摘要：随着地铁工程的飞速发展，暗挖车站施工越来越受到广泛重视。本文介绍的扣大拱脚CRD法施工，选用三维有限差分计算软件FLAC3D进行计算分析，通过试验室模拟受力分析，动画演示及数据分析等措施方法，进行横通道8步分层开挖施工的可行性分析，确定方案的可行性及重点受力施工部位的加强支护措施。
关键词：暗挖车站；CRD法；扣大拱脚； FLAC3D计算软件；分层开挖
Abstract: with the rapid development of subway engineering, the type of the station construction has been more and more extensive attention. This paper introduces the clasp arch feet CRD construction method, choose 3 d finite difference FLAC3D calculation software is calculated and analysed through the laboratory simulation stress analysis, animation and data analysis and other measures method, the channel 8 steps excavation of layered feasibility analysis, determine the feasibility of the scheme and key mechanical construction parts of the reinforcing supporting measures.
Keywords: underground station; CRD method; Buckle arch feet; FLAC3D calculation software; Layered excavation
中图分类号：U231+.4 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
暗挖车站施工工法复杂多样，目前较常见的有CRD法、中洞法、侧洞法、洞桩法等。如何根据工程的环境特点、地质条件、工期、安全性、经济性要求确定最佳的施工方案已成了现代地铁修建的首要课题。传统方案设计仅局限于通过受力计算确定方案，缺少动态分析，易造成材料浪费、关键部位缺少补强措施等弱点。
随着计算机的广泛应用，数值模拟成为解决岩土工程问题的重要手段，本文选用三维有限差分计算软件FLAC3D进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，准确地模拟材料的塑性破坏和流动。找出了原横通道设计的薄弱环节，通过扣大拱脚法将原设计10步开挖调整为8步分层开挖。大大加快了地铁施工的进度及安全性。
2、工程概况及原设计施工方案
某暗挖车站为地下双层分离岛式车站，覆土厚度约6.8m。结构标准段总宽度为41.5m，结构埋深约为24.5m。其中竖井尺寸长×宽×高为：12.4m×6.0m×30m；通过竖井施工的横通道尺寸宽×高为：10.8×22.0m。
本区间范围内上层覆盖杂填土层6～8m，下伏全风化钙质板岩、中风化钙质板岩，横通道第一层位于软弱地层中，下层为硬岩，呈现“上软下硬”现象。地下水中等～丰富。
原设计竖井采用倒挂井壁法施工，井内设置支撑明梁，每断面采用两道横支撑+四道脚撑的内支撑形式。设计竖井施工完成后开马头门进行横通道施工，横通道原设计采用CRD法施工，分10步开挖到底。
3、数值模拟模型的建立及模拟计算结果
3.1、 FLAC3D 的简介
FLAC3D由美国Itasca公司开发的，能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际结构(实体)。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应的变形和移动(大变形模式)。FLAC3D能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。是一个求解三维岩土工程问题的最理想工具之一。FLAC3D即便模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理失稳过程(而不是数学上不收敛)不存在数值上的障碍。
FLAC3D包含了三维网格。三维网格由整体坐标系x，y，z系统所确定，不同于FLAC3D程序，它是由行列方式确定。这就比较灵活地产生和定义三维空间参数。
3.2数值模型建模
首先确定各地层的压缩系数、压缩模量、变形模量粘聚力、内摩擦角、承载力特征值、渗透系数等岩石物理力学性质。采用三维立体模型，模拟研究范围：垂直长度为131m，深度为60m，宽度为38.5m，模拟研究4地层模型，分类3个力学材料本构模型，弹性模型，莫尔库伦模型及应力软化模型。
数值模拟研究采用模拟现场实际过程，模拟自重应力、竖井开挖及横通道8步CRD法开挖，竖井开挖每次进尺为1.5m，横通道每次进尺为1.5m。
模拟稳定时间运用迭代2000次，支架支护模拟运用迭代2000次，稳定后进入下一个循环。每次循环记录迭代过程中不平衡力，岩层不同层位下沉位移等。记录迭代过程中的不平衡力及模型中关键点的竖向位移变形动画等。
3.3模拟结果分析
竖井横通道施工至8.0m，及最终开挖完成受力情况如图所示：
图一、原设计竖井横通道CRD8步开挖施工工法开挖到8m应力分布
图二、竖井、横通道施工CRD8步开挖施工工法最终状态
结论：基于数值模拟结果围岩变形规律如下：在竖井施工过程中，围岩变形主要以竖井横断面围岩收缩为主，围岩竖直方向变形较小。竖井底板在上覆荷载作用下井口范围内没有约束而出现了一定的向上鼓起的现象。仅在竖井施工过程中，已有钢格栅混凝土可以保持井壁稳定。
在横通道施工过程中，围岩变形表现为竖井与横通道开口的马头门附近位置，变形以拱顶下沉为主。在超前小导管注浆的严格的力学参数和支护强度与钢格栅混凝土支护可以保障拱顶岩层的稳定。8步CRD法施工横通道法的模拟过程中，在超前小导管注浆加固有效保障下，对其他步围岩的变形影响不大。但在模拟过程中发现当1，2步开挖初期时，对井壁围岩及横通道围岩影响较大，建议在1，2步开挖时，应将对横通道围岩的加固和补强。
4、横通道补强措施
通过模拟计算，确定了在第一层（1、2步）增加喷射混凝土系梁、锁脚锚杆的扣大拱脚方案，将原设计10步开挖调整为8步开挖。
图三、扣大拱脚CRD法施工方案
5、竖井横通道施工方案：
设计扣大拱脚CRD法施工方案，竖井开挖到横通道高度时（6.8m）即进行马头门支护施工；开挖到横通道第一层高度时（11.2m），即进行横通道第一层施工；横通道每层施工至15m后进行下一层开挖，直至竖井横通道施工结束。
6 结论
FLAC3D模拟实验制定的扣大拱脚CRD法施工方案应用于地铁车站施工中，顺利穿越城市浅埋主干道，完成了竖井（30m）及横通道（80m）施工，方案先进、可靠。
由于车站第一层全部位于杂填土、全风化地层中，第二层以下位于中风化硬岩中。FLAC3D计算软件计算的结果成功对原方案进行了优化、补强，准确指导了地铁施工。
数值模拟试验理论方法先进，具有广泛的推广价值。本文简略介绍了模拟试验的基本方法，不详尽之处，敬请广大专家读者谅解并批评指正！
参考文献：
[1]姜谙男,唐春安.含下卧软层地基极限分析数值试验及承载力安全性研究[J].岩土力学,2010,31(3):956-960.
[2] Itasca Consulting Group，Inc． FLAC3D ( Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions) User，Manuals，Version2. 1,Minneap － ois,Minnesota,2002.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。