黄土地层PBA暗挖车站主体结构与附属出入口连接段施工技术研究

黄土地层PBA暗挖车站主体结构与附属出入口连接段施工技术研究

吴熊熊

陕西建工铁建工程有限公司  710000

摘要：以西安市地铁2号线二期工程何家营站车站主体与暗挖附属出入口连接段施工为背景，采用三维有限元分析“在车站主体初期支护结构施工完成后，未施工二衬结构时，利用既有横通道开始进行出入口暗挖段施工”的影响，对该施工过程进行动态数值模拟，分析出入口与车站主体连接段的地表沉降、净空收敛及结构应力变化情况，为方案的可实施性提供理论依据。

计算结果表明：附属出入口通道的开挖施工对施工区域周边地表沉降影响较小；对车站已完成的导洞竖向变形基本无影响；对相邻横通道顶部的初支竖向变形增大，数值较小；对车站内边桩的水平收敛变形，数值较小；总体来说，在车站初期支护结构完成的情况下，从车站方向利用围护结构进行出入口暗挖段施工，对既有车站结构影响较小。

关键词：黄土地层  暗挖地铁车站 附属出入口  连接段  三维数值模拟

1工程概况

1.1工程概况

何家营站为地下二层岛式双柱三跨框架结构，长230×宽21.9m，高16.5m，车站主体结构拱部埋深13.3～24.8m，采用PBA法施工，顶板结构厚度0.7m，侧墙厚度0.8m，中板厚度0.4m，底板厚度1.2-1.5m，中柱采用φ1.0m的钢管柱，柱内填充钢筋混凝土，边桩采用φ1000mm@1400mm。车站设置附属出入口3个，风亭两组。

附属Ⅰ号出入口全长97.94m，其中明挖段33.98m，暗挖段63.96m，覆土埋深23.2~33.4m，附属Ⅱ号出入口全长146.82m，其中明挖段34.3m，暗挖段112.52m，覆土埋深8.86~33.1m，初期支护分为两导洞、四导洞、六导洞。初期支护结构拱顶地层主要是古土壤和老黄土为主，无地下水影响。

1.2主体与附属连接段施工概况

1、连接段结构概况

车站主体与附属连接接口采用矩形断面（7.6m*6.07m），车站主体侧墙施工时，在侧墙上预留框型暗梁结构，方便后期出入口通道的结构连接和整体稳定性。出入口通道两侧与车站主体结构之间存在φ1.0m的围护桩，桩顶设置冠梁。

2、施工流程简述

车站主体与附属出入口通道连接段施工时，按照原方案需车站二衬主体结构施工完成，出入口通道暗挖部分从附属明挖段开挖至车站主体。

3、结合现场实际工程进展，为提前实现出入口施工，故提出将出入口暗挖段施工步序调整为自出入口明挖段及车站主体两个方向同时进行施工。

车站主体二衬扣拱完成后，利用已完成的横通道端头进行出入口段施工，考虑到车站结构未完全完成和稳定，因此需经过理论计算，核实提前进行出入口施工，对已完成结构是否安全，方案是否可行，为技术方案提供理论依据。

车站主体结构与附属结构关系剖面图

2模型构建

2.1数值模型计算范围及边界条件

本模型选取车站2号施工横通道与附属1号出入口通道交叉段区域。

有限元数值分析包括：①横通道施工；②车站主体部分施工至当前阶段；③附属出入口施工，未考虑竖井开挖。

建模时，以2号竖井横通道位置为中心，向两边分别延伸40m，其建模范围如图下所示。车站顶部覆土厚度取模拟段的平均厚度，为23.2m。车站主体高度19.5m，考虑到土体开挖产生的扰动范围，模型下边界从车站底面延伸约3倍车站高度60.0m，模型的总高度取值102.4m；车站整体宽度25.5m，两侧到车站边界的距离取3倍车站宽度，模型的宽度取值180.0m，最终模型的尺寸为180.0m×84.6m×102.4m（长×宽×高）。模型中附属出入口从横通道处向外开挖20m。

a.横通道、导洞及出入口交汇处         b.附属出入口破洞处初支结构

有限元模型

在施加模型边界条件时，对模型底部施加固定约束，在模型侧面仅限制其法向位移，模型顶面为地表，无约束。

2.2假定条件

1、假定模型中各个土层是平整的，其厚度根据现场各土层厚度平均值确定；

2、根据现场条件，模型计算时不考虑地下水的作用；

3、模型中的荷载仅考虑土体自重和地面超载（20kPa）；

4、结构部分采用线弹性材料；

2.3相关工序的简化模拟方法

1、注浆

马头门开挖之前会采用超前小导管注浆技术加固周边土层。根据注浆加固实际效果，在施工阶段模拟分析时，通过改变导洞拱部外圈1.0m范围内的土体材料参数来模拟注浆加固效果。

2、初支结构模拟

在开挖完土体后，需要架立钢格栅和打锁脚锚杆，并喷射混凝土，形成初支结构，以承受来自地层的压力，从而有效防止地层产生较大的沉降变形。

锁脚锚杆可采用1D植入式桁架单元进行模拟。

因为钢格栅与喷射混凝土接触良好，可以将两者视作共同受力状态。进行数值模拟时，遵循刚度等效的原则，将格栅钢架和喷射混凝土形成的初支结构等效成单一均质的混凝土结构，使用2D板单元进行模拟，其等效弹性模量折算公式如下：

式中：E为等效后的混凝土弹性模量；E0为原混凝土的弹性模量；Eg为钢材的弹性模量；Sg为钢材的截面面积；

Sc为混凝土的截面面积。

3、施工开挖支护工序

开挖前，先对其上方扇形区域土体进行注浆加固；开挖后，施作初期支护和锁脚锚杆。

4、边桩直径1m，间距1.4m，将其等效成地下连续墙，采用3D实体单元模拟。

2.4材料参数选取

模型中土体采用3D实体单元、修正摩尔-库伦材料进行模拟，各初支结构采用弹性材料模拟，各层土体参数通过岩土工程勘察报告并结合西安地区典型黄土地层有限元数值分析的相关文献综合确定，模拟计算参数如下表所示。

数值模拟计算参数表

3模型验证

按照实际施工方案进行施工阶段模拟，至当前阶段时，模型总体竖向变形如图下所示。通过2021年7月5日的车站地表及竖井横通道的监测数据对模型准确性加以验证。

模型总体竖向变形

沉降值变化对比表

从表中对比可以看出，在横通道上面模拟结果比实测结果略小。在车站正线方向，模拟结果仅在横通道附近与实测结果较为吻合，其余观测点，实测时呈现越远离横通道其沉降越小的趋势，而模拟结果的车站正线上不同位置处的沉降值基本一致，各测点的模拟沉降值大于实测值。

综合来看，模拟结果与实测结果吻合较好，有限元模型可以用于后续开挖预测。

4结果分析

4.1地表沉降变形

按照车站主体初支扣拱完成后，进行附属暗挖段施工，主要分为两个阶段：一个是附属出入口洞口开挖及支护后，变形情况分析；第二个是附属出入口开挖及支护施工完成后，变形情况分析；施工过程中的地表变形如下图所示。

a.附属洞口开挖及支护后             b.附属开挖完成时

地表沉降

通过工况对比，可以看到附属出入口开挖对导洞正线方向的地表沉降影响较小，在附属出入口上方的地表沉降最大增长约-2.37mm。

4.2横通道及车站导洞竖向变形

对于导洞结构变形，需将目前结构的变形考虑，则分为两个阶段：第一阶段是附属出入口破除马头门时；第二阶段是附属出入口开挖完成后。横通道及车站导洞竖向变形如下图所示。

a.出入口破洞            b.出入口开挖完成

车站主体结构及附属出入口竖向变形

从上图可以看出，附属出入口开挖前，模型的竖向变形沿在车站正线方向基本对称，由于导洞的开挖，附属出入口处的土体已产生了较大的竖向变形，最大约为28mm。附属出入口开挖后，横通道左侧顶部的竖向变形增长了约1.2mm，附属出入口的开挖对其上部横通道及正线导洞的变形基本无影响。

出入口开挖完成后，附属出入口初支与横通道初支交接部位的竖向变形增长了2.3mm，附属出入口内顶部最大竖向变形增长了19.7mm，应在附属出入口施工过程中做好支护。

4.3横通道X向变形

横通道、车站导洞与附属出入口三者交汇处的X向变形如下图所示。

a.当前施工阶段                  b.出入口开挖完成后

横通道X向变形图

从图上可以看出，横通道两侧的上部初支朝向洞内的收敛变形增加较快，并有向下移动的趋势，且主要发生在破洞阶段。位于附属出入口下方的横通道初支的变形较小。

4.4 结构连接处上导洞及边桩的Y向变形

附属出入口洞口处需破除上导洞边洞的部分初支及邻近的两根边桩，在破洞后，部分初支及邻近的两根边桩将成为悬臂构件，故在侧土压力的作用下朝Y向的变形（内敛变形）将增大，如下图所示，但其数值较小，不足1mm。数值较小的原因主要是车站主体部分的土体尚未被挖除，其内侧有土体支承。考虑到后期形成二次结构时该部分土体均要挖除，应对该处悬臂边桩加以支护。

a.当前施工阶段                    b. 出入口开挖完成后

横通道Y向变形图

5结论

5.1数值模拟分析结论

通过数值模拟分析，有如下结论：

（1）附属出入口开挖将引起其上方的地表沉降值增大，约为2~3mm。

（2）附属出入口开挖对车站导洞的竖向变形基本无影响；而将使邻近的横通道顶部的初支竖向变形增大，数值较小；附属出入口开挖完成后，附属出入口初支与横通道初支交接部位的竖向变形增长了2.3mm；在离横通道不远处的附属出入口初支顶部最大竖向沉降增长约20mm。

（3）从交汇处的横通道及导洞的水平变形来看，由于破除了部分横通道的初支结构，邻近的上导洞位置处横通道两侧的内敛变形将增大，约3mm，主要发生在破洞阶段。由于邻近附属出入口的上部边导洞及2根边桩需要部分破除而成为悬臂构件，产生了朝向车站内的水平收敛变形，数值较小，仅约1mm。但考虑到后期车站内土体开挖及二次结构施工，其变形将继续增大，需采取必要的支护措施。

（4）模型中开挖的同时即施作支护措施，这将使隧道的变形模拟值偏小，实际施工时也应在开挖后尽早施作初期支护并及时闭合。

5.2施工应采取的应对措施

1、在车站初支扣拱施工完成后，进行出入口通道施工，对车站主体结构存在一定影响，为确保结构安全稳定，因此将出入口通道施工调整到车站二衬扣拱完成后进行施工。

2、从车站方向施工时，需对洞口两侧边桩进行破除，对结构存在变形影响，因此对于边桩采取暂时不破除的措施，待车站主体和出入口通道施工完成后，最后再破除边桩。

3、考虑到进洞段，冠梁宽度为7.6m，中间无支撑措施，结构挠度可能存在变化，因此在马头门破除前，在冠梁中间底部设置竖向支撑，增强结构刚度。