北京地铁十号线光华路站开挖群洞效应的数值模拟研究

D01:10.13374.ism1001053x.2007.s2.090 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 北京地铁十号线光华路站开挖群洞 效应的数值模拟研究 杜建华鲍薇刘志娜宋卫东 北京科技大学土木与环境工程学院。北京100083 摘要结合北京地铁十号线一期光华路地铁站的工程和地质条件，运用FLAC3D软件对车站主体浅埋暗挖的五种不同施工 顺序的方案进行模拟研究.在相同的地表荷载、固定约束和土体参数的情况下，模拟研究得出车站周围土体应力、塑性区和位 移的基本变化规律，并确定群洞效应下开挖顺序的推荐方案.研究结果表明：(1)车站开挖过程中和完成后，破坏区主要集中 在中洞与两侧洞之间的区域即群洞之间部位，并从中洞两侧垂线以45°角向外扩散：(2)中洞的跨度对地表的沉降量有着明 显的影响。对于群洞而言，先对左右洞室进行开挖可有效地减小开挖中洞的位移变化量：(3)中洞的拱形支撑能有效抑制地表 的破坏区，考虑群洞效应时应先保证中洞洞项部分的强度. 关键词群洞效应：洞桩法：浅埋暗挖：数值模拟 分类号0241 目前，地铁施工考虑到交通和环境方面的影响， 究对类似群洞的地铁车站开挖时，在工法一定的前 通常采取暗挖法来进行施工，具有群洞系统的地下 提下，如何选择一个最为合理的开挖顺序来保证地 工程通常结构复杂、施工难度较大，因此怎样选择良 表沉降量最小 好的施工方法和施工顺序己成为目前地下工程科研 光华路车站主体位于东三环主路下，为地下车 工作的重点.通常，地表沉降控制值是城市地下洞 站，拟建车站位于起点里程为20.526km处，终点里 群系统施工的主要技术指标.控制地表沉降量的关 程为20.695km处，车站形式为分离岛式车站，单侧 键是减少施工对地层的扰动，除了确定合理的分步 站台宽度45m,线间距40m,车站总长169.2m,采 开挖施工方法和超前预加固地层之外，另一重要措 用暗挖法施工.车站设四个出入口，分别位于路口 施就是对施工效应的模拟研究，确定不同断面中采 的四个角上，出入口及通道位于道路及管线红线以 用不同开挖方案时的地表沉降规律，从而优化施工 内的部分采用暗挖法施工，位于红线以外的部分采 开挖方案，保证其沉降量小于规定的允许值. 用明挖法施工.在车站的两端分别设一个双层风 国内外对隧道开挖引起地层变形的研究很多， 道，其中2号风道位于3号出入口下方，车站风道采 有以Pek公式为代表的经验公式、工程类比法和数 用暗挖法施工并且被用作施工横通道，车站风井采 值计算方法？。目前，国内对复杂洞群暗挖法的 用明挖法施工并且被用作施工竖井，车站设计轨顶 数值模拟中，应用三维有限元理论并通过“3D可”程 标高17.5m,结构底板埋深约23.0m,覆盖土层厚 序分析，对复杂洞群系统施工工艺进行了优化刂， 度约为6.0m. 运用FLAC软件对车站主体浅埋暗挖的施工和支护 本研究应用FLAC知软件对光华路地铁站地铁 方案进行模拟研究2，应用自行开发的岩石破坏 隧道开挖中群洞效应进行数值模拟计算分析.对车 过程分析软件F-RFPA2D对地铁隧道引起地表沉陷 站开挖过程、开挖顺序进行模拟和研究。综合地表沉 进行模拟分析1等研究很多，而对隧道开挖时洞群 降和结构变形两方面情况找出最优设计方案，并分 效应引起的地表沉降的研究较少.本文结合北京地 析了群洞效应对地表产生的影响. 铁十号线光华路地铁站的工程和地质条件，主要研 1方案设计 收稿日期：2007-10-09 1.1建模 基金项目：教育都新世纪优秀人才支持计划资助项目(No.NCET 光华路站中洞采用洞桩法施工.在中洞跨中沿 -0+-0102) 作者简介：杜建华(1978一).男.博士研究生：宋卫东(1966一).男. 结构初期支护外缘60范围内，采用管棚进行超前 教授，博士生导 支护，中洞初期支护喷层厚度400mm,中洞洞顶二

北京地铁十号线光华路站开挖群洞 效应的数值模拟研究 杜建华 鲍 薇 刘志娜 宋卫东 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 摘 要 结合北京地铁十号线一期光华路地铁站的工程和地质条件, 运用 FLAC 3D软件对车站主体浅埋暗挖的五种不同施工 顺序的方案进行模拟研究.在相同的地表荷载、固定约束和土体参数的情况下, 模拟研究得出车站周围土体应力、塑性区和位 移的基本变化规律, 并确定群洞效应下开挖顺序的推荐方案.研究结果表明:(1)车站开挖过程中和完成后, 破坏区主要集中 在中洞与两侧洞之间的区域, 即群洞之间部位 , 并从中洞两侧垂线以 45°角向外扩散;(2)中洞的跨度对地表的沉降量有着明 显的影响, 对于群洞而言, 先对左右洞室进行开挖可有效地减小开挖中洞的位移变化量;(3)中洞的拱形支撑能有效抑制地表 的破坏区, 考虑群洞效应时应先保证中洞洞顶部分的强度. 关键词 群洞效应;洞桩法;浅埋暗挖;数值模拟 分类号 O 241 收稿日期:2007-10-09 基金项目:教育部“新世纪优秀人才支持计划”资助项目(No .NCET -04-0102) 作者简介:杜建华(1978—), 男, 博士研究生;宋卫东(1966—), 男, 教授, 博士生导 目前 ,地铁施工考虑到交通和环境方面的影响 , 通常采取暗挖法来进行施工.具有群洞系统的地下 工程通常结构复杂、施工难度较大 ,因此怎样选择良 好的施工方法和施工顺序已成为目前地下工程科研 工作的重点 .通常, 地表沉降控制值是城市地下洞 群系统施工的主要技术指标.控制地表沉降量的关 键是减少施工对地层的扰动, 除了确定合理的分步 开挖施工方法和超前预加固地层之外, 另一重要措 施就是对施工效应的模拟研究 , 确定不同断面中采 用不同开挖方案时的地表沉降规律 ,从而优化施工 开挖方案 ,保证其沉降量小于规定的允许值. 国内外对隧道开挖引起地层变形的研究很多 , 有以 Peck 公式为代表的经验公式 、工程类比法和数 值计算方法 [ 1-9] .目前 , 国内对复杂洞群暗挖法的 数值模拟中,应用三维有限元理论并通过“3D-σ”程 序分析,对复杂洞群系统施工工艺进行了优化[ 1] , 运用FLAC 软件对车站主体浅埋暗挖的施工和支护 方案进行模拟研究[ 2-3] , 应用自行开发的岩石破坏 过程分析软件 F-RFPA 2D对地铁隧道引起地表沉陷 进行模拟分析 [ 4] 等研究很多, 而对隧道开挖时洞群 效应引起的地表沉降的研究较少 .本文结合北京地 铁十号线光华路地铁站的工程和地质条件, 主要研 究对类似群洞的地铁车站开挖时, 在工法一定的前 提下 ,如何选择一个最为合理的开挖顺序来保证地 表沉降量最小. 光华路车站主体位于东三环主路下, 为地下车 站 ,拟建车站位于起点里程为 20.526 km 处 ,终点里 程为 20.695 km 处 ,车站形式为分离岛式车站, 单侧 站台宽度 4.5 m ,线间距 40m , 车站总长 169.2 m ,采 用暗挖法施工.车站设四个出入口 ,分别位于路口 的四个角上, 出入口及通道位于道路及管线红线以 内的部分采用暗挖法施工 ,位于红线以外的部分采 用明挖法施工.在车站的两端分别设一个双层风 道 ,其中 2 号风道位于 3 号出入口下方,车站风道采 用暗挖法施工并且被用作施工横通道, 车站风井采 用明挖法施工并且被用作施工竖井 .车站设计轨顶 标高 17.5 m , 结构底板埋深约 23.0 m ,覆盖土层厚 度约为 6.0 m . 本研究应用 FLAC 3D软件对光华路地铁站地铁 隧道开挖中群洞效应进行数值模拟计算分析.对车 站开挖过程 、开挖顺序进行模拟和研究,综合地表沉 降和结构变形两方面情况找出最优设计方案 ,并分 析了群洞效应对地表产生的影响 . 1 方案设计 1.1 建模 光华路站中洞采用洞桩法施工.在中洞跨中沿 结构初期支护外缘 60°范围内, 采用管棚进行超前 支护 , 中洞初期支护喷层厚度 400 mm , 中洞洞顶二 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.090

Vol.29 SuppL 2 杜建华等：北京地铁十号线光华路站开挖群洞效应的数值模拟研究 37。 次衬砌厚度500mm.主体侧洞采用中隔壁法施工. 三维模型沿车站纵向方向的长度为480m,宽 侧洞施工中拱部120°范围及中隔壁上部曲墙范围 度为150m,高度从地表标高38m水平向下取至标 采用小导管注浆加固地层，初期支护喷层厚度300 高到一12m水平，总厚度为50m.总体模型的单元 mm. 总数为96560，节点总数为97498.如图1所示 (a开挖前 b)开挖后 图1三维数值模型示意图 采用位移边界条件，固定模型左右边界的横向 围内地层按照其沉积年代、成因类型及岩性自上而 位移（即X方向位移），前后边界纵向位移（即Y方 下分为人工堆积层、第四纪全新世冲洪击层和第四 向位移)，底边界的竖向位移（即Z方向位移）.车站 纪晚更新冲洪击层.车站结构主体顶板穿过的岩土 地表是公路与高架桥，因此模型在上边界加20kPa 层为粉土、粉质粘土，局部为粉细砂，为Ⅵ级围岩，稳 的均布荷载.研究的土体以粉土和粘土为主，属于 定性较差，尤其是粉细砂自稳能力差，无法形成自然 弹塑性材料，在FLAC3D程序中采用摩尔一库仑 应力拱，且粉细砂具备储水条件，在外界条件变化时 (Mohr Coulomb)屈服准则. 可能存在上层滞水，在局部地下水作用下易发生大 12计算参数的选取 面积坍落、流砂、突涌现象.模拟计算范围的土体和 根据勘察报告中所提供的资料，在光华路站范 土体的物理力学参数由表1给出. 表1土体物理力学计算参数 人工 粉粘土与 中粗砂与 粘土与 管棚支护 初期支 二次衬 指标 填土 粉细砂士 圆砺 卵石层 与注浆层 护参数 砌参数 容重/(kNm一3) 165 19.8 20.5 19.5 20.8 27.0 27.5 粘聚力/kPa 100 20.1 339-538 149-23.8 281.6 内摩擦角/（°） 125 265 29.2-35.0 222-280 31.0 弹性模量/MPa 200 263 351-47.6 29.2-37.0 1141 65000 130000 泊松比 0.35 0.30 030 032 0.25 023 023 13计算方案 模拟按开挖顺序的不同分为五种方案： 在开挖过程中，通常在地下结构中初衬分担 (1)按照左洞、右洞、中洞的顺序依次开挖即 70%因土体开挖所产生的应力，二衬承担30%，而 方案I. 由于侧洞跨度较小，净宽只有9m,实际施工中考虑 (2)先两侧洞同时开挖，然后中洞开挖，即方案 到安全与高效并重的原则，常加强初衬强度.因此， Ⅱ. 在模拟中侧洞也只采用初衬进行支护，这与实际情 (3)按照左洞、中洞、右洞的顺序依次开挖即 况更为吻合.而对于中洞，由于跨度很大，净宽达到 方案Ⅲ. 13m,又没有加竖向支撑，因此中洞二次衬砌的作用 (4)先中洞开挖，然后两侧洞同时开挖，即方案 十分重要，在模拟中考虑了中洞二次衬砌. Ⅵ

次衬砌厚度 500 mm .主体侧洞采用中隔壁法施工 . 侧洞施工中拱部 120°范围及中隔壁上部曲墙范围 采用小导管注浆加固地层 , 初期支护喷层厚度 300 mm . 三维模型沿车站纵向方向的长度为 48.0 m ,宽 度为 150 m , 高度从地表标高 38 m 水平向下取至标 高到-12 m 水平 ,总厚度为 50 m .总体模型的单元 总数为 96 560 ,节点总数为 97 498 , 如图 1 所示 . 图 1 三维数值模型示意图 采用位移边界条件, 固定模型左右边界的横向 位移(即 X 方向位移),前后边界纵向位移(即 Y 方 向位移), 底边界的竖向位移(即 Z 方向位移).车站 地表是公路与高架桥 , 因此模型在上边界加 20 kPa 的均布荷载 .研究的土体以粉土和粘土为主 , 属于 弹塑性材料 , 在 FLAC 3D 程序中采用摩 尔-库仑 (Mohr-Coulomb)屈服准则 . 1.2 计算参数的选取 根据勘察报告中所提供的资料, 在光华路站范 围内地层按照其沉积年代、成因类型及岩性,自上而 下分为人工堆积层、第四纪全新世冲洪击层和第四 纪晚更新冲洪击层 .车站结构主体顶板穿过的岩土 层为粉土、粉质粘土,局部为粉细砂, 为Ⅵ 级围岩 ,稳 定性较差,尤其是粉细砂自稳能力差 ,无法形成自然 应力拱 ,且粉细砂具备储水条件 ,在外界条件变化时 可能存在上层滞水, 在局部地下水作用下易发生大 面积坍落、流砂、突涌现象.模拟计算范围的土体和 土体的物理力学参数由表 1 给出 . 表 1 土体物理力学计算参数 指标 人工 填土 粉粘土与 粉细砂土 中粗砂与 圆砺 粘土与 卵石层 管棚支护 与注浆层 初期支 护参数 二次衬 砌参数 容重/(kN·m -3) 16.5 19.8 20.5 19.5 20.8 27.0 27.5 粘聚力/k Pa 10.0 20.1 33.9 ～ 53.8 14.9 ～ 23.8 281.6 — — 内摩擦角/(°) 12.5 26.5 29.2 ～ 35.0 22.2 ～ 28.0 31.0 — — 弹性模量/ MPa 20.0 26.3 35.1 ～ 47.6 29.2 ～ 37.0 114.1 65 000 130 000 泊松比 0.35 0.30 0.30 0.32 0.25 0.23 0.23 1.3 计算方案 在开挖过程中, 通常在地下结构中初衬分担 70 %因土体开挖所产生的应力 , 二衬承担 30 %, 而 由于侧洞跨度较小, 净宽只有 9 m , 实际施工中考虑 到安全与高效并重的原则 ,常加强初衬强度 .因此 , 在模拟中侧洞也只采用初衬进行支护, 这与实际情 况更为吻合 .而对于中洞,由于跨度很大, 净宽达到 13 m ,又没有加竖向支撑,因此中洞二次衬砌的作用 十分重要 ,在模拟中考虑了中洞二次衬砌. 模拟按开挖顺序的不同分为五种方案 : (1)按照左洞 、右洞、中洞的顺序依次开挖, 即 方案Ⅰ . (2)先两侧洞同时开挖 ,然后中洞开挖, 即方案 Ⅱ . (3)按照左洞 、中洞、右洞的顺序依次开挖, 即 方案Ⅲ . (4)先中洞开挖 ,然后两侧洞同时开挖, 即方案 Ⅵ . Vol.29 Suppl.2 杜建华等:北京地铁十号线光华路站开挖群洞效应的数值模拟研究 · 37 ·

。38· 北京科技大学学报 2007年增刊2 (5)按照中洞、左洞、右洞的顺序依次开挖，即 方案V. 图2所示为每个洞单独开挖时的开挖顺序，图 中数字的从小到大代表单独一个洞开挖时的进尺先 后，数字小的在先大的在后. 中洞 左洞 右洞 图3监测点布设示意图 此首先对方案Ⅱ在开挖过程中车站周围土体位移 变化规律和车站本身结构在开挖完成后的应力分布 情况作详细分析，然后再对其他方案的不同之处作 简要分析 图2每个洞的开挖顺序图 2.1方案Ⅱ模拟结果分析 (1)车站分步开挖时地表位移变化情况分析 为了能更清楚的对群洞效应进行分析，在计算 地表点在开挖过程中的垂直位移的变化情况如 模型中布设27个跟踪监测点，点号分别为1~9、 图4所示.左右洞跟踪点曲线基本重合，右洞的沉 11~19、21~29.其中1~9为纵向0m处的土体断 降量比左洞略大，在纵向0m处由于侧洞中竖向支 面监测点：11~19为纵向24m处的土体断面监测 撑的作用，1、7号监测点位移变化很小：但在纵向24 点；21~29为纵向48m处的土体断面监测点.纵向 m处，随着开挖向前推进，在侧洞第一部分开挖到 0m处断面监测点如图3所示，1、4、7代表地表点： 31.2m的位置时11、14号监测点产生最大位移，即 2、5、8代表顶板中点；3、6、9代表底板中点 左洞顶板中点对应的地表沉降为L.85mm,右洞顶 2计算结果与分析 板中点对应的地表沉降为214mm,此后随着侧洞 开挖的完成又慢慢减小：在纵向48m处监测点位移 对五种方案进行模拟计算后，经分析比较，最终 只有微小的下降 推荐先侧洞后中洞开挖的开挖顺序，即方案Ⅱ.因 20 (a) 而◆11号点 四 (c) 014号点 ◆+21号点 +17号点 5 ■-24号点 ·27号点 ◆一1号点 -10 一4号点 -10 一7号点 特得得省 -25 -2 4681012141618 024681012141618 024681012141618 开挖进程m 开挖进程m 开挖进程m 图4地表跟踪点的位移.(a)纵向0m处：(b)纵向24m处(c)纵向48m处 两侧洞开挖后地表位移如图5所示.地表平面 左0.5m、右洞中心线偏右0.5m与纵向18.0~ 内在左右洞顶对应的地表处出现两个呈圆形向外扩 20.4m交汇的区域内.圆形中心沉降量最大，并以 散的区域，两个圆形的中心分别位于左洞中心线偏 此向外慢慢减小，地表最大沉降量21mm.在接近 图5两侧洞开挖后的地表位移

(5)按照中洞、左洞 、右洞的顺序依次开挖 , 即 方案 Ⅴ. 图 2 所示为每个洞单独开挖时的开挖顺序, 图 中数字的从小到大代表单独一个洞开挖时的进尺先 后,数字小的在先,大的在后. 图 2 每个洞的开挖顺序图 为了能更清楚的对群洞效应进行分析, 在计算 模型中布设 27 个跟踪监测点, 点号分别为 1 ～ 9 、 11 ～ 19 、21 ～ 29 .其中 1 ～ 9 为纵向 0 m 处的土体断 面监测点;11 ～ 19 为纵向 24 m 处的土体断面监测 点;21 ～ 29 为纵向 48 m 处的土体断面监测点 .纵向 0 m 处断面监测点如图 3 所示 , 1 、4 、7 代表地表点 ; 2 、5 、8 代表顶板中点;3 、6 、9 代表底板中点. 2 计算结果与分析 对五种方案进行模拟计算后, 经分析比较 ,最终 推荐先侧洞后中洞开挖的开挖顺序, 即方案 Ⅱ.因 图 3 监测点布设示意图 此, 首先对方案 Ⅱ在开挖过程中车站周围土体位移 变化规律和车站本身结构在开挖完成后的应力分布 情况作详细分析, 然后再对其他方案的不同之处作 简要分析. 2.1 方案Ⅱ模拟结果分析 (1)车站分步开挖时地表位移变化情况分析 地表点在开挖过程中的垂直位移的变化情况如 图 4 所示 .左右洞跟踪点曲线基本重合, 右洞的沉 降量比左洞略大 ,在纵向 0 m 处由于侧洞中竖向支 撑的作用, 1 、7 号监测点位移变化很小;但在纵向 24 m 处,随着开挖向前推进 , 在侧洞第一部分开挖到 31.2 m 的位置时 11 、14 号监测点产生最大位移 ,即 左洞顶板中点对应的地表沉降为 1.85 mm ,右洞顶 板中点对应的地表沉降为 2.14 mm , 此后随着侧洞 开挖的完成又慢慢减小 ;在纵向 48 m 处监测点位移 只有微小的下降. 图 4 地表跟踪点的位移.(a)纵向 0 m 处;(b)纵向 24 m 处;(c)纵向 48 m 处 图 5 两侧洞开挖后的地表位移 两侧洞开挖后地表位移如图 5 所示 .地表平面 内在左右洞顶对应的地表处出现两个呈圆形向外扩 散的区域, 两个圆形的中心分别位于左洞中心线偏 左0.5 m 、右洞中心线偏右 0.5 m 与纵向 18.0 ～ 20.4 m 交汇的区域内 .圆形中心沉降量最大 ,并以 此向外慢慢减小, 地表最大沉降量 2.1 mm .在接近 · 38 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2

Vol.29 Suppl 2 杜建华等：北京地铁十号线光华路站开挖群洞效应的数值模拟研究 39。 纵向0m处的地表区，随着两洞向前开挖而产生位 起的趋势，并以左右洞中线为中心线向两侧呈带状 移回弹，但回弹量很小只有不到3mm,在接近纵向 扩散.这样的位移分布对结构的控制和结构设计是 48m处区域沉降量慢慢增大到1.5mm.两洞中部 很有利的 地表位移几乎没有变化. (2)车站分步开挖时顶板中点位移变化情况分 整体开挖后地表位移图如图6所示.由图可以 析 看出地表最大沉降量出现在纵向0m处中洞拱顶对 车站顶板中点跟踪点位移变化趋势与对应地表 应的地表区域并以U型向外扩散：在中洞两侧，即 跟踪点基本相同，不同的是顶板中点比对应地表点 侧洞拱形区对应的地表垂直位移为正值，即向上拱 位移变化量大，在此不再重复. 22400期数2000240 15140曾世-1500 50世-500100 50402515000 00年002包1特2 ：54-00 图6整体开挖后的地表位移 (3)车站分步开挖时底板中点位移变化情况分 洞底板中点在洞室开挖过程中上升明显，尽管在中 析 洞第四部分土体开挖后马上施做洞底的二次衬砌， 车站在开挖过程中，各洞底板中点均为向上趋 但由于衬砌没有弧度，加之中洞跨度又很大，因此底 势，出现底鼓.由图7可以看出，在纵向0m处，中 鼓非常明显，达到47.6mm. 50 40 40 (a) (b) (c) ←3号点 ◆13号点 30 30 +23号点 ▣-6号点 20 ▣16号点 20 0-26号点 9号点 ★19号点 ·29号点 10 10 10 N 0年60ag 048 -1002468102141618 -1024681012141618 -10024681012141618 开挖进程m 开挖进程m 开挖进程m 图7底板中点跟踪点的位移.(a)纵向0m处：(b)纵向24m处：(c)纵向48m处 (4)车站整体开挖过程中应力及塑性区情况分 45向外的范围内.还可以看出这三个洞的顶部破 析 坏区很少，这是由于开挖时在开挖区顶部，侧洞采用 从左右两侧洞最大主应力图中可以看出，侧洞 了小导管超前注浆预支护，中洞还进行了管棚预支 洞角内侧最大主应力值最大，是由于侧洞开挖时周 护，从而使得开挖区顶部的土体得到了有效的保护. 围土体形成对其比较大的推力.从中洞最大主应力 综上可以看出，方案Ⅱ开挖完成后，结构整体位 图中可以看出，整个中洞应力分布均匀，最大值为一 移较为规律和均匀，且各跟踪点位移随开挖进程没 9.5MPa底板最大主应力为正值，说明底板结构受 有明显的跳跃和突变.从各洞最大主应力分布图上 到拉应力，这与出现底鼓的结论相一致. 来看主应力分布又比较均匀，仅在洞角处容易因土 从整体开挖后的塑性区图，可以看出土体中未 体推力产生较大值.因此，此方案各项指标均较为 出现大面积的破坏区，结构整体处于稳定状态.此 良好 外，还可以观察到车站开挖完成后，土体塑性破坏区 2.2五种方案的分析比较 主要集中在侧洞与中洞之间，且中洞两侧土体破坏 在地铁施工过程中，虽然下部结构的位移和应 区明显大于顶部和底部：地表土体出现的破坏区也 力情况在方案选取时是很重要的判断指标，但通常 对称地出现中洞两侧，与洞间垂线大约呈45°向外 更为关心的是开挖区内地表的位移变化情况.在方 的范围内.中洞与侧洞洞底之间的部分出现了破 案比选过程中，只对地表9个监测点在5个方案下 坏，破坏区从中洞洞脚两侧开始与洞间垂线大约呈 的位移对比情况进行分析，评出五个等级，每级评分

纵向 0 m 处的地表区 ,随着两洞向前开挖而产生位 移回弹, 但回弹量很小只有不到 3 mm , 在接近纵向 48 m 处区域,沉降量慢慢增大到 1.5 mm .两洞中部 地表位移几乎没有变化. 整体开挖后地表位移图如图 6 所示.由图可以 看出地表最大沉降量出现在纵向 0 m 处中洞拱顶对 应的地表区域, 并以 U 型向外扩散;在中洞两侧, 即 侧洞拱形区对应的地表垂直位移为正值, 即向上拱 起的趋势 ,并以左右洞中线为中心线向两侧呈带状 扩散.这样的位移分布对结构的控制和结构设计是 很有利的. (2)车站分步开挖时顶板中点位移变化情况分 析 车站顶板中点跟踪点位移变化趋势与对应地表 跟踪点基本相同, 不同的是顶板中点比对应地表点 位移变化量大,在此不再重复. 图 6 整体开挖后的地表位移 (3)车站分步开挖时底板中点位移变化情况分 析 车站在开挖过程中, 各洞底板中点均为向上趋 势,出现底鼓.由图 7 可以看出, 在纵向 0 m 处 , 中 洞底板中点在洞室开挖过程中上升明显 , 尽管在中 洞第四部分土体开挖后马上施做洞底的二次衬砌, 但由于衬砌没有弧度, 加之中洞跨度又很大,因此底 鼓非常明显 ,达到 47.6 mm . 图 7 底板中点跟踪点的位移.(a)纵向 0 m 处;(b)纵向 24 m 处;(c)纵向 48 m 处 (4)车站整体开挖过程中应力及塑性区情况分 析 从左右两侧洞最大主应力图中可以看出, 侧洞 洞角内侧最大主应力值最大, 是由于侧洞开挖时周 围土体形成对其比较大的推力 .从中洞最大主应力 图中可以看出, 整个中洞应力分布均匀 ,最大值为 - 9.5 MPa ,底板最大主应力为正值 ,说明底板结构受 到拉应力 ,这与出现底鼓的结论相一致 . 从整体开挖后的塑性区图 ,可以看出土体中未 出现大面积的破坏区, 结构整体处于稳定状态.此 外,还可以观察到车站开挖完成后 ,土体塑性破坏区 主要集中在侧洞与中洞之间, 且中洞两侧土体破坏 区明显大于顶部和底部;地表土体出现的破坏区也 对称地出现中洞两侧, 与洞间垂线大约呈 45°向外 的范围内 .中洞与侧洞洞底之间的部分出现了破 坏,破坏区从中洞洞脚两侧开始与洞间垂线大约呈 45°向外的范围内.还可以看出这三个洞的顶部破 坏区很少,这是由于开挖时在开挖区顶部 ,侧洞采用 了小导管超前注浆预支护 ,中洞还进行了管棚预支 护 ,从而使得开挖区顶部的土体得到了有效的保护. 综上可以看出 ,方案Ⅱ开挖完成后,结构整体位 移较为规律和均匀, 且各跟踪点位移随开挖进程没 有明显的跳跃和突变.从各洞最大主应力分布图上 来看主应力分布又比较均匀 ,仅在洞角处容易因土 体推力产生较大值 .因此 ,此方案各项指标均较为 良好. 2.2 五种方案的分析比较 在地铁施工过程中 ,虽然下部结构的位移和应 力情况在方案选取时是很重要的判断指标 ,但通常 更为关心的是开挖区内地表的位移变化情况.在方 案比选过程中 ,只对地表 9 个监测点在 5 个方案下 的位移对比情况进行分析, 评出五个等级 ,每级评分 Vol.29 Suppl.2 杜建华等:北京地铁十号线光华路站开挖群洞效应的数值模拟研究 · 39 ·

。40。 北京科技大学学报 2007年增刊2 1~5分，权重均为1，最后分数由高到低排序，再辅 以塑性区情况及各洞分析资料选出最优方案.对比 时，考虑到每个监测点都可能出现正负位移，但从代 -1号点 D-0 数平均值的角度分析显然不能说明方案优劣.因 0-4号点 -15 此，采用最大最小位移差值取绝对值的方法进行初 7号点 次比选，然后综合考虑在一定计算时步内最大位移 -30 4 8 12162024 值和变化平缓度两个指标，选出推荐方案. 开挖进程m 比较表2各方案评分后的结果，可以看出方案 IV最好，方案V最差.但必须要关注Ⅱ、两个方 图9方案Ⅱ纵向0m处地表跟踪点的位移 案，因为首先它们与方案Ⅳ分数相差不大，其次还要 采用洞桩法施工时尽管采用了桩结构承担了部分载 综合其他因素，具体分析后才能得出最终结论.方 荷，但顶板中点监测点位移仍下降速率很快且车站 案V(如图8)中洞顶板中点在中洞开挖过程中沉降 的底板中点位移上升速率也很快可见跨度对地表 非常明显，而在侧洞开挖时位移又会回弹位移矢量 沉降量有明显影响.当左右侧洞先开挖后再对大跨 又向上，这对中洞拱部的混凝土结构是十分不利的， 度的中洞进行开挖时会有效地降低中洞顶板中点位 因此，不宜选择此方案.同样，在方案Ⅱ和Ⅲ对比 移变化速度. 时，也会发现同样的问题，方案（如图9）中洞开挖 (2)侧洞中隔壁法开挖完成后，地表最大位移 后，沉降量很大，而在右洞开挖时，中洞顶板中点又 出现在洞顶对应地表点的左前方，呈圆形向外扩散. 会出现回弹的现象：而对于方案Ⅱ，各监测点总沉降 当两洞同时开挖时地表会出现两个相类似的圆形区 量或反拱量在可控范围内，而且这种方式各监测点 域，当结构支护参数选择合理时地表位移变化不大. 曲线最为平缓且上升或下沉趋势相对一致，没有较 (3)车站整体开挖完成后，整体破坏区集中在 大的突变.综上，推荐使用方案Ⅱ. 侧洞与中洞之间的地表区域，而在各洞拱顶很少，这 表2地表垂直位移对比结果 mm 说明管棚及小导管注浆预支护对抑制拱顶土体的破 方案 坏有较明显的作用.中洞顶板中点二次衬砌的及时 测点 施作也能很有效的减少地表土体的破坏. 0m处 8 9 2 J (4)通过五种不同开挖顺序方案的比较最终 24m处 7 10 女 确定方案Ⅱ，即先两侧洞同时开挖完成后再开挖中 48m处 7 么 10 12 5 洞的顺序，该方案在整个施工过程中地表、顶板和底 总分 22 31 31 哈 板位移变化平缓，且地表最大沉降量可以控制在规 范要求的30mm以内. 0 m 参考文献 -10 1号点 【刂王暖堂。城市地铁复杂洞群浅埋暗挖法的有限元模拟.岩土 -15 0-4号点 -20 ·一7号点 力学，2001,22(4)：504 -25 [习宋卫东谢政平，张继清.天坛东门站浅埋暗挖施工顺序对地 -30 表沉降影响的数值模拟分析.岩石力学与工程学报.2005,24 0 4 681012141618 (2):5773 开挖进程m 【习吉小明张选兵，白世伟。浅埋暗挖地铁隧道开挖过程的模拟 图8方案IV纵向0m处地表跟踪点的位移 研究.岩土力学，2002,23(6)：828 【刂王善勇，唐春安，王述红，等.地铁开挖对地基沉降影响的数值 结论 分析.东北大学学报.2002.23(9)：887 [习陈先国，高波。重叠隧道的施工力学研究。岩石力学与工程学 通过对光华路地铁站浅埋暗挖的群洞中不同施 报.2003,22(4)：606 工工序的数值模拟研究，得出以下主要结论 [(吴波，刘维宁，高波，等城市浅埋隧道施工性态的时空效应分 (1)进行中洞洞桩法开挖完成后，中洞顶板中 析.岩土工程学报.200426(3)：340 【刁杨天鸿，梁正召，刘红元等.地铁开挖引起地表沉陷过程的数 点的地表对应点在纵向0m处产生位移最大值，并 值模拟.岩石力学与工程学报.2002.21(11)：1620 且呈U型向外扩散：在开挖过程中，大跨度的洞室 【网宋卫东，郭廖武.程湖铁矿2主溜井加固工程稳定性数值分

1 ～ 5 分 ,权重均为 1 , 最后分数由高到低排序, 再辅 以塑性区情况及各洞分析资料选出最优方案 .对比 时,考虑到每个监测点都可能出现正负位移, 但从代 数平均值的角度分析显然不能说明方案优劣 .因 此,采用最大最小位移差值取绝对值的方法进行初 次比选 ,然后综合考虑在一定计算时步内最大位移 值和变化平缓度两个指标 ,选出推荐方案. 比较表 2 各方案评分后的结果, 可以看出方案 Ⅳ最好, 方案 Ⅴ最差 .但必须要关注 Ⅱ 、Ⅲ两个方 案,因为首先它们与方案 Ⅳ分数相差不大,其次还要 综合其他因素, 具体分析后才能得出最终结论.方 案Ⅳ(如图 8)中洞顶板中点在中洞开挖过程中沉降 非常明显 ,而在侧洞开挖时位移又会回弹,位移矢量 又向上,这对中洞拱部的混凝土结构是十分不利的 , 因此 , 不宜选择此方案.同样 , 在方案 Ⅱ和 Ⅲ对比 时,也会发现同样的问题 ,方案Ⅲ(如图 9)中洞开挖 后,沉降量很大, 而在右洞开挖时 ,中洞顶板中点又 会出现回弹的现象;而对于方案Ⅱ ,各监测点总沉降 量或反拱量在可控范围内, 而且这种方式各监测点 曲线最为平缓且上升或下沉趋势相对一致, 没有较 大的突变 .综上,推荐使用方案Ⅱ . 表 2 地表垂直位移对比结果 mm 测点 方案 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 0 m 处 8 9 11 12 5 24 m 处 7 11 10 12 5 48 m 处 7 11 10 12 5 总分 22 31 31 36 15 图8 方案Ⅳ纵向 0 m 处地表跟踪点的位移 3 结论 通过对光华路地铁站浅埋暗挖的群洞中不同施 工工序的数值模拟研究, 得出以下主要结论: (1)进行中洞洞桩法开挖完成后, 中洞顶板中 点的地表对应点在纵向 0 m 处产生位移最大值, 并 且呈U 型向外扩散 ;在开挖过程中 , 大跨度的洞室 图 9 方案Ⅲ纵向 0 m 处地表跟踪点的位移 采用洞桩法施工时尽管采用了桩结构承担了部分载 荷 ,但顶板中点监测点位移仍下降速率很快,且车站 的底板中点位移上升速率也很快, 可见跨度对地表 沉降量有明显影响 .当左右侧洞先开挖后再对大跨 度的中洞进行开挖时会有效地降低中洞顶板中点位 移变化速度 . (2)侧洞中隔壁法开挖完成后 ,地表最大位移 出现在洞顶对应地表点的左前方 ,呈圆形向外扩散. 当两洞同时开挖时地表会出现两个相类似的圆形区 域 ,当结构支护参数选择合理时地表位移变化不大. (3)车站整体开挖完成后 ,整体破坏区集中在 侧洞与中洞之间的地表区域 ,而在各洞拱顶很少 ,这 说明管棚及小导管注浆预支护对抑制拱顶土体的破 坏有较明显的作用 .中洞顶板中点二次衬砌的及时 施作也能很有效的减少地表土体的破坏. (4)通过五种不同开挖顺序方案的比较, 最终 确定方案 Ⅱ , 即先两侧洞同时开挖完成后再开挖中 洞的顺序,该方案在整个施工过程中地表 、顶板和底 板位移变化平缓, 且地表最大沉降量可以控制在规 范要求的 30 mm 以内 . 参 考 文 献 [ 1] 王暖堂.城市地铁复杂洞群浅埋暗挖法的有限元模拟.岩土 力学, 2001 , 22(4):504 [ 2] 宋卫东, 谢政平, 张继清.天坛东门站浅埋暗挖施工顺序对地 表沉降影响的数值模拟分析.岩石力学与工程学报, 2005 , 24 (2):5773 [ 3] 吉小明, 张选兵, 白世伟.浅埋暗挖地铁隧道开挖过程的模拟 研究.岩土力学, 2002 , 23(6):828 [ 4] 王善勇, 唐春安, 王述红, 等.地铁开挖对地基沉降影响的数值 分析.东北大学学报, 2002 , 23(9):887 [ 5] 陈先国, 高波.重叠隧道的施工力学研究.岩石力学与工程学 报, 2003 , 22(4):606 [ 6] 吴波, 刘维宁, 高波, 等.城市浅埋隧道施工性态的时空效应分 析.岩土工程学报, 2004 , 26(3):340 [ 7] 杨天鸿, 梁正召, 刘红元, 等.地铁开挖引起地表沉陷过程的数 值模拟.岩石力学与工程学报, 2002 , 21(11):1620 [ 8] 宋卫东, 郭廖武.程潮铁矿 2 #主溜井加固工程稳定性数值分 · 40 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2

Vol.29 Suppl 2 杜建华等：北京地铁十号线光华路站开挖群洞效应的数值模拟研究 41。 析.北京科技大学学报.2001,23(3)：193 数值分析.北京科技大学学报.200022(4)：292 【习宋卫东，王金安，匡忠祥.程潮铁矿淹井前后采场溜井稳定性 Numerical simulation study on the multi-tunnel effect during ex cavation of the sub- way in Guanghua Road Station of Beijing metro line 10 DU Jianhua,BAO Wei,LIU Zhina,SONG Weidong School of Civil and Environment Engineering,Uriversity of Science and Technology Beijng,Beijing 100083 China ABSTRACT In this paper,based on Guanghua Road Station geometric materials,the numerical simulation of the station under five different ex cavation orders w as carried out by FLAC3D softw are.Through the compar- isons of different excavation orders with the same support parameters and the same loading condition,the regu- larities of soilstress,plastic region and displacement transfo mation about the station were put forward.After analy zing,the recommending ex cavating order of the multi-tunneling construction was proposed.The results showed:(1)the plastic regions mainly exist in the areas between different holes,and along the line which pre- sents 45 from the vert ical direction of the middle hole;(2)the horizontal expansion of the section of the middle hole plays an important role in the dow nw ard displacement of the ground surface but to the multi-tunnel con- struction,excavating the left and right hole firstly can reduce the displacement effectively;(3)the arch struc- ture of the main hole plays an very important role in reducing the dow nw ard displacement of the ground surface. KEY WORDS multi-tunnel effect;cavermpile method;shallow-depth-excav ation;numerical simulation

析.北京科技大学学报,2001 , 23(3):193 [ 9] 宋卫东, 王金安, 匡忠祥.程潮铁矿淹井前后采场溜井稳定性 数值分析.北京科技大学学报, 2000 , 22(4):292 Numerical simulation study on the multi-tunnel effect during ex cavation of the sub￾w ay in Guanghua Road Station of Beijing metro line 10 DU Jianhua , B AO Wei , LIU Zhina , SONG Weidong S chool of Civil and Environment Engineering , Uni versit y of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China ABSTRACT In this paper, based on Guanghua Road Station geometric materials, the numerical simulation of the station under five different ex cavation orders w as carried out by FLAC3D softw are .Throug h the compar￾isons of different excavation o rders with the same suppo rt parameters and the same loading condition , the regu￾larities of soil-stress, plastic region and displacement transfo rmation about the station w ere put forward .After analy zing , the recommending ex cavating order of the multi-tunneling construction w as proposed .The results showed :(1)the plastic reg ions mainly exist in the areas between different holes, and along the line w hich pre￾sents 45°from the vertical direction of the middle hole ;(2)the horizontal expansion of the section of the middle hole play s an important role in the dow nw ard displacement of the g round surface , but to the multi-tunnel con￾struction , excavating the left and rig ht hole firstly can reduce the displacement effectively ;(3)the arch struc￾ture of the main hole plays an very important role in reducing the dow nw ard displacement of the g round surface. KEY WORDS multi-tunnel effect ;cavern-pile method ;shallow-depth-excav ation ;numerical simulation Vol.29 Suppl.2 杜建华等:北京地铁十号线光华路站开挖群洞效应的数值模拟研究 · 41 ·