“暗挖逆筑法”施工力學(xué)分析

摘 要：“暗挖逆筑法”是一種新穎的地下工程施工方法。根據(jù)該工法的施工步驟，本文主要對施工過程中的重要工況進(jìn)行了力學(xué)計算和模擬分析，文章最后還補充了部分現(xiàn)場監(jiān)測資料。
關(guān)鍵詞：暗挖法、逆筑法、監(jiān)控量測、地鐵

（一）“暗挖逆筑法”簡介
北京地鐵天安門西站是國內(nèi)首次采用“暗挖逆筑法”施工的大型地下工程，車站典型橫斷面如圖1所示，施工步驟示于圖2，主要包括：

圖1 車站橫斷面圖（單位：cm）


圖2 主要施工步驟圖

1． 開挖上、下八條導(dǎo)洞，施作網(wǎng)噴混凝土臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)；
2． 澆筑下部導(dǎo)洞內(nèi)的條形基礎(chǔ)，在導(dǎo)洞內(nèi)從上往下進(jìn)行人工挖孔、澆筑邊樁、安裝鋼管柱，澆筑邊樁和鋼管柱上的邊縱梁、縱向天梁；
3． 開挖柱間上部土體，施作拱部初期支護(hù)；
4． 拆除導(dǎo)洞臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)，從上往下逆筑模筑混凝土。
（二） 施工力學(xué)分析
施工力學(xué)分析共包含兩部分內(nèi)容，即平面有限元模擬計算（應(yīng)用2D-σ程序）和空間力學(xué)分析（應(yīng)用Supersap91程序）。
1． 平面有限元模擬計算
平面有限元主要用于施工過程中的地層動態(tài)模擬，滿足工程施工的環(huán)境控制要求。
（1） 計算參數(shù)及計算網(wǎng)絡(luò)
根據(jù)地質(zhì)詳勘資料、設(shè)計文件及以往的計算分析經(jīng)驗，可選取表1所示的計算參數(shù)。計算網(wǎng)絡(luò)示于圖3。
地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù) 表1


圖3 計算網(wǎng)絡(luò)圖

（2） 計算結(jié)果
下面主要給出各主要施工階段的地表沉降曲線（圖4）和塑性區(qū)域（圖5）。

圖4 計算地表沉降曲線


圖5 塑性區(qū)圖

2．空間力學(xué)分析
空間力學(xué)分析采用“荷載—結(jié)構(gòu)”模型，主要用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算。下面給出典型的、最不利受力階段（開挖柱間上部土體）的計算簡化模型和計算結(jié)果。
（1） 計算簡化模型
上述典型的、最不利受力階段（開挖柱間上部土體）的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及簡化計算模型分別示于圖6、圖7和圖8。

圖6 最不利結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)


圖7 計算簡化模型1（未考慮防水板作用）


圖8 計算簡化模型2（模擬防水板作用）

（2） 計算結(jié)果
考慮到上述狀態(tài)系臨時的、最不利的受力狀態(tài)，故荷載取為“土壓力+結(jié)構(gòu)自重+施工荷載”，計算結(jié)果示于圖9、圖10。

圖9 簡化模型1支護(hù)結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力（單位：kN．m）


圖10 簡化模型2支護(hù)結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力（單位：kN．m）

（三） 現(xiàn)場實測資料
1． 地表沉降
典型實測地表沉降曲線示于圖11，對照圖4所示的計算結(jié)果有兩點需作進(jìn)一步說明：
（1）實測地表沉降值與計算值基本吻合，主要是因為北京地區(qū)有較多的“暗挖法”施工實例，計算參數(shù)的選擇相對合理。
（2）兩邊拱施工階段所得的地表沉降實測結(jié)果和計算值有一定差異，其主要原因是施工存在的地層損失（指結(jié)構(gòu)與地層間存在的空隙）在模擬計算中沒有得到充分反應(yīng)。

圖11 典型實測地表沉降曲線

2． 結(jié)構(gòu)受力
為節(jié)省篇幅，本文僅給出車站核心受力結(jié)構(gòu)—鋼管柱的實測結(jié)果（表2）。

鋼管受力實測結(jié)果 表2

對照表2、圖9和圖10幾組結(jié)果可知：采用彈簧單元（只傳遞壓力，不傳遞拉力、剪力和彎矩）來模擬內(nèi)外層結(jié)構(gòu)間防水板的力學(xué)效果較為理想。