地铁作为缓解城市地面交通的有效途径，近年来得到了迅速的发展. 由于城市地面建筑密集、地下管网密布，新建地铁近接既有构筑物施工的情况日益增多，其中地铁车站下穿地面建筑物作为一种特殊工况，具有一定的代表性.

地铁车站断面大、结构型式复杂，目前常用的暗挖施工方法主要有柱洞法、侧洞法、中洞法等^[1]. 地铁车站下穿建筑物施工对地表变形的限制要求很高，如施工方法选择不当，可能会造成地表沉陷、建筑物墙体开裂等问题. 选取合理的施工方法对控制沉降、保障施工安全具有重要的实际意义.

国内外学者对地铁近接施工问题已开展了大量的研究工作，为城市地铁建设积累了丰富的有益经验，但研究主要集中在地铁区间隧道穿越建筑物施工时建筑物沉降分析与安全控制^[2-7]、地铁车站穿越区间隧道的施工方法与施工控制技术^[8-11]等方面，对地铁车站下穿建筑物的研究较少. 本文以某地铁车站为工程背景，采用模型试验及数值模拟方法，研究地铁车站采用柱洞法、侧洞法、中洞法3种施工方法穿越地面3层框架结构建筑，对比分析不同施工方法对围岩及建筑物位移、结构内力、围岩塑性区等的影响.

以某地铁车站为工程背景，地层为粉质黏土、黏土、粉土、粉细砂，属Ⅵ级围岩. 车站埋深13 m，宽23.86 m，高10.64 m，车站横断面如图1所示. 车站从一栋地面3层框架结构建筑物正下方穿过，建筑物为地上3层钢筋混凝土框架结构，高13 m，横断面宽31.2 m. 建筑物柱距7.8 m，第1层高4.5 m，第2、3层高4.2 m，基础埋深为2.0 m. 车站采用复合式衬砌，初期支护喷射C20早强混凝土，厚35 cm，二衬采用C30混凝土.

图 1

图 1 车站横断面图 Fig. 1 Cross section of the subway station

试验在专门制作的模型试验箱内开展. 模型箱的尺寸为4.2 m×2.5 m×0.6 m. 为了方便观察，在模型箱的前、后面板采用厚度为19 mm的钢化玻璃，玻璃的尺寸为2.0 m×1.5 m. 玻璃中、下部预留开挖孔，开挖孔的尺寸分别根据设计的隧道截面确定. 试验箱如图2所示.

图 2

图 2 模型试验箱 Fig. 2 Model test equipment

试验采用的几何相似比为20，容重相似比为1. 根据相似理论可知，泊松比、应变、摩擦角相似比为1，强度、应力、黏聚力、弹性模量相似比为20，线荷载相似比为400，质量相似比为8 000.

试验时，将模拟范围内地层简化为均一介质，地层力学参数依据勘察报告按高度加权平均选取，超前管棚及超前小导管注浆采用提高加固圈围岩物理力学参数的方法模拟. 最终确定的模型材料配比及物理力学参数如表1、2所示，其中初期支护/临时支护模型材料力学指标取30 min时的实验值，二次衬砌、钢管混凝土立柱及建筑物模型材料力学指标以终凝时的实验值为准. 表2中，γ为容重，E_s为压缩模量，E为弹性模量，μ为泊松比，c为黏聚力，φ为内摩擦角.

表 1

表 1 地层及结构模型材料配比（质量比） Table 1 Mixture ratio of model materials 地层及结构 河砂 重晶石粉 洗洁精 石膏 铁精粉 水 地层 450 80 30 − − − 围岩加固圈 − 200 15 6 − − 初期/临时支护 − − − 10 − 6 二次衬砌 − − − 10 − 9 钢管混凝土立柱 − − − 10 − 8 建筑物 − − − 22 240 51

表 1 地层及结构模型材料配比（质量比） Table 1 Mixture ratio of model materials

表 2

表 2 地层及结构模型材料物理力学参数 Table 2 Physico-mechanical parameters of model materials 地层及结构 γ/（kN·m−3） ES/MPa E/MPa μ c/kPa φ/（°） 地层 18.3 2.5 − 0.34 2.3 30 围岩加固圈 20.2 6.0 − 0.3 32 35 初期/临时支护 7.2 − 1 270 0.2 − − 二次衬砌 8.9 − 1 460 0.2 − − 钢管混凝土立柱 9.2 − 1 680 0.2 − − 建筑物 24.7 − 1 420 0.2 − −

表 2 地层及结构模型材料物理力学参数 Table 2 Physico-mechanical parameters of model materials

试验分3组进行，分别模拟柱洞法、侧洞法和中洞法3种施工方法，3种施工方法的施工步序如图3所示. 按照模型材料配比配制材料，分层填入模型箱，模型制作中严格控制模型材料的密度. 在模型土层制作完成后，吊装建筑物模型安放在模型地表预先设定的位置. 根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）^[12]可知，建筑物顶层活荷载为0.5 kPa，其他层活荷载为3.5 kPa，每层楼面上所加重力荷载为2.5 kPa. 模型制作完成静置一段时间后开始试验.

图 3

图 3 施工步序 Fig. 3 Construction steps

地表及建筑物位移测点布置如图4所示，位移采用量程为±25 mm的数显位移传感器量测. 试验时，先用洛阳铲开挖洞室，在洞室周边未开挖土体上涂抹石膏模拟施作初期支护，最后拆除临时支撑安装预制的二次衬砌. 柱洞法、侧洞法和中洞法3种施工方法的试验过程如图5所示.

图 4

图 4 测点布置示意图 Fig. 4 Sketch of measuring points

图 5

图 5 3种工法试验过程 Fig. 5 Test process of three construction methods

数值模拟计算按模型试验的条件开展，模型位移边界条件为左、右边界水平位移固定，下边界垂直位移固定，上边界为自由表面. 由于建筑物早已建成，建筑物及土体在重力作用下变形已经完成，假定新的变形完全是由于地铁隧道施工中土体的扰动引起的. 计算中，土体按照理想弹塑性体考虑，采用线性Mohr-Coulomb屈服准则. 初期支护、临时支护均采用梁单元模拟，二次衬砌、建筑物采用实体单元模拟. 柱洞法、侧洞法、中洞法施工计算模型如图6所示，数值模拟按模型试验施工步序进行. 地表沉降S的计算结果与试验结果的对比如图7所示. 图中，k为工况步. 中洞法计算结果与试验结果吻合较好，柱洞法、侧洞法施工后期试验结果增长较快，这应与试验后期临时支护拆除后二衬未能及时拼装就位有关.

图 6

图 6 地铁车站施工数值计算模型 Fig. 6 Numerical simulation models of subway station construction

图 7

图 7 地表沉降试验与计算结果对比 Fig. 7 Comparison of test and calculated results of ground surface settlement

施工结束时，地表沉降试验结果和地表水平位移计算结果如图8、9所示. 图中，d为距模型左边界的距离. 3种工法条件下地表沉降槽宽度相差不大，开挖影响范围为中线两侧约1.58 m. 柱洞法施工时，地表沉降量最小，中洞法施工时地表沉降量最大. 3种工法条件下地表水平位移在建筑物外侧立柱附近明显减小；柱洞法施工时，地表水平位移最小，侧洞法施工时次之，中洞法施工时最大.

图 8

图 8 地表沉降试验结果 Fig. 8 Test results of surface settlement

图 9

图 9 地表水平位移计算结果 Fig. 9 Calculation results of surface horizontal displacement

施工结束时，数值模拟垂直位移云图如图10所示. 从图10可得如下结论.

图 10

图 10 垂直位移云图 Fig. 10 Vertical displacement nephogram

1）3种工法条件下围岩的最大下沉及最大隆起均位于车站顶部和底部. 中洞法施工时拱顶沉降最大，侧洞法施工时拱顶沉降次之，柱洞法施工拱顶沉降最小.

2）侧洞法施工车站底部隆起量最大，中洞法施工时车站底部隆起量次之，柱洞法施工时车站底部隆起量最小. 侧洞法施工时隆起量较大的范围集中在中洞下方；中洞法隆起量较大的范围涵盖整个车站底部，且范围较大；柱洞法施工时隆起量较大的范围主要集中在中洞下方，侧洞下方部分隆起量较大.

施工结束时，建筑物顶部沉降试验结果、柱间沉降差计算结果如图11、12所示. 图中，b为距建筑物左边界的距离. 可以看出，建筑物顶部沉降、建筑物柱间沉降差在柱洞法施工时最小，侧洞法施工时次之，中洞法施工时最大.

图 11

图 11 建筑物顶部沉降试验结果 Fig. 11 Test results of building settlement

图 12

图 12 柱间沉降差计算结果 Fig. 12 Calculation results of settlement difference between columns

施工结束时初支内力分布图的计算结果对比如图13、14所示. 图中，M为初支弯矩，F为初支轴力. 从图13、14可得如下结论.

图 13

图 13 3种施工方法条件下的初支弯矩对比 Fig. 13 Bending moment comparison of primary liming under three construction methods

图 14

图 14 3种施工方法条件下的初支轴力对比 Fig. 14 Axial force comparison of primary lining under three construction methods

1）在3种工法条件下，初支弯矩最大值均出现在左、右侧下边角. 中洞法施工时初支弯矩最大值最大，柱洞法施工时初支弯矩最大值次之，侧洞法施工时初支弯矩最大值最小.

2）柱洞法、中洞法施工时初支轴力最大值均出现在最后施工的侧洞下部，侧洞法施工时初支轴力最大值出现在最早期施工的侧洞上部.

3）侧洞法施工时初支轴力最大值最大，柱洞法施工时初支轴力最大值次之，中洞法施工时初支轴力最大值最小.

施工结束时，建筑物立柱垂直应力、横梁水平应力计算结果对比如图15所示. 图中，σ为应力变化值，H为距地表的高度. 从图15可得如下结论.

图 15

图 15 建筑物立柱横梁应力变化对比 Fig. 15 Comparison of stress changes for building beam and column

1）在3种工法条件下，建筑物立柱垂直应力、横梁水平应力的变化规律一致. 建筑物立柱越往地面，垂直应力越大；横梁水平应力以横梁中点为对称轴呈对称状态分布，建筑物外侧的第1跨、第4跨横梁水平应力比中间的第2跨、第3跨水平应力大；在立柱与横梁的交叉部分，由于集中荷载的作用，立柱垂直应力及横梁水平应力出现明显的突变.

2）柱洞法施工时立柱垂直应力、横梁水平应力变化幅度最小，侧洞法施工时立柱垂直应力、横梁水平应力变化幅度次之，中洞法施工时立柱垂直应力、横梁水平应力变化幅度最大.

施工结束时，围岩塑性区对比如图16所示. 可以看出，柱洞法施工时塑性区范围最小，侧洞法次之，中洞法最大.

图 16

图 16 施工结束后围岩塑性区情况 Fig. 16 Plastic zone of surrounding rock after construction

（1）围岩内部沉降、地表沉降、地表水平位移、建筑物顶部沉降、建筑物柱间沉降差在柱洞法施工时最小，侧洞法施工时次之，中洞法施工时最大.

（2）柱洞法施工时立柱垂直应力、横梁水平应力变化幅度最小，侧洞法施工时立柱垂直应力、横梁水平应力变化幅度次之，中洞法施工时立柱垂直应力、横梁水平应力变化幅度最大.

（3）柱洞法施工时塑性区范围最小，侧洞法施工时塑性区范围次之，中洞法施工时塑性区范围最大.