施工通道門型轉(zhuǎn)換法進(jìn)入地鐵車站施工力學(xué)研究

汪令平，王明均，趙向忠，穆鑫浩，郭志強(qiáng)

(1. 中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036； 2. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

0 引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度日益增加，城市地鐵的發(fā)展達(dá)到新高度。然而，在交通擁堵、建筑物密集、人口集中的中心地段，為了保證路面交通的正常運(yùn)行以及減小對周邊居民日常生活的影響，地鐵施工越來越多采用暗挖法。在地鐵暗挖施工中，施工通道與車站的轉(zhuǎn)換施工工序復(fù)雜，國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了研究[1-5]。林達(dá)明等[6]對交叉隧道圍巖的收斂性和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究；羅彥斌等[7]以哈爾濱某公路隧道工程為依托，通過有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測，綜合分析了橫通道施工對主隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響；李玉峰等[8]針對不同種類的交叉隧道工程，總結(jié)其設(shè)計和施工過程中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，并對其發(fā)展方向做出總結(jié)。施工通道與車站隧道轉(zhuǎn)換段的施工使原有巖體的應(yīng)力從三向受力狀態(tài)變?yōu)閮上蚴芰顟B(tài)，最終轉(zhuǎn)變成單向受力狀態(tài)，隧道周圍巖體應(yīng)力改變較大，并且施工過程中彼此影響較大，施工工序更為復(fù)雜。因此在實(shí)際施工過程中，對如何選擇開挖方式、交叉轉(zhuǎn)換部位采取何種施工方法以及對現(xiàn)場監(jiān)控量測的加強(qiáng)等方面提出了更為嚴(yán)格的要求，同時也對加固措施提出更高的要求。筆者依托重慶軌道交通十號線紅土地車站工程，對深埋地鐵車站與施工通道交叉段的力學(xué)行為進(jìn)行分析。

1 工程概況

重慶軌道交通10號線紅土地車站位于五紅路下方，呈南北向布置，采用15 m島式站臺，單拱雙層結(jié)構(gòu)。車站起點(diǎn)里程為K12+192.711，車站終點(diǎn)里程為K12+414.711，總長度222 m。車站主體采用暗挖法施工，為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，開挖寬為26.26 m，高為21.567 m，面積為475.8 m2。車站埋深較大，頂部覆蓋層厚度約65.1～72.9 m(中風(fēng)化巖層厚度為61.2～68.8 m)，為深埋隧道。

門型轉(zhuǎn)換法的實(shí)際施工過程如圖1，其施工過程為：首先采用全斷面開挖的方法對施工通道進(jìn)行施工，當(dāng)開挖至與車站交接位置時，在該位置立三榀門型拱架；隨后在施工通道與車站接口位置挑高通道，按照車站輪廓線向外上挑至拱頂；然后向上以12%的坡度進(jìn)行轉(zhuǎn)換段開挖，開挖寬度與施工通道寬度相同，直至開挖至車站隧道另一側(cè)輪廓線位置，轉(zhuǎn)換段共分為8部分進(jìn)行開挖，開挖后進(jìn)行門型拱架及初期支護(hù)施做；最后隨工作面掘進(jìn)沿車站隧道頂部輪廓線架立環(huán)向鋼支撐，通過多次開挖將車站隧道頂部拱架封閉成環(huán)，轉(zhuǎn)換段開挖至車站邊界位置，完成轉(zhuǎn)換段施工。

圖1 門型轉(zhuǎn)換法Fig. 1 Door-type-conversion method

2 模型的建立

由于該工程的復(fù)雜性和地層結(jié)構(gòu)的不確定性，為了較為準(zhǔn)確的反映隧道圍巖的穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性，并考慮安全性要求，在滿足工程精度要求的前提下，作如下假定：①忽略地表、各巖層和土層的起伏和不均勻性，假定地表和各巖土層呈均質(zhì)水平層狀分布；②假定圍巖為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料；③只考慮巖土體的自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力。

2.1 模型及邊界條件

根據(jù)紅土地車站的勘察及施工圖設(shè)計資料，車站研究范圍內(nèi)隧道所處地層可簡化為6層，上部土層厚度約4 m，主要為素填土，下部巖層為砂巖和砂質(zhì)泥巖，圍巖等級為Ⅳ級。模型受到的約束條件為：前后、左右邊界為水平約束，下邊界為豎向約束，上部邊界為自由邊界?？紤]模型的邊界條件，模型在車站隧道建立的數(shù)值模型范圍為：左、右邊界取車站隧道外邊緣側(cè)各70 m；沿車站隧道縱向取80 m，下邊界取隧道下邊緣55 m；上邊界為地表面。建立的數(shù)值模型劃分網(wǎng)格之后，共有280 624個單元，52 365個節(jié)點(diǎn)，施工通道和車站模型以及整體模型如圖2和圖3。

圖2 施工通道與車站模型Fig. 2 Model of construction passage and station

圖3 門型轉(zhuǎn)換法數(shù)值計算模型Fig. 3 Numerical calculation model of door-type-conversion method

2.2 隧道開挖支護(hù)步驟

施工通道采用全斷面開挖，每次掘進(jìn)長度為4 m，初期支護(hù)緊隨隧道開挖后進(jìn)行施做。對于施工通道與車站隧道轉(zhuǎn)換段則按照圖1施工方法進(jìn)行開挖。轉(zhuǎn)換段施工完成后，車站隧道大、小里程方向采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法同時施工，車站隧道左右側(cè)導(dǎo)洞以及上中下臺階之間滯后距離均為10 m。初期支護(hù)緊隨隧道開挖后進(jìn)行施做。利用臺階法進(jìn)行車站隧道中間核心土的施工，臺階施工間隔距離為10 m，掘進(jìn)速度為2 m/步。數(shù)值模型共分為60個施工步來進(jìn)行模擬。

2.3 材料參數(shù)及本構(gòu)模型

數(shù)值模擬中的巖土材料采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，初期支護(hù)采用厚度為300 mm的C25混凝土，并采用工字鋼加掛網(wǎng)噴漿的方式進(jìn)行施工。襯砌結(jié)構(gòu)和錨桿均采用各向同性彈性本構(gòu)模型，分別利用板單元及植入式桁架進(jìn)行模擬。支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)根據(jù)等效剛度原理[9]，折算到支護(hù)體系當(dāng)中。圍巖及支護(hù)材料的計算參數(shù)如表1。

表1 巖土及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock soil and supporting structure

注：錨桿力學(xué)參數(shù)為：彈性模量E=2.05×109kPa。

3 數(shù)值分析結(jié)果

為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)換段在爬坡法施工過程中變形的情況，選取分析斷面如圖4，并選取該斷面車站拱頂點(diǎn)、轉(zhuǎn)換段頂點(diǎn)(車站拱肩)及轉(zhuǎn)換段底點(diǎn)(車站拱腰)3個特征控制點(diǎn)進(jìn)行研究。

3.1 圍巖位移

3.1.1 圍巖豎向位移

圍巖豎向位移云圖如圖5。由圖5可以看出，車站及施工通道拱頂、拱底的圍巖豎向位移較大，隧道拱頂?shù)呢Q向位移為負(fù)，發(fā)生沉降；隧道拱底的豎向位移為正，發(fā)生向上的隆起。

圖5 圍巖豎向位移云圖Fig. 5 Vertical displacement cloud map of surrounding rock

圖6為分析斷面拱頂和拱肩豎向位移隨施工步序的變化曲線。為驗(yàn)證數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在車站隧道ZDK12+400斷面(與分析斷面相同位置)布設(shè)拱頂監(jiān)測點(diǎn)，其位移監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間的變化曲線如圖7。通過對比圖6和圖7可以看出，現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測所得沉降變化曲線與數(shù)值計算所得到的位移曲線變化趨勢基本相同?，F(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測所得ZDK+400斷面拱頂最終沉降為6.44 mm，數(shù)值模擬的結(jié)果為8.27 mm。數(shù)值模擬結(jié)果略大于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，這是由于實(shí)際監(jiān)測過程中并未監(jiān)測到隧道開挖初期位移，導(dǎo)致監(jiān)測位移值有所缺失。監(jiān)測點(diǎn)位移與數(shù)值計算中特征點(diǎn)位移相差僅1.83 mm，差值較小，可認(rèn)為數(shù)值模擬建立的模型和選用的材料參數(shù)能反映工程的實(shí)際情況。

圖6 數(shù)值模擬分析斷面特征點(diǎn)豎向位移變化曲線Fig. 6 Vertical displacement curve of the characteristic points of theanalytical section by numerical simulation

圖7 現(xiàn)場監(jiān)測ZDK12+400斷面拱頂位移變化曲線Fig. 7 On site monitoring of vault displacement curveof section ZDK12+400 section

3.1.2 圍巖水平位移

圍巖水平位移云圖如圖8。由圖8可以看出，施工通道和車站全部開挖完成后，車站的水平位移發(fā)生向內(nèi)凈空收斂，以拱腰處收斂值最大；車站內(nèi)最大的水平正向位移為1.92 mm，最大負(fù)向位移為2.03 mm，均發(fā)生在車站拱腰位置。

圖8 圍巖水平位移云圖Fig. 8 Horizontal displacement cloud map of surrounding rock

3.2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圍巖的主應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性有重大影響，主應(yīng)力的大小與圍巖是否由彈性狀態(tài)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)密切相關(guān)。而支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也直接決定了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，若應(yīng)力過大則支護(hù)結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)開裂、變形過大等破壞形式，嚴(yán)重影響隧道的安全性和正常使用。

3.2.1 圍巖主應(yīng)力

圖9為施工通道和車站施工完成后圍巖最大、最小主應(yīng)力云圖。

圖9 圍巖最大和最小主應(yīng)力云圖Fig. 9 Maximum and minimum principal stress cloud map of surrounding rock

由圖9(a)可以看出，圍巖的最大主應(yīng)力在車站及施工通道的拱腰處相對較大，其應(yīng)力為3.4～4.7 MPa(壓應(yīng)力)，而在拱頂和拱底處相對較小，其中施工通道轉(zhuǎn)換段拱腳處應(yīng)力集中明顯，最大主應(yīng)力為7.92 MPa(壓應(yīng)力)。在實(shí)際施工過程中應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)和監(jiān)測施工通道轉(zhuǎn)換段拱腳位置，避免因擠壓破壞對隧道施工造成影響。

由圖9(b)可以看出，車站和施工通道圍巖最小主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，除仰拱部分圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力外，其他部分均為壓應(yīng)力。其中，車站和施工通道的拱腳有明顯的應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力為1.40 MPa(壓應(yīng)力)；施工通道拱底拉應(yīng)力較大，最大為0.64 MPa(拉應(yīng)力)。因此，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)施工通道拱底的保護(hù)與監(jiān)測，避免因拉裂破壞對隧道施工造成影響。

3.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力

1)最大主應(yīng)力

圖10為施工通道和車站施工完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖，圖11為其隨施工步序的變化曲線。

圖10 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖Fig. 10 Maximum principal stress cloud map of supporting structure

圖11 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力隨施工步距變化曲線Fig. 11 Variation curves of the maximum principal stress ofsupporting structure changing with construction space

由圖10可以看出，施工完成后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，在施工通道與車站轉(zhuǎn)換部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中主應(yīng)力最大壓應(yīng)力為21.4 MPa，出現(xiàn)在車站交叉段拱腰處。車站拱頂以拉應(yīng)力為主，轉(zhuǎn)換段拱頂拉應(yīng)力最大達(dá)到2.08 MPa。初期支護(hù)所采用的C25混凝土的抗壓強(qiáng)度為25.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.27 MPa，而計算所得支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力的最大壓應(yīng)力值接近素混凝土的抗壓強(qiáng)度，最大拉應(yīng)力已經(jīng)超過素混凝土的抗拉強(qiáng)度。因此在施工過程中應(yīng)更加重視施工通道和車站交接部位及車站拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，避免因應(yīng)力集中對隧道施工造成較大影響。

由圖11可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)施做完成后，在圍巖壓力的作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力值迅速增大，當(dāng)小導(dǎo)洞開挖時，拱肩最大主應(yīng)力發(fā)生突變，應(yīng)力值迅速減小，而隨著施工的進(jìn)行，其值慢慢增大，最終穩(wěn)定值為1.1 MPa(壓應(yīng)力)。拱頂最大主應(yīng)力隨著小導(dǎo)洞的開挖緩慢減小，當(dāng)左右核心土開挖時，應(yīng)力值迅速增大，最終穩(wěn)定值為1.97 MPa(拉應(yīng)力)。拱腰處支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力受到的影響較小，發(fā)展較為平穩(wěn)。

2)最小主應(yīng)力

圖12為施工通道和車站施工完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖，圖13為其隨施工步序的變化曲線。

圖12 支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig. 12 Minimum principal stress cloud map of supporting structure

圖13 支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力隨施工步距變化曲線Fig. 13 Variation curves of the minimum principal stress ofsupporting structure changing with construction space

由圖12可知，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，其中最大拉應(yīng)力為6.30 MPa，出現(xiàn)在車站拱頂位置處，而在施工通道靠近車站部分最大的拉應(yīng)力也達(dá)到5.90 MPa，均超過混凝土的抗拉強(qiáng)度?？梢姡囌竟绊敽褪┕ねǖ揽拷囌咎帪槭┕ねǖ擂D(zhuǎn)車站的施工關(guān)鍵部位，施工過程中應(yīng)予以重視?？刹捎迷龃蠊ぷ咒撔吞?、加密鋼筋網(wǎng)、增大噴射混凝土厚度以及施做超前小導(dǎo)管等方法，對轉(zhuǎn)換段初期支護(hù)進(jìn)行強(qiáng)化。最小主應(yīng)力的壓應(yīng)力一般分布在車站拱腰位置，最大為1.96 MPa，其應(yīng)力值較小，不會造成支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。

由圖13可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)施做完成后，在圍巖壓力的作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力值迅速增大，當(dāng)小導(dǎo)洞開挖時，拱頂最小主應(yīng)力發(fā)生變化，應(yīng)力值逐漸減小，而隨著施工的進(jìn)行逐漸趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定值為2.87 MPa(拉應(yīng)力)。拱腰處支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力隨著核心土的開挖由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，最終穩(wěn)定值為1.19 MPa(壓應(yīng)力)。拱肩處應(yīng)力受到的影響較小，發(fā)展較為平穩(wěn)。轉(zhuǎn)換段車站拱頂?shù)膽?yīng)力值超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土有可能發(fā)生拉裂破壞，因此應(yīng)特別注意避免該處拉應(yīng)力過大對施工造成不良影響。

3.3 圍巖塑性區(qū)

施工通道和車站全部開挖完畢后，圍巖塑性區(qū)的分布情況如圖14。塑性區(qū)分布圖中，紅色的部分代表該點(diǎn)圍巖已經(jīng)失效破壞，藍(lán)色部分代表該點(diǎn)圍巖已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)。由圖14可知，圍巖塑性區(qū)分布比較均勻，其中車站兩側(cè)拱腰和拱腳處部分圍巖已經(jīng)失效，有失穩(wěn)破壞的可能。因此在施工過程應(yīng)減小對交叉處圍巖的擾動，加強(qiáng)圍巖的保護(hù)，及時施做支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖14 圍巖塑性區(qū)分布Fig. 14 Plastic zone distribution of surrounding rock

4 結(jié) 論

1)門型轉(zhuǎn)換法施工對車站轉(zhuǎn)換段空間位移影響顯著。交叉段車站水平位移相對較小，而沉降位移變化量較大，故應(yīng)在施工過程中加強(qiáng)對車站轉(zhuǎn)換段部位的監(jiān)測。

2)圍巖的最大主應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，轉(zhuǎn)換段接口處有明顯的應(yīng)力集中，其最大主應(yīng)力為-7.92 MPa(壓應(yīng)力)；車站及施工通道的最小主應(yīng)力在拱底出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大為0.64 MPa。其主應(yīng)力值并未超過圍巖抗壓、抗拉強(qiáng)度值，說明其施工方案是可行的。

3)車站小導(dǎo)洞及核心土的施工對轉(zhuǎn)換段支護(hù)結(jié)構(gòu)影響較大，施工通道和車站拱頂最小主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，其值超過混凝土的抗拉強(qiáng)度。在現(xiàn)場施工過程中，對轉(zhuǎn)換段采取增大工字鋼型號、加密鋼筋網(wǎng)以及增大噴射混凝土厚度等方法，對轉(zhuǎn)換段初期支護(hù)進(jìn)行強(qiáng)化，且支護(hù)結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)破壞，說明其措施是可行的。

4)采用門型轉(zhuǎn)換法進(jìn)行施工通道轉(zhuǎn)車站的施工方案是可行的。同時，在計算中發(fā)現(xiàn)施工過程中施工通道和車站的拱頂處襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力和沉降位移，在類似工程的修建中，需要對該薄弱環(huán)節(jié)予以重視。