基于正交实验的近接施工工法研究

专业知识分享版使命：加速中国职业化进程摘要:针对新建车站下穿既有车站施工特点，运用正交试验的方法，基于正交实验，并采用FLAC3D有限差分软件建立数值分析模型，开展不同导洞顺序，不同工艺参数，研究地层变形和对既有线的影响，得出采用CRD工法施工，拆撑距离为2m的最优施工方案。近接施工中，影响沉降的主要因素是施工方法和施工顺序，拆撑距离对沉降的影响相对较小。关键词:近接施工;正交实验;地铁车站;数值计算;既有结构1近接施工概述随着地下空间的广泛利用和城市地铁轨道交通的发展，必然会有越来越多的近接既有地下结构物进行近接施工的工程。隧道这样的地下工程或岩土工程对开挖比较敏感，易受扰动，当新旧结构物比较接近时，如果不采取专门措施，新建物的施工将会对既有结构产生不利影响，如结构承载能力下降甚至破坏，变形过大或不均匀沉降造成周边建(构)筑物破损或不能正常使用等。这类问题已经引起了地下工程界和岩土工程界的广泛重视。日本已将近距离条件下地下结构施工定义为“邻接施工影响问题”，给予高度重视。随着我国地铁交通事业的飞速发展，近距离施工问题也大量涌现，给设计和施工带来了极大难题［1－3］。地铁开挖的研究方法主要包括:现场实测分析［4］、物理模型实验［5］和数值模拟计算［6－9］等。本文基于正交实验，并采用FLAC3D有限差分软件建立数值分析模型，模拟下穿既有车站近接施工过程，开展不同导洞顺序，不同工艺参数，研究地层变形和对既有线的影响。正交试验设计(Orthogonalexperimentaldesign)是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。2工程概况某新建地铁站下穿既有地铁车站，两地铁线采用站厅—站台“十”字换乘方式，既有车站为岛式站，新建车站为侧式站。新建车站两端双层，中间单层，车站总长度197．3m，总宽度24．4m，站台宽度14m，中间单层为14m岛式暗挖段为本论文的研究对象，两者垂直交叠净距仅为1．90m，新建车站与既有站关系见图1、图2。为了避免既有结构的不均匀受力和不均匀沉降，双线车站隧道采取平行对称施工，因此，数值建模采取对称模型，同时根据圣维南原理，考虑到边界效应的影响，确定计算模型沿既有线方向(Y轴)的长度取60m，宽(X轴)30m，向下取至地面以下(Z轴)50m，计算模型见图3。本构采用弹塑性模型，便捷采用位移边界条件，岩土计算参数见表1。3正交实验及关键影响因素3．1关键影响因素下穿既有结构近接施工过程，施工方法、开挖顺序，以及二次衬砌时拆撑距离的长度，与地面沉降、拱顶沉降、既有结构沉降及新建车站收敛值的关系密切。本文主要从以下三个部分进行分析。(1)施工方法:新建车站下穿既有线施工，由于对既有结构的沉降控制较为严格，所以可考虑采用中隔墙法(CD法)、交叉中隔墙法(CRD法)两种工法施工。(2)开挖顺序:采用CD法、CRD法分步开挖施工时，必然会涉及到开挖顺序问题，不同的开挖顺序会导致不同的地层变位沉降，将单洞结构断面分为四部分，可形成按照图4三种顺序的开挖方式。(3)拆撑距离。由于车站施工中，施做二衬时需对初期支护的临时支撑、中隔墙及仰拱进行拆除，必然会引起既有结构的沉降，本分析根据经验，采用2、4、6m进行组合分析。考虑以上三种因素，根据正交试验的设计理论，组合九种施工方案，建立三因素正交实验，三因素正交实验表见表2。3．2评价指标确定新建车站的开挖必然会扰动周围土体，引起土体沉降，从而导致既有线结构的沉降。从维护既有线安全使用出发，必须采取措施，把施工的影响限制在既有线结构运营许可的范围内，所以既有线结构沉降可作为施工方案优劣的指标。同时，由于新线的开挖必然会引起周边土体产生地表沉降、拱顶沉降及水平收敛值，三者的数值过大必然会引起既有结构的沉降值过大，进而影响到既有线的安全运营。综上所述，地表最大位移、拱顶最大位移值、新建结构最大收敛值、既有线结构顶位移，以上四者都必须作为评价施工方案优劣的指标。4实验结果分析表3为正交实验各指标数值模拟结果统计表，从表3可以看出，地表沉降指标最小值－4．37E－03m，为1#实验结果，实验组合为CRD工法，1234分步开挖，2m拆撑距离(B1A1C1方案);新建结构顶部位移值指标最小值为－7．23E－03m，也为1#实验;新建结构最大收敛值指标最小值为6．64E－03m，为6#实验结果，实验组合为CRD工法，1324分步开挖，2m拆撑距离(A1B2C1方案);既有结构顶位移指标最小值为－4．75E－03m，同为1#实验结果。表4为正交实验极差分析结果，从表4可以看出，影响沉降的主要因素是施工方法和施工顺序，其极差值R均为1．12E－03，拆撑距离相对于其他两个因素来说对沉降的影响较小。所以，可以确定最优施工的方案为:B1A1C1，即单层段采用CRD工法施工，开挖支护顺序为1234(见图5)，二衬施工拆撑距离为2m的施工工法。图6为根据正交实验结果推荐的施工工法施工后，既有结构中轴线各测点沉降历时曲线。从图6可以看出，按优化施工方案施工后，既有车站因管棚注浆和地层注浆加固的作用都表现为隆起，隆起值为4．58mm，与B1A1C1预测值为4．75mm基本一致，保证了既有地铁结构的运营安全。5结语本文基于正交实验，通过数值计算方法对下穿既有结构的近接施工方法、开挖顺序以及二次衬砌时拆撑距离的长度，对地面沉降、拱顶沉降、既有结构沉降及收敛值的影响，进行了分析，筛选出下穿既有结构的近接施工最优方案，其主要结论如下:(1)近接施工工法的选择，工序的安排是工程安全施工的关键，正交实验是施工工法选择及优化的一种有效手段。(2)近接施工中，拆撑距离为2m与4m对沉降影响差距