大跨地铁车站中洞法施工中立柱对围岩稳定性的影响研究

摘要

由于其造价低、拆迁少及不影响地面交通及周围环境等特点，浅埋暗挖法在地铁车站的施工中得以广泛应用。中洞法作为一种常见的浅埋暗挖施工方法，在一些沉降控制要求严格的车站施工中应用较多。在中洞法施工过程中，通过先行开挖中导洞并施作中立柱，在中立柱的支撑下再开挖两侧导洞，从而将车站的大跨度开挖转变为有支护的小跨度开挖，最终达到降低车站开挖对周边环境影响的目的。先行施作的中立柱在中洞法施工中有着至关重要的作用，可以在施工过程中保证侧洞的施工安全，它是车站开挖以及后期运营的永久性受力构件。因此，研究中洞法施工中立柱对车站开挖受力变形的影响，具有极其重要的意义。
　　本文依托新疆乌鲁木齐地铁一号线新兴街站，以理论分析、数值模拟为研究手段，在对车站开挖方案进行比选的基础上，重点对中洞法施工中中立柱的施作时机对车站开挖力学效应的影响进行了研究，并进一步分析了顶板岩层厚度、围岩级别对中立柱施作时机产生的影响，研究内容和成果如下：
　　①重点分析了浅埋暗挖法的一些常用施工方案，如：全断面法、台阶法、中洞法、拱盖法、CRD法、洞桩法以及双侧壁导坑法，对比分析了每一种施工方法的施工工序，施工特点以及各自适用的范围。
　　②结合车站的工程地质概况和设计参数，初步拟定了中洞法、拱盖法和 CRD法三种车站开挖方案，以 Midas/GTS作为数值分析手段，针对该车站中最弱的围岩断面建立平面分析模型，对比分析了三种开挖方案下的围岩变形、围岩应力以及初期支护内力等参数，可以得出拱盖法产生的变形在施作上拱二衬阶段出现陡增现象，CRD法在施工过程中出现了变形的偏移，中洞法产生的变形比较均匀，从控制围岩变形、围岩应力以及初期支护内力方面具有明显的优势。因此，综合各方面因素，最终确定中洞法为最佳方案。
　　③针对地层状况最弱的车站断面建立数值分析模型，以中洞法作为车站开挖方案，对比分析了有、无中立柱两种工况在开挖车站时产生的施工力学效应。通过对比可知，两种工况产生的地表沉降差异幅度达196％，拱顶沉降差异幅度达159%，仰拱隆起的差异幅度达103%，围岩最大主应力差异幅度达580.27%，最小主应力差异幅度达71.98%，剪应力差异幅度达170.78%，支护结构产生轴力的差异幅度达80.2%，弯矩的差异幅度达51.6%。对比分析可以看出，中立柱对减小围岩变形、围岩应力以及支护结构内力具有非常显著的作用，是采用中洞法开挖车站中极为重要的支护结构。
　　④选取代表性的区间段建立三维分析数值模型，考虑了两种工况：一种是中导洞开挖完成后及时施作中立柱，另一种是车站整个断面开挖完成后再施作中立柱，通过两种工况对比分析了中立柱施作时机对车站开挖的影响。结果表明，在本模拟中的地层条件下，由于中立柱施作时机滞后，使得车站开挖引起的地表沉降、围岩变形及应力、支护结构内力在两侧导洞开挖过程中出现了一定程度增加，可见，当车站地层条件较差时，及时施作中立柱有利于减小车站开挖扰动、保证支护结构受力合理。
　　⑤中立柱施作时机对车站开挖力学效应的影响与车站所处的地层条件直接相关。通过建立多组平面数值分析模型，分析了当顶板岩层厚度、围岩级别不同时，先行施作中立柱与后施作中立柱两种工况下的车站开挖力学效应差异变化。顶板岩层厚度考虑了8m、10m、12m和14m四种情况，围岩级别考虑了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级三种。分析表明，当顶板岩层厚度达到12m或围岩级别达到Ⅲ级时，中立施作时机对车站开挖力学效应的影响已不再明显。
　　⑥当采用中洞法开挖地铁车站时，先行施作的中立柱会受到侧洞开挖爆破震动的影响，且往往会成为妨碍后续施工的障碍物。为避免这些不利因素，当车站开挖所处的地层状况较好时（如在本文车站的工程条件下顶板厚度≥12m或围岩级别达到Ⅲ级时），采用在车站全部断面开挖完成后再施作中立柱的处理方案，既能避免中立柱受爆破开挖的影响，又能够取得较为满意的支护效果。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及技术路线

2 大跨地铁车站浅埋暗挖施工方法的特征分析

2.1 概述

2.2 浅埋暗挖法的简介

2.3 浅埋暗挖法常用施工方法特点分析

2.4浅埋暗挖法常用施工方法的对比分析

2.5 本章小结

3 浅埋大跨地铁车站暗挖施工方案比选研究

3.1 概述

3.2 工程概况

3.3 三种备选开挖方案的确定

3.4 三种备选开挖方案数值模拟对比分析

3.5 本章小结

4 中洞法施工中立柱及其施作时机对地铁车站围岩稳定性的影响研究

4.1 概述

4.2 有无中立柱对围岩稳定性的影响

4.3 中立柱施作时机对围岩稳定性的影响

4.4 本章小结

5 中立柱施作时机的影响因素研究

5.1 概述

5.2 顶板岩层厚度对中立柱施作时机的影响

5.3 围岩级别对中立柱施作时机的影响

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间所发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目