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摘要：依托北京地铁19号线平安里工程，利用数值方法对管幕构筑的超浅埋棚盖防护体系下，施工过程中的地表沉降进行了研究。结果表明：在小导洞开挖阶段，地表最大沉降为30mm，最终施工完成后，地表最大沉降为47mm；地表沉降形状为“Peck沉降槽”，且最大沉降位置发生在车站跨中对应的地表处；超浅埋棚盖法施工中大直径管幕作为超前支护和主体结构形成前的主要受力结构，控制地表沉降效果显著，最终沉降量满足控制要求，措施合理。该施工方法可为类似超浅埋工程提供一定的参考。
关键词：超浅埋；数值模拟；地表沉降
引言：受城市施工环境及断面形式等条件的限制，浅埋暗挖法是目前我国城市隧道的主要开挖方法之一。管幕超前支护是目前浅埋暗挖隧道施工过程中的一种重要支护形式。由于暗挖施工区域一般都处于城市繁华地区，对地表沉降变形的控制要求很高。因此，很多研究者都对浅埋暗挖隧道开挖对周围环境的影响进行了研究[1－6]。曾宇晖等［7］结合下穿鹰厦铁路右线隧道工程，对施工采用大管幕的支护效果进行了研究，现场监测结果表明，管幕支护作用明显，能使沉降和内力达到施工要求。黎永索［8］结合沈阳地铁 2 号线隧道工程，对其施工采用的管幕支护进行地表沉降监测，Peck 模型沉降预测值和实测值为同一数量级，可采用理论值指导施工。潘伟强［9］结合上海 14 号线桂桥路站管幕段实例工程，对管幕群顶管顶进施工过程地面沉降情况进行监测，分析群顶管施工对地面沉降的影响。目前，针对北京地区超浅埋棚盖法在地铁车站施工中支护效果的研究较少，笔者通过管幕施工以及车站导洞开挖施工过程的数值模拟，分析了管幕支护结构作用下地铁车站开挖引起的地表沉降以及拱顶沉降的规律变化曲线，为在管幕保护下平顶直墙暗挖地铁车站的施工提供参考依据。
1 工程概况
地铁 19 号线平安里站位于平安里西大街与赵登禹路交叉口北侧，赵登禹路路中南北，该工程西北侧为平安医院、多栋小平房等建筑，东北侧为1～2层小楼，西南侧是航天金融大厦，东南侧邻近地铁 6号线平安里站，与既有地铁 6 号线平安里站水平换乘，如图1所示。
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图1 平安里项目平面图
平安里站车站主体结构总长 225.45 m，采用14 m岛式站台，标准段宽 25.10 m，车站南端局部宽26.29m。结构顶板覆土 6.78 ～ 7.23 m，底板埋深20.92 ～ 21.37 m。设计为双柱三跨两层结构，主体结构施工先施工先行导洞，然后打设管幕形成棚盖。平安里地铁车站主体结构的顶板距离地表大约6 m，纵向深度至地铁车站的底板的垂直埋深大约21 m。地铁车站的顶板主要处于粉质黏土层，底板大致处于卵石层中，地铁车站的中间部位有一层0.8 m厚的粉细砂层。平安里地铁车站土体的场地里主要有两层地下水，其中一层为上层滞水，水位标高为 43.3 m，距离上层地表的垂直埋深约 5.8 m，主要处于粉土填土层中及黏质粉土砂质粉土层中；另一层为层间水，水位标高约 20.8 m，处于地铁车站结构底板下约 6.5 m 的位置，垂直埋深约 28.6 m，主要赋存的地层有卵石层、粉细砂层。该工程的管幕钢管顶进主要是穿越粉质黏土及粉细砂地层，其中没有地下水。
2 数值模型的建立
本文在进行隧道开挖模拟时采用大型通用有限元软件 MIDAS /GTS 建模并计算。
2.1数值模型的建立
（1）基本假定：1）土体均为均质、各向同性的理想弹塑性材料，且不考虑土体中由地层软弱面引起的介质不连续。2）土体在弹塑性范围内变化且不考虑土体变形的时间效应。3）不考虑施工前自重产生的变形，不考虑施工后的固结沉降，计算的变形均由施工过程产生。4）不考虑施工过程中出现的活荷载、地面荷载、管幕施工以及施工机具产生的振动荷载。（2）地层划分：根据地勘报告所提供的数据把土体合并简化为四层，从上到下依次为：杂填土、粉质黏土、卵石、粉质黏土。土体在同一层内均匀且连续，各层土体遵守摩尔-库伦准则。（3）约束条件：地表Z=60为自由面；模型左右侧x=0m，x=175m，限制其x方向上的自由度；平面 y=0m，y=36m，限制其y方向的自由度，平面z=0m，限制其z方向的自由度。（4）荷载条件：自重应力荷载；（5）结构及土体部分的模拟处理：数值模拟的模型中土层、导洞注浆加固、冠梁、条基、小导洞初期支护、顶纵梁、底纵梁、扣拱初期支护、扣拱二次衬砌、混凝土回填、左右侧墙初支、二次衬砌、中板均采用3维实体单元模拟；中柱采用一维梁单元模拟。（6）施工步骤：该地铁车站施工按照施工方案中先施工先行导洞，施做管幕后施工其它小导洞，先施工下导洞，后施工上导洞的施工顺序。导洞具体编号如图2所示。
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图2 导洞编号
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图3 车站开挖支护过程
2.2岩土及结构物力学参数
数值模拟采用的岩土材料参数及车站主体结构如表1和表2所示
表1 岩土材料力学参数
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表2 车站主体结构参数
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2.3 模拟监测概况
为减少模型前后边界对数值模拟结果造成的影响，选取模型纵向中间断面位置作为竖向沉降变形计算结果的分析的目标面，断面与地表交线中点A 即车站结构中心点的地面投影作为地表监测点，如图4所示。
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图4 监测点及监测断面布置图
3 计算结果分析
3.1 开挖过程分析
3.1.1 八个小导洞开挖支护完成阶段计算分析
由图5地表沉降云图可以看出，整个模型地表沉降关于模型结构中线呈现两侧对称分布。八导洞施工完成后，在先行导洞与导洞2顶部交叉区域沉降变形量最大，沉降值约为 29.52mm。在施工完成后，下层四个小导洞的洞底均发生了局部隆起，隆起的最大值约 2.54mm。
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图 5八个小导洞施工完成后地表沉降云图
3.1.2 结构梁柱体系施工完成阶段计算分析
由图6可以看出下层导洞中的局部隆起在施作了条基和底纵梁后呈现沉降趋势。同时条基、外墙初支、冠梁，底纵梁、中柱、顶纵梁形成的竖向承载体系分担了部分地层的荷载，并且限制了地层的位移。梁柱体系施工阶段对地层的扰动相对较小，施工完成后地表最大沉降值仍位于车站结构中线位置地表处，最大地表累计沉降值为 34.32mm。
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图 6 梁柱体系完成后地表沉降云图
3.1.3 顶部二次衬砌扣拱完成阶段计算分析
通过图7可以看出，随着顶部拱体施工的完成，车站顶部的横向受力体系与中柱、边墙、条基、底纵梁等共同构成的竖向受力体系共同发挥作用，形成框架整体受力体系。土体的最大沉降值位于车站结构中线地表，沉降值为43.17mm。
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图 7 扣拱完成后地表沉降云图
3.1.4 主体结构全部施工完成阶段计算分析
从图8可以看出，该阶段由于对形成支撑的车站内土体的开挖卸荷，导致车站底部一定范围内的卸荷隆起。本阶段开挖引起的地层沉降较上一个阶段的沉降值变化要小，土体最大沉降仍发生在结构中间顶部拱处，约为47.95mm。
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图 8 主体结构施工完成后地表沉降云图
3.2 沉降结果分析
由图9可见，造成地表沉降的主要施工阶段为小导洞施工阶段，其次是二次衬砌扣拱施工及拱部土体开挖阶段，梁柱体系施工阶段和车站主体土体开挖及车站主体结构施工完成值阶段引起的地表沉降相对较小。从图10可以看出沉降变化最大的两个阶段分别为导洞开挖初支施工阶段和二次衬砌扣拱施工及拱部土体开挖阶段，两阶段沉降量之和占最终沉降量的70%左右。
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图9 不同施工阶段引起地表沉降槽
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图 10 地表监测点 A 的沉降变化曲线
结论：
通过上述分析可以得到以下结论：（1）在管幕棚盖法保护下进行超浅埋地铁站的开挖，开挖小导洞产生的沉降最大为30mm，主体结构施工完成后，最大沉降为47mm。（2）通过数值分析发现，地表沉降形状为“Peck沉降槽”，最大沉降发生位置在车站跨中对应的地表处。因此，该位置处是施工过程中最危险的区域，应做到实时监测，并做加强处理。（3）超浅埋棚盖法施工中大直径管幕作为超前支护和主体结构形成前的主要受力结构，控制地表沉降效果显著，最终沉降量满足控制要求，措施合理。
参考文献：
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