北京地铁7号线双井站
1号风道临时施工竖井开挖 对周边建筑物影响分析
（基于FLAC程序的分析结果）
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目 录
1 工程概况 ..................................................................................................... 1 2 工况选择 ..................................................................................................... 3 3 计算模型和计算参数 ................................................................................. 3 4 竖井模拟结果及分析 ................................................................................. 5 5 车站模拟结果及分析 ............................................................................... 16 6 风道模拟结果及分析 ............................................... 错误！未定义书签。
1 工程概况
7号线双井站位于北京市朝阳区，紧邻北京市CBD核心区。车站位于广渠门外大街、广渠路与东三环中路交叉口东侧，与既有10号线双井站T型换乘，10号线线路为南北走向、7号线线路沿广渠路东西走向，10号线为2008年通车运营。
7号线双井站有效站台中心里程右K13+039.579，车站有效站台中心处轨面高程8.693m，轨面埋深28.307m，车站主体采用暗挖法施工，车站西端为矿山法区间，东端为盾构区间。
7号线双井站为地下两层双柱三跨岛式车站，站台宽度14m。车站主体长度237.6米，标准段宽23.1米，总高16.15米，有效站台中心处拱顶覆土厚约13.99m，结构底板埋深约31m。
7号线双井站在广渠路南北两侧以及东三环路东共设四个出入口、一个紧急疏散出口、三组风亭，两个风道，增加南北两个换乘厅。南换乘厅位于10号线既有停车场内；北换乘厅位于乐成国际下沉广场前空地内；1号出入口改造既有10号线东北出入口（保留上部）；2号出入口位于造纸厂6层、14层家属楼门前辅道内；3号出入口为改造既有10号线东南出入口，位于邮电局19层家属楼门前人行步道内；4号出入口位于北京歌舞团门前人行步道内。1号风道位于广渠路路面以下，距离10号线双井站东侧12米。2号风道也位于广渠路路面以下，紧邻化工设备厂东路。
为满足全线总体工期要求，本站设置了3个临时施工竖井和2个风道临时施工竖井。本部分仅对1号风道临时施工竖井和竖井对车站、风道既有结构的影响进行分析。竖井的结构如图1所示。
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图1 竖井结构图
1号风道临时施工竖井用来施工1号风道导洞，最后进入车站导洞施工，平面尺 寸较大，宽7.7m,长15.7m,井深34m～35.5m。竖井采用1000mm@1500mm钻孔灌注桩，桩间采用100mm厚C20钢筋混凝土挡土，沿基坑竖向布7道609mm钢管内支撑。桩顶设置钢筋混凝土冠梁，第一道支撑撑在冠梁上，其余均撑在钢围檩上，钢围檩均采用2根工45C组合型钢。基坑开挖前必须先降水，降到开挖面下1m处。
1号风道临时施工竖井邻近十号线双井站。竖井西侧为双井站车站，北侧为双井站东南风道。车站与竖井相距6m，该结构为地下三层单柱双跨框架结构，埋深21.9m,结构宽18.9m，围护采用φ1000钻孔灌注桩@1500mm,桩长28.43m。风道与竖井距离为3m,该结构为地下两层框架结构，埋深16m,结构宽10.15m，围护采用φ800钻孔灌注桩@1000mm～1200mm，桩长约18.45m。
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2 工况选择
根据1号风道临时施工竖井自身的风险及周边建筑物的关系，下面主要对1号风道临时竖井和竖井对车车站、风道既有结构的影响进行分析。为了监测既有结构的变形，在车站底部设置监测点，该监测点距地表21m，距竖井28.3m；在风道底部设置监测点，该监测点距地表16.5m，距离竖井13.5m。
3 计算模型和计算参数
为减少边界约束效应，计算范围按左右边界距竖井中心线距离3～5倍边长考虑，底部边界取到竖井深度以下12.5m。指定沿竖井开挖轴线方向为Z轴负向，竖直向上为Z轴正向，竖井掘进横断面向右方向为X 轴正向，整个计算模型在X、Y、Z三个方向尺寸为m×50m×47m，模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，地表为自由边界。围岩及初期支护均采用八节点六面体单元来模拟，模型共划分了159695个节点和1509个单元。三维计算模型如图2所示。竖井与车站和风道的位置关系如图3所示。双井站南端既有结构埋深21.9m,宽18.9m,距竖井6m。东南风道埋深16m,宽10.15m,距离竖井3m。
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图2 三维数值计算模型
图3 竖井与车站和风道的位置关系图
围岩视为摩尔-库仑理想弹塑性材料，支护结构视为弹性材料。围岩及初支的物理力学参数根据地质资料及现行《铁路隧道设计规范》确定，其物理力学指标如表1和2所示。
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表1 围岩各层物理力学性能指标
围岩分层 容重/kN·m-3 弹性模量/MPa 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层
16.9 20.1 20.3 20.6 20.8
36 86 110 125 132
泊松比 0.3 0.27 0.27 0.27 0.28
内聚力/KPa
19 9.3 11.6 9.6 10
内摩擦角
/° 28 26 27 31 33
剪胀角/°
5
5 5 5 5
层厚/m 5 10 15 10 10
表2 竖井初期支护和车站、风道物理力学性能指标
材料类型 初期支护 车站、风道支护
容重/kN·m-3
22 24
弹性模量/GPa
28 31
泊松比 0.2 0.2
内聚力/MPa
－ －
内摩擦角/°
－ －
剪胀角/° － －
4 竖井模拟结果及分析
竖井开挖、支护完成后，竖井支护结构各方向的位移如图4～图6所示。长度方向（X轴方向）井壁初支变形位移最大为0.28mm，距地表约25m；宽度方向（Y轴负方向）井壁初支变形位移最大为1.77mm，大约距地表25m处。竖向隆起（Z轴正方向）最大发生在竖井底部，值为16.4mm。
图4 竖井支护结构X方向位移
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图5 竖井支护结构Y方向位移
图6 竖井支护结构Z方向位移
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竖井开挖0.5m时，施作第1道钢支撑，钢支撑的应力图如图7、图8所示。钢支撑的最小主应力以压力为主，最大值为0.28MPa，位于横撑中部；最大主应力也以压应力为主，最大值为0.02MPa，位于靠近车站一侧的斜撑和横撑之间的钢围檩上。
图7 第1道钢支撑施作后钢支撑最小主应力（Pa）
图8 第1道钢支撑施作后钢支撑最大主应力（Pa）
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竖井开挖5.5m时，施作第2道钢支撑，钢支撑的应力图如图9、图10所示。钢支撑的最小主应力以压力为主，最大值为1.46MPa，位于第1道横撑中部，第2道钢支撑的最小主应力最大值为0.2MPa，比第1道小得多。钢支撑的最大主应力以拉应力为主，最大值为0.12MPa，位于第1道钢支撑上，且远离风道一侧的斜撑和横撑之间的钢围檩上，第2道钢支撑最大主应力的最大值为0.04MPa。第1道钢支撑的最小主应力和最大主应力均比施作时有所增大。
图9 第2道钢支撑施作后钢支撑最小主应力（Pa）
图10 第2道钢支撑施作后钢支撑最大主应力（Pa）
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竖井开挖10.0m时，施作第3道钢支撑，钢支撑的应力图如图11、图12所示。竖井施作第3道钢支撑后，钢支撑的最小主应力以压力为主，最大值为1.83MPa，位于第2道横撑中部；最大主应力以拉应力为主，最大值为0.18MPa，位于第1道钢支撑上，远离风道一侧的斜撑和横撑之间的钢围檩上。
图11 第3道钢支撑施作后钢支撑最小主应力（Pa）
图12 第3道钢支撑施作后钢支撑最大主应力（Pa）
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竖井开挖14.0m时，施作第4道钢支撑，钢支撑的应力图如图13、图14所示。竖井施作第4道钢支撑后，钢支撑的最小主应力以压力为主，最大值为2.55MPa，位于第3道横撑中部；最大主应力以拉应力为主，最大值为0.22MPa，位于第1道钢支撑上，且远离风道一侧的斜撑和横撑之间的钢围檩上。
图13 第4道钢支撑施作后钢支撑最小主应力（Pa）
图14 第4道钢支撑施作后钢支撑最大主应力（Pa）
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竖井开挖19.0m时，施作第5道钢支撑，钢支撑的应力图如图15、图16所示。竖井施作第5道钢支撑后，钢支撑的最小主应力以压力为主，最大值为4.19MPa，位于第4道横撑中部；最大主应力以拉应力为主，最大值为0.29MPa，位于第4道钢支撑上，且靠近风道一侧的斜撑和横撑之间的钢围檩上。
图15 第5道钢支撑施作后钢支撑最小主应力（Pa）
图16 第5道钢支撑施作后钢支撑最大主应力（Pa）
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竖井开挖24.0m时，施作第6道钢支撑，钢支撑的应力图如图17、图18所示。竖井施作第6道钢支撑后，钢支撑的最小主应力以压力为主，最大值为5.61MPa，位于第4、5道横撑中部；最大主应力以拉应力为主，最大值为0.40MPa，位于第5道钢支撑上。
图17 第6道钢支撑施作后钢支撑最小主应力（Pa）
图18 第6道钢支撑施作后钢支撑最大主应力（Pa）
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竖井开挖29.0m时，施作第7道钢支撑，钢支撑的应力图如图19、图20所示。竖井施作第7道钢支撑后，钢支撑的最小主应力以压力为主，最大值为6.71MPa，位于第5、6道横撑中部；最大主应力以拉应力为主，最大值为0.55MPa，位于第5、6道钢支撑上，且靠近风道一侧的斜撑和横撑之间的钢围檩上。
图19 第7道钢支撑施作后钢支撑最小主应力（Pa）
图20 第7道钢支撑施作后钢支撑最大主应力（Pa）
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竖井开挖、支护完成后，钢支撑的应力图如图21、图22所示。钢支撑的最小主应力以压力为主，最大值为8.10MPa，位于第6、7道横撑中部；最大主应力以拉应力为主，最大值为0.55MPa，位于第6、7道钢支撑斜撑和横撑之间的钢围檩上。随着施工深度的增大，钢支撑的最小主应力和最大主应力都有所增大。
图21 竖井支护完成后钢支撑最小主应力（Pa）
图22 竖井支护完成后钢支撑最大主应力（Pa）
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竖井开挖、支护完成后，竖井支护结构的应力图如图23、图24所示。初支最小主应力以压应力为主，最大值为8.11MPa，发生在竖井第七道横支撑中部，距地表大约29m，最大主应力以压应力为主，最大值为0.55MPa，也发生在第七道钢围檩上，距地表大约29m。随着深度的增加，最小主应力和最大主应力均有所增大。
图23 竖井支护结构最小主应力（Pa）
图24 竖井支护结构最大主应力（Pa）
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5车站数值模拟结果及分析
竖井开挖、支护完成后，车站各方向的位移如图25～图27所示、应力如图28和图29所示。
图25 车站X方向位移
图26 车站Y方向位移
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图27 车站Z方向位移
图28 车站最小主应力（Pa）
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图29 车站既有结构最大主应力（Pa）
长度方向（X轴负方向）车站位移最大值为0.05mm,发生在车站顶部距风道最远的位置，距离地表大约为4m；宽度方向（Y方向）变形最大为0.02mm，发生在车站底部,距离地表大约为22m。竖向隆起（Z方向）最大值为0.9mm，发生在靠近竖井一侧，距离地表大约4m。车站监测点的竖向隆起（Z方向）为0.88 mm。支护最小主应力以压应力为主，最大值为14.2MPa，发生在车站和风道相交的地方，距离地表大约5m，最大主应力以拉应力为主，最大值为0.55MPa，也发生在车站和风道相交的地方，距离地表大约为15m。
6 竖井对东南风道的模拟及分析
竖井开挖、支护完成后，风道各方向的位移如图30～图32所示、应力如图33和图34所示。
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图30 风道X方向位移
图31 风道Y方向位移
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图32 风道Z方向位移
图33 风道最小主应力（Pa）
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图34 风道最大主应力（Pa）
长度方向（X轴方向）风道支护结构变形位移最大为0.08mm，距地表大约为4m；宽度方向（Y轴负方向）风道支护结构向风道外变形最大为0.12mm，距离地表大约为13m。竖向隆起（Z方向）最大值为0.96mm，发生在靠近竖井和车站的部位，且随深度无变化。风道监测点的竖向隆起（Z方向）为0.mm。支护最小主应力以压应力为主，最大值为12.2MPa,发生在风道和竖井相交的部位，距离地表约4m，最大主应力以拉应力为主，最大值为3.4MPa，也在风道和车站相交的地方，距离地表大约15m。
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