槽曲线

图9 中洞法施工完成沉降云图

图10 中洞法地表沉降曲线

总结从整个施工过程来看，可以把各个工法的开挖顺序分为中部开挖和侧部开挖2个阶段。中洞法中部开挖引起的地表沉降约占总沉降的55.79%，侧部开挖引起的地表沉降约占总沉降的44.21%；侧洞法侧部开挖引起的地表沉降约占总沉降的60.32%，中部开挖引起的地表沉降约占总沉降的39.68%。对于各工法第1阶段的沉降量都大于第2阶段，即使是第2阶段的土方开挖量明显大于第1阶段的柱洞法，其第1阶段沉降量仍然大于第2阶段。这说明第1阶段开挖后大刚度的支护和传力体系的建立可以减小开挖对土体的扰动。从减小地表沉降的目的出发，应该尽快完成第1阶段的洞形，从而可以尽早形成稳定的支护结构，有效控制地层沉降。第1阶段开挖完成后，应加强观测，对地层进行超前支护，合理安排施工步序，以降低第2阶段初次开挖引起的地表沉降。

图11 侧洞法与中洞法地表沉降对比曲线