上软下硬地层大跨暗挖地铁车站拱盖法施工力学效应研究

Study on construction mechanics effect of arch cover method for underground subway station with upper soft and lower hard strata

摘要

为研究上软下硬地层大跨暗挖地铁车站拱盖法施工的力学效应，以大连地铁4号线东南山站为研究背景，采用数值模拟和现场监测相结合的方法，运用MIDAS-GTS/NX有限元软件，研究地铁车站拱盖法施工全程的围岩变形及稳定性并与现场实测数据对比分析。研究结果表明：地表沉降由车站中线向两侧逐渐递减，影响区域约为车站开挖跨度的2倍；围岩变形和应力具有明显对称性，拱部围岩以沉降为主，高边墙以隆起为主，拱部跨中向隧道净空入侵，大拱脚向围岩入侵；围岩最大主应力均为压应力，拱脚尖角部位存在应力集中现象；围岩塑性区作用位置随车站施工不断变化，最终集中作用于高边墙位置处；通过Peck公式预测地表沉降，验证在上软下硬地层中采用拱盖法施工的可行性，为实际工程施工提供参考。

Abstract

To study the mechanical effects of the arch cover method in the construction of large-span underground subway station with upper soft and lower hard excavation, taking the construction of Southeast Mountain Station on Dalian Metro Line 4 as the research background, a research method adjoining numerical simulation and on-site monitoring was adopted. MIDAS-GTS/NX finite element software was used to study deformation and stability of surrounding rock and contrastive analysis with on-site measured data. The research results indicate that surface subsidence shows a decreasing trend from the centerline of the station to both sides, and the affected region is about twice the excavation skip distance of the station. The variant and stress of country rock have apparent symmetrical characteristics, the surrounding rock of the arch is mainly caused by settlement, while the high side wall is mainly uplift, the arch spans invades towards the tunnel clearance, the large arch foot invades towards the surrounding rock; the von mises stress of the country rock is under compression, and there is a phenomenon of concentration of stresses at the closed angle of the arch foot; the location of the plastic region of the country rock change continuously with the build of the depot, and ultimately funnel into the high side walls. The verification of surface settlement is predicted using the Peck formula, and the feasibility of using the arch cover method for construction in upper soft and lower hard strata is verified, which provides a reference for similar practical projects.

Graphical abstract

关键词

暗挖地铁车站 / 拱盖法施工 / 围岩变形 / Peck沉降预测 / 围岩塑性区 / 围岩最大主应力

Key words

underground of subway station / arch cover method construction / surrounding rock deformation / Peck settlement prediction / plastic zone of surrounding rock / maximum principal stress of surrounding rock

0 引言

随着经济社会的不断发展，地上空间资源日渐稀缺，对地下空间资源的开发利用已成为必然选择。地铁车站的施工多位于城市中心地段，过往行人较多，建筑群密集，交通网错综复杂，因此，有学者提出适用于地下大跨浅埋暗挖的地铁车站施工理论。大跨暗挖地铁车站施工工法主要有中洞法、洞桩法、双侧壁导坑法、CRD交叉中隔墙法^[1-4]等。上海和广州等地地铁车站施工大部分采用双侧壁导坑法和CRD法，北京地铁车站施工常采用 PBA法和中洞法^[5-8]。随着城市地下交通轨道的建设与发展，大跨度浅埋暗挖地铁车站施工工法也取得了一系列创新成果，针对上软下硬复合地层这一特殊地质条件，相关人员提出一种新型工法，即拱盖法^[9-10]，该工法可以较好地解决钻爆法施工引起的安全性不足和变形量较大等问题。

隗志远等^[11]通过FLAC ^3D有限元软件研究了双层初期支护拱盖法施工时拆除临时支撑的力学效应，研究表明双层拱盖体系协同工作能有效抑制地表沉降和围岩变形。LIU等^[12]通过研究拱盖法施工边桩的力学效应，以边桩直径、间距、埋深为研究指标，通过现场实测和数值模拟发现桩径是控制边桩变形的关键。龚旭东^[13]通过MIDAS-GTS/NX软件模拟地铁车站初支拱盖法施工全过程，得到沉降变形规律并提出相应的施工优化措施。SHANG等^[14]通过对比六种不同的支护组合对围岩变形控制效果的影响，发现采用双层初支叠合大拱脚支护方案对围岩变形的抑制效果最佳。孔超等^[15]通过室内模型试验研究不同施工工况下初支拱盖法施工过程中围岩的变形规律，研究表明拱盖能有效抑制围岩及初支变形。LIU等^[16]研究了拱盖法施工过程中支护结构的受力特征，研究表明影响拱盖法支撑结构的关键是车站中板的施工和混凝土的回填。GUO等^[17]研究发现双层拱盖法能够在临时支撑拆除阶段提供更大的安全储备，有利于抑制拱形结构变形，减小地表沉降，提高结构的安全性和稳定性。WANG等^[18]通过双侧壁导坑法、初支拱盖法数值分析以及现场监测，发现初支拱盖法更有利于控制沉降和结构受力。殷小亮^[19]模拟了不同施工工法下地表沉降、洞室周围围岩变形和车站塑性区分布情况，研究表明初支拱盖法抑制围岩和地层表面变形的效果最佳。张子龙等^[20]研究了拱盖法施工过程中地表沉降和围岩应力的变化规律，得到拱盖法施工的力学特征并提出相应的优化措施。

从已有研究成果来看，对上软下硬大跨暗挖地铁车站施工的研究多集中于地表及围岩变形，且研究对象大多为车站的上部拱盖结构，对于围岩应力和变形区分布特征以及车站下部结构的研究较少。本文以大连地铁4号线东南山站为研究背景，通过MIDAS-GTS/NX有限元软件对大跨暗挖地铁车站拱盖法施工开展模拟，选取拱部跨中、大拱脚以及高边墙等多个围岩特征点，对施工过程中不同阶段的地表沉降、围岩变形、围岩塑性区及围岩最大主应力开展研究，明确拱盖法施工的力学效应，并通过Peck公式对地表沉降进行预测，验证在上软下硬地层采用拱盖法施工的可行性，为实际工程提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

东南山站为大连地铁4号线第4座车站，位于虹城路以北由家村工业园区以南，顶板覆土厚为3.7 ~ 32.8 m，整个工程范围内地势东高西低，起伏较大。东南山站长为189 m，标准段宽为 22.5 m，高为20.9 m，车站附属结构设置3个出入口、2组风亭，预留1个换乘通道。车站主体结构位于中风化石灰岩中，围岩等级为IV级，车站上覆层为素填土和强风化石灰岩，属于典型的上软下硬复合地层。

1.2 拱盖法支护概况

拱盖法通过大拱脚将上部结构载荷有效传递至下部坚硬稳定的围岩中，利用围岩自身的承载力和稳定性来保证整个结构的安全性。在拱盖结构完成初期支护并进行二次衬砌后，即可在拱盖结构的保护下快速进行下部结构的开挖与施工。

车站采用拱盖法施工。施工前在拱部120°位置处采用直径为42 mm、长为2.5 m的超前小导管进行注浆加固，边导洞拱脚处采用直径为22 mm、长为3 m的砂浆锚杆和直径为1 m、间距为2 m的人工挖孔灌注桩进行加固。初期支护采用厚度为 350 mm和250 mm的 C25混凝土，二次衬砌采用厚度为800 ~ 1 000 mm的C40钢筋混凝土。车站主体结构剖面见图1。

1.3 拱盖法施工步骤

与传统大跨浅埋暗挖施工工法相比，拱盖法施工的优点如下：①导洞数量少，施工工序简单，钻爆次数较少，对地层扰动较小；②支护较简单，临时支撑的拆除相对减少，有利于上部结构的稳定性；③拱部初期支护和二次衬砌施工完成后，在拱盖结构保护下可加快下部结构施工，保障施工安全。

结合东南山站地质工程条件优化施工过程，具体步骤如下：①超前预加固与边导洞开挖：车站主体结构正式施工前，先进行超前小导管注浆加固，然后开挖边导洞1和边导洞2，及时采取初期支护措施；②边导洞围护结构与中导洞开挖：对边导洞内部进行围护桩、锚杆、冠梁施工，开挖中导洞3和中导洞4，及时进行初期支护；③临时支撑拆除与拱顶防水层施工：分段拆除边导洞与中导洞之间的临时支撑，依次铺设车站拱顶的防水层及二次衬砌混凝土结构；④下部结构土体开挖与侧墙初期支护：分层分段开挖车站下部结构至坑底设计高程，及时进行车站侧墙的初期支护施工；⑤下部结构底板及站台层结构施工：按顺序进行车站下部结构底板垫层、防水层、仰拱部位的二次衬砌施工，完成站台层结构立柱建设，安装综合接地设施；⑥侧墙防水层及整体结构闭合：继续进行车站下部结构侧墙的防水层及二次衬砌施工，完成车站结构中板、内部结构、轨面下的素混凝土回填作业。拱盖法施工过程示意见图2。

2 数值模型建立及Peck地表沉降预测

2.1 三维数值模拟

利用MIDAS-GTS/NX有限元软件对东南山站拱盖法施工全程进行数值模拟。为消除边界效应影响，根据圣维南原理，模型左右边界取车站开挖跨度的3 ~ 5倍，下边界取开挖跨度的2倍，上边界竖直向上取至地表。模型整体尺寸为长为90 m、宽为40 m、高为75 m，车站、土层分别采用边长为0.5 m、2 m的网格，模型共计202 883个节点和213 975个单元，数值模型见图3。模型地层参数符合摩尔-库伦准则，岩层及材料参数见表1。岩层、二次衬砌均采用实体单元，初期支护采用板单元，锚杆采用植入式桁架单元，围护桩采用梁单元。边界约束采用位移约束，模型上边界为自由面。

2.2 监测点布置

数值模拟时以模型中间断面为研究断面，由车站中线向两侧每隔10 m布设1个地表沉降监测点，在围岩与初期支护之间设置围岩特征监测点，分别为拱脚外边缘角点A、C、E、M、O、Q和中点B、D、N、P，各主体导洞拱顶H、J、F、L，各导洞连接处中隔墙I、G、K和高边墙中点R、S、T、U，具体布置见图4。

2.3 基于Peck修正公式预测地表沉降

Peck经验公式是通过观测大量工程的地表沉降数据，由Gauss方程演变而来的一种新的计算方法，其计算式为

S\left(x\right)=S_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(-\frac{x^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}{i}^{\mathrm{2}}}\right)，（1）

S_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{\eta \mathrm{\pi }{R}^{\mathrm{2}}}{i\sqrt[]{\mathrm{2}\mathrm{\pi }}}，（2）

i=\frac{Z}{\sqrt[]{\mathrm{2}\mathrm{\pi }}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\mathrm{45}°-\phi /\mathrm{2}\right)}，（3）

式（1）~ 式（3）中：x为监测点距隧道中心的水平距离，m；S(x)为x处的地表沉降值，mm；S_max为最大地表沉降值，mm；i为沉降槽宽度，mm；R为开挖半径，m；η为地层损失率；φ为岩土层的内摩擦角，°；Z为地表距隧道中心的垂直高度，m。

基于Peck公式，提出一种类似于正态分布的地表沉降横向分布曲线，见图5。

3 数值模拟结果分析

为研究上软下硬地层大跨暗挖地铁车站拱盖法施工的力学效应，对施工全程进行阶段划分，如下：①开挖边导洞1；②开挖边导洞2；③开挖中导洞3；④开挖中导洞4；⑤拱部初期支护；⑥拆除临时支撑；⑦拱部二次衬砌；⑧开挖下部土体；⑨下部结构初期支护；⑩下部结构二次衬砌。

3.1 地表沉降

各施工阶段地表变形见图6。由图6可知，地表沉降随车站施工进程逐渐增大，车站中线上方地表沉降最大，地表沉降由车站中线向两侧逐渐减小，最终趋于稳定。车站中线两侧0 ~ 36.5 m内地表沉降变化显著，再向外延伸地表沉降较小，表明地表沉降受施工影响区域约为车站开挖跨度的2倍。由于开挖断面较小且初期支护施工及时，边导洞开挖初期地表沉降较小。中导洞3开挖后地表沉降明显增大。中导洞4开挖后，由于车站整体开挖断面达到最大值，此时地表沉降增至1.9 mm。临时支撑拆除使作用于支撑结构上的载荷转移至洞室围岩上，围岩压力迅速增大，导致地表沉降显著增大。拱部二次衬砌施工完成后，车站下部结构施工时地表沉降无明显变化，表明中导洞开挖和临时支撑拆除是引起地表沉降的关键，施工时应加强对中导洞开挖和临时支撑拆除的监测力度，防止地表产生过大沉降，保障施工安全。

3.2 围岩变形

（1）围岩竖向位移

各施工阶段拱部跨中的竖向变形见图7，其中，围岩竖向位移以向上为正，向下为负。由图7可知，车站施工全程，拱部跨中围岩均发生沉降位移，且在中导洞施工和临时支撑拆除过程中，围岩位移变化最显著。边导洞施工时，拱部跨中各特征点的竖向位移均较小，特征点H、I、J的竖向位移小于特征点F、G、K、L。中导洞施工和临时支撑拆除时，跨中竖向位移均显著增大，特征点H、I、J的竖向位移增幅明显大于特征点F、G、K、L，表明距离车站中线越近，拱部跨中围岩的竖向位移越大。拱部二次衬砌施工完成后，仅下部土体开挖会产生少量变形，其余施工阶段竖向位移均无明显变化，基本趋于稳定。

各施工阶段拱部大拱脚的竖向变形见图8。由图8可知，拱部大拱脚竖向变形以沉降位移为主，且左右两侧大拱脚竖向位移的变化趋势基本一致，具有明显的对称性。车站施工全程，大拱脚特征点C、D、E、M、N、O的变形与拱部跨中变形基本一致，大拱脚处围岩位移小于拱部跨中位移。导洞施工初期，拱脚底部特征点A、B、P、Q发生隆起位移且随导洞施工逐渐增大。临时支撑拆除后，由于围岩失去临时支撑的约束作用，载荷通过大拱脚传递至下部坚硬岩层中，拱脚底部隆起位移逐渐减小，隆起量减小至零后反向发生沉降位移。

各施工阶段高边墙的竖向变形见图9。由图9可知，高边墙竖向变形以隆起位移为主，左右两侧高边墙位移的变化趋势基本一致，具有明显的对称性。在中导洞施工、临时支撑拆除以及下部土体开挖过程中，围岩位移变化显著。边导洞施工时，高边墙发生隆起位移且位移较小。中导洞施工时，高边墙隆起位移迅速增大，最大值为1.86 mm。临时支撑拆除后，围岩压力骤增，高边墙隆起位移迅速减小至0.25 mm。下部土体开挖时，由于围岩的卸荷作用，高边墙由隆起位移逐渐转变为沉降位移，最大沉降位移为0.48 mm，远小于隆起位移。

（2）围岩水平位移

各施工阶段拱部的水平变形见图10，其中，围岩水平位移以向右为正，向左为负。

由图10可知，拱部围岩水平位移具有明显的对称性，且均在中导洞施工和临时支撑拆除时明显增大，其余施工阶段围岩水平位移无明显变化，较为稳定。导洞3拱顶特征点H向右移动，导洞4拱顶特征点J向左移动，表明拱部跨中有向隧道净空入侵的趋势。左拱脚特征点A、B、C、D、E向左移动，右拱脚特征点M、N、O、P、Q向右移动，表明拱部拱脚有向围岩入侵的趋势，整体来看，拱部跨中水平位移小于拱部大拱脚水平位移。

各施工阶段高边墙的水平变形见图11。

由图11可知，高边墙水平位移具有明显对称性，在中导洞施工、临时支撑拆除以及下部土体开挖时，高边墙水平位移显著增大。高边墙在中导洞施工和临时支撑拆除时位移增量较小，在下部土体开挖时位移增量较大。左侧高边墙特征点T、U在拱部施工时向左移动，下部土体开挖时，由于围岩的挤压作用，特征点T、U逐渐变成向右移动，表明车站拱部结构施工时高边墙有向围岩入侵的趋势，下部结构施工时高边墙有向隧道净空入侵的趋势。

3.3 围岩塑性区分布

典型施工阶段围岩塑性区分布见图12。由图12可知，边导洞开挖过程中，围岩塑性区面积较小且主要集中分布于左右边导洞拱脚位置处。中导洞施工时，由于隧道拱部开挖断面达到最大值，围岩塑性区面积显著增大且集中分布于拱盖顶部以及左右边导洞拱脚位置处。临时支撑拆除后，由于失去临时支撑的约束作用，围岩压力迅速增大，围岩塑性区面积达到最大值。拱部二次衬砌施工后，围岩塑性区面积显著减小，表明二次衬砌结构对于维护拱部围岩的稳定具有积极作用。下部结构施工后，围岩塑性区主要集中分布于高边墙位置处，由于拱盖结构的保护和下部结构的及时支护，围岩塑性区面积较小。随着车站施工工序的进行，洞室围岩发生塑性松动，塑性区面积与作用位置不断变化。施工完成后，塑性区集中分布于下部结构高边墙位置处，因此，采用拱盖法施工时应及时进行下部高边墙的初期支护，同时，密切关注高边墙的塑性松动，做好监控测量工作。

3.4 围岩最大主应力

各施工阶段拱部跨中主应力变化见图13，其中，围岩应力以受拉为正，受压为负。由图13可知，拱部跨中围岩均受压，中隔墙主应力较大，拱顶主应力较小。中导洞拱顶特征点H、J的最大主应力小于边导洞拱顶特征点F、L，表明距离车站中线越近，拱部跨中最大主应力越小。从施工全程来看，导洞施工时，中隔墙应力显著增大，各导洞拱顶应力无明显变化。临时支撑拆除后，各导洞拱顶应力显著增大，中隔墙应力基本不变。下部结构施工对拱部跨中最大主应力的影响较小。

各施工阶段拱部大拱脚主应力变化见图14。由图14可知，拱部拱脚围岩均受压，左右两侧大拱脚位置处的最大主应力具有明显对称性。车站施工全程，大拱脚处最大主应力仅在临时支撑拆除时显著增大，其余施工阶段应力变化较小。大拱脚特征点C、O的最大主应力明显大于拱脚其余部位，表明拱脚尖角部位存在应力集中现象。

各施工阶段高边墙主应力变化见图15。由图15可知，高边墙围岩受压且具有明显的对称性。边导洞施工初期，高边墙最大主应力较小，随着导洞施工主应力缓慢增大，导洞施工完成后，高边墙最大主应力较小，数值接近于0。临时支撑拆除后，高边墙应力显著增大，最大为0.19 MPa。下部土体开挖时，由于围岩的卸荷作用，高边墙最大主应力迅速减小，土体开挖完成后高边墙最大主应力较小，车站施工完成后应力仍有极小幅度增长。

4 数值模拟与监测数据对比分析

为验证有限元软件模拟地铁车站拱盖法施工的可靠性，将模拟值与现场实测值进行对比，见图16 ~ 图19。由图16 ~ 图19可知，地铁车站拱盖法施工围岩竖向位移、水平位移以及最大主应力的模拟值与实测值变化趋势基本一致，地表沉降模拟曲线与Peck公式地表沉降预测曲线基本吻合，整体略小于实测值，表明Peck公式对于地表沉降的预测具有参考价值，数值模拟较可靠，在上软下硬复合地层地铁车站采用拱盖法施工具有一定的可行性。

5 结论

以大连地铁4号线东南山站为研究背景，采用数值模拟和现场实测相结合的方法，通过地表沉降、围岩变形、塑性区、最大主应力的变化规律研究拱盖法施工的力学效应，得出如下结论。

（1）地表沉降随车站施工逐渐增大，车站中线上方地表沉降最大，地表沉降由车站中线向两侧逐渐减小，最终趋于稳定。车站中线两侧0 ~ 36.5 m内地表沉降变化显著，再向外延伸地表沉降较小。

（2）拱部和高边墙围岩变形具有明显的对称性，围岩最大主应力变化情况较复杂。拱部跨中围岩向隧道净空入侵，拱脚向围岩入侵。距离车站中线越近，拱部跨中最大主应力越小。拱脚尖角位置处存在应力集中现象。

（3）车站施工过程中，洞室围岩发生塑性松动，且塑性区面积与作用位置不断变化。拱部二次衬砌有利于维护拱部围岩的稳定性。施工完成后，塑性区主要集中分布于高边墙位置处。实际施工时应及时进行高边墙初期支护，密切关注高边墙的塑性松动，做好监控量测工作。

（4）Peck公式能够较准确地预测地表沉降，在上软下硬复合地层地铁车站采用拱盖法施工具有一定的可行性。

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基金资助

国家自然科学基金项目(51474045)

大连市科技创新基金项目(2023JJ12GX012)