洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析
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本文以北京地铁 6 号线朝阳门车站洞桩法施 工［9］为背景，采用三维有限元数值模拟技术，重点研 究在不同的导洞进洞方式和开挖顺序下施工通道、 地表及邻近管线的内力和变形情况，综合分析洞桩 法导洞施工的优化方案，为现场施工提供理论参考。
图 2 导洞开挖工序平面图 Fig． 2 Layout drawing of excavation procedure of headings
Yuan Yang1 ，Liu Weining1 ，Ding Deyun1，3 ，Gao Xincai2 ，Ma Meng1
（ 1． School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China； 2． Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute，Beijing 100082，China； 3． Beijing Urban Engineering Design and Research Institute Co． Ltd． ，Beijing 100037，China） Abstract： The selection of heading excavation scheme in construction of metro station by drift-PBA method has attracted more and more attention． Relying on the Chaoyangmen Station project in Beijing Metro Line 6，the different schemes of heading opening pattern and heading excavation sequence were optimized． Some 3-D finite element numerical models on the basis of the ground-structure interaction were conducted； the heading excavation processes in different schemes were simulated． The data of the deformation and stress of construction passage，the ground settlement and the adjacent pipeline deformation were obtained． The calculation results indicated that the separated-passage pattern could effectively control the deformation and the stress of construction passage； compared to excavating the lower headings first，excavating the upper headings first could better control the shape of settlement trough and the pipeline deformation； in the heading excavation，the method by stagger the distances of spaced excavations should be used， and the staggering distance should not be smaller than 10 meters． Keywords： metro station； drift-PBA method； heading excavation； numerical simulation
0． 2
24
模型施加了地面支承边界，即上表面为自由地 表，四个竖直面施加法向水平约束，下表面施加竖 向约束。模拟时考虑了自重荷载和地面超载，地面 超载为 20 kPa 的均布荷载。
第7 卷
图 4 有限元模型 Fig． 4 Finite element model
每排导洞采用跳挖错距的方法开挖，即先开挖 6 m 导洞 1 后，开挖导洞 3，滞后 6 m 开挖导洞 4，再 滞后 6 m 开挖导洞 2，以上排导洞为例见图 5。
4 导洞进洞方式优化
4． 1 施工通道变形分析 提取两种进洞方式下，导洞开挖主要阶段的施
工通道变形云图，见图 6 和图 7。
图 7 导洞开挖引起分离施工通道竖向变形图 Fig． 7 Vertical deformation drawing of separated-passage
due to the excavation of headings
同时，考虑两种导洞开挖顺序： （ 1） 先开挖上
图 3 施工通道纵剖面图 Fig． 3 Longitudinal profile drawing of construction passages
3 数值模型
采用 MIDAS / GTS 有限元软件进行建模。根 据研究需要，模型尺寸选定为 160 m × 60 m × 60 m （ 横向 × 纵向 × 竖向） ，见图 4。土体采用实体单元 模拟，材料满足摩尔 － 库伦（ M － C） 准则。导洞初 支、施工通道初支、管线支护采用板单元模拟，按线 弹性材料处理。导洞上方的小导管注浆采用实体 单元模拟并通过等效材料力学参数来实现。模型 中材料的物理力学参数见表 1 和表 2。
关键词： 地铁车站； 洞桩法； 导洞开挖； 数值分析
中图分类号： U231． 4 文献标识码： A 文章编号： 1673 － 0836（ 2011） 增 2 － 1692 － 05
Analysis on Heading Excavation Optimization in Metro Station Constructed by Drift-PBA Method
表 2 结构单元物理力学参数 Table 2 Physico-mechanical parameters of structural elements
名称
弹性模量
容重
厚度（ m） （ GPa）
泊松比 （ kN / m3 ）
导洞初支
0． 3
20
0． 2
23
施工通道初支 0． 35
20
0． 2
23
管线支护 支护厚度 31
* 收稿日期： 2011-07-15（ 修改稿） 作者简介： 袁 扬（ 1985-） ，男，天津人，博士生，主要从事地下工程建造技术、城市轨道交通运营环境影响等研究。 E-mail： yuanyuanok_2004@ 163． com 基金项目： 北京市科技计划重点项目资助（ D0604003040421）
导洞（ 为首排导洞） ，待上导洞贯通后再开挖下导 洞（ 为次排导洞） ，简称上导洞方案； （ 2） 先开挖下 导洞（ 为首排导洞） ，待下导洞贯通后再开挖上导 洞（ 为次排导洞） ，简称下导洞方案。
2 项目概况
北京地铁 6 号线朝阳门车站位于交叉路口下 方，路面交通流量大，属重要的交通枢纽区； 地面建 筑物林立，路口四角均为高层建筑； 车站与既有地 铁 2 号线车站换乘； 地下管网密集，沿车站方向有 多条受影响的管线（ 见图 1） 。车站采用洞桩法施 工，导洞数量多，开挖土方量巨大，施工难度高。
第 7 卷 增刊 2 2011 年 12 月
地下空间与工程学报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol． 7 Dec． 2011
*
洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析
袁 扬1 ，刘维宁1 ，丁德云1，3 ，高辛财2 ，马 蒙1
表 1 土体和注浆体物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of soils and grouting
名称ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
厚度 （ m）
弹性 模量 （ MPa）
填土 3． 30 10
粉土 4． 95 12
中粗砂 10． 64 27
圆砾 14． 66 50
卵石
圆砾 11． 44 50
2011 年增刊 2
袁 扬，等： 洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析
1693
1引言
洞桩法具 有 结 构 受 力 条 件 好、工 序 倒 换 次 数 少、周围环境影响小、地面沉降相对小、断面利用率 高、圬工废 弃 量 小 等 优 点［1，2］，尤 其 适 合 于 近 桥 基 和近高 层 建 筑 的 大 断 面 地 铁 车 站 的 施 工［3，4］。 在 文献［3 ～ 6］中，洞桩法施工车站的数值模拟研究 主要集中在车站主体结构施工对周围环境的影响 方面，其分析结果表明： 导洞开挖和拱部施工对地 层的扰动较大； 合理选择开挖顺序、采取注浆加固 措施等可以控制地层变形及对周围环境的影响。 结合已有工程经验，扣拱施工技术［7，8］已经比较成 熟； 但是，针对导洞施工的进洞方式、开挖顺序等问 题尚未有系统深入的理论研究。
图 6 导洞开挖引起高施工通道竖向变形图 Fig． 6 Vertical deformation drawing of high-passage
due to the excavation of headings
图 5 上排导洞开挖步序图 Fig． 5 Excavation step sketch of upper headings
（ 1． 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044； 2． 北京市市政工程设计研究总院，北京 100082； 3． 北京城建设计研究总院有限责任公司，北京 100037）
摘 要： 导洞开挖方案的选择在地铁车站洞桩法的施工中越来越受到关注。依托北京地 铁 6 号线朝阳门车站工程，对洞桩法施工的导洞进洞方式、开挖顺序等方案进行优化。采用有 限元法，建立三维“地层-结构”相互作用模型，模拟了不同方案下的导洞开挖过程，获得了施 工横通道的变形与应力、地表的变形以及邻近管线的变形等数据。数值分析结果表明： 分离施 工通道方式可以有效地控制施工通道的变形和应力； 相比于先开挖下导洞，先开挖上导洞可以 更好地控制地表沉降槽的形状和管线的变形； 导洞开挖宜采用跳挖错距的方法，开挖错开距离 不应小于 10 m。
统计两种进洞方式在导洞开挖主要阶段中的 最大应力情况于表 3 中。从表中可以发现： 导洞开 挖各阶段中，高施工通道的最大拉、压应力值均大 于分离施工通道的相应值。
图 1 车站横剖面图 Fig． 1 Transverse profile drawing of station
车 站 为 三 跨 两 柱 双 层 结 构，最 大 宽 度 为 22． 35 m，高度为 16． 1 m。从先期施作的施工通道双 方向开洞进行导洞开挖（ 见图 2） ，剖面上导洞分为 上下两排共 8 个。考虑两种导洞进洞方式： （ 1） 上下 联通的高施工通道方式和（ 2） 上下分开的分离施工 通道方式； 两种通道的总高度和宽度一致，见图 3。
卵石
注浆体 /
60
泊松 容重 粘聚 内摩 比 （ kN / m3 ） 力（ kPa） 擦角（ °）
0． 32 16． 5
19
11
0． 31 19． 2
27
38
0． 28 20． 5
5
32
0． 28 21． 2
5
38
0． 28 21． 5
5
40
0． 32 21． 5
60
50
1694
地下空间与工程学报
2011 年增刊 2
袁 扬，等： 洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析
可以看出： 两种进洞方式在导洞开挖过程中的 变形规律基本一致。上排导洞贯通后，高施工通道 和分离施工通道的最大竖向变形值分别为 － 22． 8 mm 和 － 15． 3 mm； 全部导洞贯通后，其值依次为 － 37． 5 mm 和 － 29． 3 mm。导洞开挖各阶段中，高施 工通道 的 竖 向 变 形 值 均 大 于 分 离 施 工 通 道 的 相 应值。 4． 2 施工通道应力分析
图 2 导洞开挖工序平面图 Fig． 2 Layout drawing of excavation procedure of headings
Yuan Yang1 ，Liu Weining1 ，Ding Deyun1，3 ，Gao Xincai2 ，Ma Meng1
（ 1． School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China； 2． Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute，Beijing 100082，China； 3． Beijing Urban Engineering Design and Research Institute Co． Ltd． ，Beijing 100037，China） Abstract： The selection of heading excavation scheme in construction of metro station by drift-PBA method has attracted more and more attention． Relying on the Chaoyangmen Station project in Beijing Metro Line 6，the different schemes of heading opening pattern and heading excavation sequence were optimized． Some 3-D finite element numerical models on the basis of the ground-structure interaction were conducted； the heading excavation processes in different schemes were simulated． The data of the deformation and stress of construction passage，the ground settlement and the adjacent pipeline deformation were obtained． The calculation results indicated that the separated-passage pattern could effectively control the deformation and the stress of construction passage； compared to excavating the lower headings first，excavating the upper headings first could better control the shape of settlement trough and the pipeline deformation； in the heading excavation，the method by stagger the distances of spaced excavations should be used， and the staggering distance should not be smaller than 10 meters． Keywords： metro station； drift-PBA method； heading excavation； numerical simulation
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模型施加了地面支承边界，即上表面为自由地 表，四个竖直面施加法向水平约束，下表面施加竖 向约束。模拟时考虑了自重荷载和地面超载，地面 超载为 20 kPa 的均布荷载。
第7 卷
图 4 有限元模型 Fig． 4 Finite element model
每排导洞采用跳挖错距的方法开挖，即先开挖 6 m 导洞 1 后，开挖导洞 3，滞后 6 m 开挖导洞 4，再 滞后 6 m 开挖导洞 2，以上排导洞为例见图 5。
4 导洞进洞方式优化
4． 1 施工通道变形分析 提取两种进洞方式下，导洞开挖主要阶段的施
工通道变形云图，见图 6 和图 7。
图 7 导洞开挖引起分离施工通道竖向变形图 Fig． 7 Vertical deformation drawing of separated-passage
due to the excavation of headings
同时，考虑两种导洞开挖顺序： （ 1） 先开挖上
图 3 施工通道纵剖面图 Fig． 3 Longitudinal profile drawing of construction passages
3 数值模型
采用 MIDAS / GTS 有限元软件进行建模。根 据研究需要，模型尺寸选定为 160 m × 60 m × 60 m （ 横向 × 纵向 × 竖向） ，见图 4。土体采用实体单元 模拟，材料满足摩尔 － 库伦（ M － C） 准则。导洞初 支、施工通道初支、管线支护采用板单元模拟，按线 弹性材料处理。导洞上方的小导管注浆采用实体 单元模拟并通过等效材料力学参数来实现。模型 中材料的物理力学参数见表 1 和表 2。
关键词： 地铁车站； 洞桩法； 导洞开挖； 数值分析
中图分类号： U231． 4 文献标识码： A 文章编号： 1673 － 0836（ 2011） 增 2 － 1692 － 05
Analysis on Heading Excavation Optimization in Metro Station Constructed by Drift-PBA Method
表 2 结构单元物理力学参数 Table 2 Physico-mechanical parameters of structural elements
名称
弹性模量
容重
厚度（ m） （ GPa）
泊松比 （ kN / m3 ）
导洞初支
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施工通道初支 0． 35
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管线支护 支护厚度 31
* 收稿日期： 2011-07-15（ 修改稿） 作者简介： 袁 扬（ 1985-） ，男，天津人，博士生，主要从事地下工程建造技术、城市轨道交通运营环境影响等研究。 E-mail： yuanyuanok_2004@ 163． com 基金项目： 北京市科技计划重点项目资助（ D0604003040421）
导洞（ 为首排导洞） ，待上导洞贯通后再开挖下导 洞（ 为次排导洞） ，简称上导洞方案； （ 2） 先开挖下 导洞（ 为首排导洞） ，待下导洞贯通后再开挖上导 洞（ 为次排导洞） ，简称下导洞方案。
2 项目概况
北京地铁 6 号线朝阳门车站位于交叉路口下 方，路面交通流量大，属重要的交通枢纽区； 地面建 筑物林立，路口四角均为高层建筑； 车站与既有地 铁 2 号线车站换乘； 地下管网密集，沿车站方向有 多条受影响的管线（ 见图 1） 。车站采用洞桩法施 工，导洞数量多，开挖土方量巨大，施工难度高。
第 7 卷 增刊 2 2011 年 12 月
地下空间与工程学报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol． 7 Dec． 2011
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洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析
袁 扬1 ，刘维宁1 ，丁德云1，3 ，高辛财2 ，马 蒙1
表 1 土体和注浆体物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of soils and grouting
名称ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
厚度 （ m）
弹性 模量 （ MPa）
填土 3． 30 10
粉土 4． 95 12
中粗砂 10． 64 27
圆砾 14． 66 50
卵石
圆砾 11． 44 50
2011 年增刊 2
袁 扬，等： 洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析
1693
1引言
洞桩法具 有 结 构 受 力 条 件 好、工 序 倒 换 次 数 少、周围环境影响小、地面沉降相对小、断面利用率 高、圬工废 弃 量 小 等 优 点［1，2］，尤 其 适 合 于 近 桥 基 和近高 层 建 筑 的 大 断 面 地 铁 车 站 的 施 工［3，4］。 在 文献［3 ～ 6］中，洞桩法施工车站的数值模拟研究 主要集中在车站主体结构施工对周围环境的影响 方面，其分析结果表明： 导洞开挖和拱部施工对地 层的扰动较大； 合理选择开挖顺序、采取注浆加固 措施等可以控制地层变形及对周围环境的影响。 结合已有工程经验，扣拱施工技术［7，8］已经比较成 熟； 但是，针对导洞施工的进洞方式、开挖顺序等问 题尚未有系统深入的理论研究。
图 6 导洞开挖引起高施工通道竖向变形图 Fig． 6 Vertical deformation drawing of high-passage
due to the excavation of headings
图 5 上排导洞开挖步序图 Fig． 5 Excavation step sketch of upper headings
（ 1． 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044； 2． 北京市市政工程设计研究总院，北京 100082； 3． 北京城建设计研究总院有限责任公司，北京 100037）
摘 要： 导洞开挖方案的选择在地铁车站洞桩法的施工中越来越受到关注。依托北京地 铁 6 号线朝阳门车站工程，对洞桩法施工的导洞进洞方式、开挖顺序等方案进行优化。采用有 限元法，建立三维“地层-结构”相互作用模型，模拟了不同方案下的导洞开挖过程，获得了施 工横通道的变形与应力、地表的变形以及邻近管线的变形等数据。数值分析结果表明： 分离施 工通道方式可以有效地控制施工通道的变形和应力； 相比于先开挖下导洞，先开挖上导洞可以 更好地控制地表沉降槽的形状和管线的变形； 导洞开挖宜采用跳挖错距的方法，开挖错开距离 不应小于 10 m。
统计两种进洞方式在导洞开挖主要阶段中的 最大应力情况于表 3 中。从表中可以发现： 导洞开 挖各阶段中，高施工通道的最大拉、压应力值均大 于分离施工通道的相应值。
图 1 车站横剖面图 Fig． 1 Transverse profile drawing of station
车 站 为 三 跨 两 柱 双 层 结 构，最 大 宽 度 为 22． 35 m，高度为 16． 1 m。从先期施作的施工通道双 方向开洞进行导洞开挖（ 见图 2） ，剖面上导洞分为 上下两排共 8 个。考虑两种导洞进洞方式： （ 1） 上下 联通的高施工通道方式和（ 2） 上下分开的分离施工 通道方式； 两种通道的总高度和宽度一致，见图 3。
卵石
注浆体 /
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泊松 容重 粘聚 内摩 比 （ kN / m3 ） 力（ kPa） 擦角（ °）
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地下空间与工程学报
2011 年增刊 2
袁 扬，等： 洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析
可以看出： 两种进洞方式在导洞开挖过程中的 变形规律基本一致。上排导洞贯通后，高施工通道 和分离施工通道的最大竖向变形值分别为 － 22． 8 mm 和 － 15． 3 mm； 全部导洞贯通后，其值依次为 － 37． 5 mm 和 － 29． 3 mm。导洞开挖各阶段中，高施 工通道 的 竖 向 变 形 值 均 大 于 分 离 施 工 通 道 的 相 应值。 4． 2 施工通道应力分析