特大跨度超大断面地铁车站快速施工技术研究

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摘要：目前城市地铁发展很快，大面积暗挖车站越来越多。针对工程大跨度超大断面隧道的情况，利用ANSYS有限元软件可以在开挖前对其进行数值模拟，分析特大跨度超大断面隧道快速施工技术问题，提出相关措施，以缩短工期，降低成本。该研究对同类建筑物的施工设计具有参考意义。

关键词：地铁车站；特大跨度超大断面；三维Ansys；有限元分析

中图分类号：U231+.4 文献标志码： 文章编号：

1、前言

随着国家经济的飞速发展，城市建设速度也是愈来愈快。就城市轨道交通而言，很大部分车站是特大跨度超大断面暗挖隧道工程。而特大跨度超大断面隧道通常的施工方法是双侧壁导坑，但该施工工艺多，而且其中导洞上台阶开挖时，两侧壁导坑已经落底，造成高差较大，所有人员、材料、机具上下极为困难，而且上台阶除碴全用人工，因此此方法施工速度较慢。因此，有必要研究特大跨度超大断面隧道快速施工技术问题。

为此，本文以重庆市轨道交通6号线二期金山寺车站特大跨度超大断面暗挖隧道工程为依托，运用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对其采用双侧壁导坑、上台阶单侧壁下台阶双侧壁导坑、三台阶等施工方法的全过程进行弹塑性数值仿真对比分析研究，提出合理的施工方案为类似工程提供参考依据。

2、工程概况

金山寺车站位于渝北区白云路和礼嘉大道交汇处。车站里程 YCK36+298.791~ CK36 +495.391，车站全长190.5m，含出入口3座、风道及风井2座、紧急疏散通道1座 、施工通道一座（含233m主通道和193m支通道)。开挖总宽20.6m，总高度为17.4m，开挖断面为306.4m2顶板埋深约为27~40m，属于深埋车站。施工通道开挖宽6.6米，主通道接车站上导坑，主通道外边缘距离车站大里程端头44.46米，距支通道外边缘125.09米，接车站上台阶；支通道接车站下导，外边缘距小里程端头7.75米。初期支护采用I22b型钢拱架，间距50~75公分，喷C25早强混凝土厚30公分。车站的主要风险为大断面开挖及附属接口较多。原设计方案为双侧壁导坑法，施工步序如图２.1所示。

现拟定采用“薄壁隔墙法”，以新奥法为基本原理，在双侧壁导坑法的基础上结合台阶法、CRD法的优点，考虑钻爆施工的影响因素，上部开挖支护取自台阶法基本原理，中下部开挖支护遵循双侧壁导坑法的步序与支护参数，施工步序如图2.2所示。

图2.1 双侧壁导坑法施工步序示意图图2.2 薄壁隔墙法施工步序示意图

3、建立ANSYS模型

根据拟选定方案的施工步序划分与断面划分，分工况建立力学模型进行了安全稳定性验算。因本研究施工技术先取核心土，再做仰拱而后施工拱墙二衬，其薄壁隔墙为临时辅助支撑措施，在上台阶开挖期间及核心土开挖至拱墙二衬施工期间均不存在，其目的在于减少拱部临空时间，为辅助措施。因此，本技术实际受力特点类似台阶法，按受力最不利情况建立力学模型即“台阶法开挖力学模型”。以重庆轨道交通六号线二期金山寺站位地质情况、设计参数为模型计算台阶法施工理论应力值、变形值。

表3-1薄壁隔墙法断面划分参数

距离金山寺车站隧道最近建筑物为龙湖∙悠山香庭水平距离为29.7米，垂直距离为31米，斜距为43米，为钢筋混凝土结构房屋，规范要求最大振动速率为V=3.5~4.5cm/s；采用分段延时爆破方式，单断起爆最大药量预计按最大循环用药的30%计算，为36.3kg，根据规范K取值300，a取值1.9。

模型尺寸为：隧道中线左右分别取50m，竖直向上取至地表，地表至下边界80m纵向取15m,按最不利荷载考虑，故计算时按自重应力场计算。整个计算模型有限元网格共有240422个空间单元，节点总数为44967个，有限元网格划分如图3.1所示。

图3.1计算模型

在模拟开挖过程中，隧道开挖和初期支护在相应边界节点应力释放60%，施作二衬和仰拱完成后在相应边界节点应力释放40%。数值模拟分8步进行：① 模拟初始地应力场 ② 车站主洞的上台阶开挖 ③ 车站主洞的上台阶初期支护 ④ 车站主洞的阶开挖 ⑤ 车站主洞的阶初期支护 ⑥ 车站主洞的下台阶开挖 ⑦:车站主洞的下台阶初期支护 ⑧ 车站主洞的二衬施做。

4计算结果分析

本文列举特大跨度超大断面地铁车站快速施工技术按累计变形最大及隧道初支受力最不利阶段的围岩应力、初支应力、初支变形的理论计算值，即核心土开挖完毕，主体仰拱施工前（第⑦~⑧阶段）的受力及变形情况。根据计算分析

4.1位移分析

图4.1～4.2车站主洞下台阶初期支护完成后位移云图。最大水平位移为0.650mm，最小水平位移为-0.634mm。最大竖向位移为3.223mm，最小竖向位移为-1.989mm。

图4.1隧道水平位移云图 图4.2 隧道竖向位移云图

4.2围岩应力分析

车站主洞下台阶初期支护完成后围岩第一主应力、第三主应力图。最大第一主应力为2.46Mpa,最小第一主应力为-0.481Mpa；最大第三主应力为0.0552Mpa,最小第三主应力为-5.32Mpa。如图4.3、4.4所示。

图4.3 隧道围岩第一主应力云 图4.4隧道围岩第三主应力云

4.3初支应力分析

车站主洞下台阶初期支护完成后初支应力云图。最大S1主应力为2.46Mpa，最小S3主应力为-0.984Mpa。如图4.5～4.6所示。

图4.5隧道初支第一主应力云图 图4.6隧道初支第三主应力云图

根据计算结果，按台阶法为模型计算出理论变形量、围岩应力、初支应力在围岩抗压强度（本案例岩层自然抗压强度12.7MPa）及初支抗压强度（20MPa）以内，变形量小于设计要求最大变形量，理论可行。

5结语

本项目是以重庆市轨道交通6号线二期金山寺车站特大跨度超大断面暗挖隧道工程为依托完成的，建立了特大跨度超大断面暗挖隧道施工工艺研究的的有限元模型，对各施工工艺的力学行为进行了仿真模拟。基于监控量测技术，爆破控制技术，隧道加固技术，数理统计分析技术，得到了特大跨度超大断面地铁车站快速施工技术在成本方面特点：与双侧壁法相比，可节省核心土上台阶两侧临时支护锚杆，直接工程费基本一致，但总造价相对较少，主要体现在因工期减少而节约的间接成本如管理人员工资、机械租赁费、爆破管理费等，因此成本较低。随着我国经济社会的快速发展，城市建设的快速推进，这种位于特大跨度超大断面隧道的轨道车站见愈来愈多，建设速度要求也将愈来愈高，本文的研究成果将在加快类似隧道工程的安全快速建设发挥重要的指导作用。

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