謝順意,施成華,彭立敏,黃生文

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410004)

隨著我國(guó)地鐵的大規(guī)模建設(shè),地鐵車(chē)站施工技術(shù)也不斷進(jìn)步,提出了許多新的施工方法[1],其中淺埋暗挖洞樁法就是很有代表性的一種,該方法是在傳統(tǒng)地下工程施工技術(shù)的基礎(chǔ)上,把地面建筑的施工理念引入到地下工程中,通過(guò)小導(dǎo)洞、鉆孔樁、扣拱等成熟技術(shù)的有機(jī)組合,從而形成一種新的工法[2-4]。

為確保地鐵運(yùn)營(yíng)期間的安全,從通風(fēng)、防火和救援等方面出發(fā),每隔一定距離設(shè)置一條風(fēng)道。地鐵車(chē)站與風(fēng)道交叉部位空間結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,開(kāi)口處應(yīng)力集中,是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),同時(shí)又是施工的咽喉[5]。因此,只有充分了解該段結(jié)構(gòu)的受力特征和空間施工力學(xué)行為,了解施工中最大地表沉降點(diǎn)的位置和地表沉降變化趨勢(shì),才能選擇合理的施工方法和有效的加強(qiáng)措施,保證施工質(zhì)量和安全,同時(shí)降低造價(jià)、提高工效。以往關(guān)于地鐵車(chē)站施工的數(shù)值模擬研究中,大多是針對(duì)車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行分析[6-9]。為確保交叉段施工的安全,采用三維有限元分析方法,對(duì)沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線沈陽(yáng)北站站車(chē)站與風(fēng)道立體交叉段工程洞樁法施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,分析交叉段的地表位移和結(jié)構(gòu)主應(yīng)力變化規(guī)律,提出相應(yīng)的施工建議,為類似工程及相應(yīng)反分析研究提供參考。

1 工程概況

沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線沈陽(yáng)北站站位于鐵路沈陽(yáng)北站站前廣場(chǎng)下方,下穿北站路。車(chē)站總長(zhǎng)155.6 m,設(shè)計(jì)采用明挖法+暗挖法施工,其中位于廣場(chǎng)部分采取明挖法施工,下穿北站路部分采用洞樁法暗挖施工,車(chē)站暗挖段長(zhǎng)37.1 m。2號(hào)風(fēng)道位于北站路南側(cè),設(shè)計(jì)采用明挖法+暗挖法施工,其中明挖段位于市政綠地內(nèi),暗挖段位于北站路下方,暗挖風(fēng)道長(zhǎng)15.5 m,與車(chē)站主體正交,采用洞樁法施工。車(chē)站與風(fēng)道平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 車(chē)站與風(fēng)道平面位置關(guān)系

車(chē)站暗挖段覆土厚6.4 m,風(fēng)道暗挖段覆土厚7.6 m,開(kāi)挖輪廓上部為雜填土層、中粗砂,開(kāi)挖斷面內(nèi)為粉質(zhì)黏土層、礫砂層,開(kāi)挖斷面下部為泥礫層。車(chē)站暗挖段主體為雙層3跨3聯(lián)拱結(jié)構(gòu),車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段寬25.3 m,有效站臺(tái)寬度13.9 m,結(jié)構(gòu)高度16.9 m。小導(dǎo)洞寬4 m,高5.4 m,其中車(chē)站與風(fēng)道交叉部分的小導(dǎo)洞截面寬4.7 m,高7.7 m。暗挖風(fēng)道結(jié)構(gòu)寬10.4 m,高15.3 m,為雙層單跨單拱結(jié)構(gòu),車(chē)站與風(fēng)道橫斷面分別如圖2、圖3所示。

圖2 車(chē)站結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：m)

圖3 風(fēng)道結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：m)

結(jié)合圖3將單跨洞樁法主要開(kāi)挖及支護(hù)工序敘述如下：①開(kāi)挖洞室兩側(cè)的作業(yè)小導(dǎo)洞；②在兩側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)施作鉆孔灌注樁；③在邊樁頂部澆筑鋼筋混凝土縱梁；④在導(dǎo)洞內(nèi)施作拱部初期支護(hù)的下部格柵鋼架,回填導(dǎo)洞外側(cè)混凝土；⑤對(duì)洞室拱部地層進(jìn)行預(yù)加固后進(jìn)行拱部開(kāi)挖和支護(hù),并與導(dǎo)洞內(nèi)已施作好的支護(hù)結(jié)構(gòu)連成一體；⑥逐步開(kāi)挖洞室主體部分,并設(shè)置臨時(shí)橫撐,最后自下而上澆筑永久襯砌結(jié)構(gòu)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件,利用風(fēng)道進(jìn)入車(chē)站主體暗挖段作業(yè),可以減少主體明挖段與暗挖段的相互干擾,縮短工期。交叉段暗挖施工步驟簡(jiǎn)述如下：

(1)先施工2號(hào)風(fēng)道暗挖段的小導(dǎo)洞；

(2)從2號(hào)風(fēng)道暗挖段的小導(dǎo)洞直接施工主體暗挖段的小導(dǎo)洞,通過(guò)爬坡和轉(zhuǎn)折實(shí)現(xiàn)風(fēng)道小導(dǎo)洞和車(chē)站主體上層4個(gè)小導(dǎo)洞的連接；

(3)施工2號(hào)風(fēng)道和主體暗挖段的小導(dǎo)洞內(nèi)圍護(hù)樁(鉆孔灌注樁)；

(4)施工樁頂冠梁和冠梁上方的部分初支；

(5)從底板位置施工車(chē)站主體暗挖段的下層2個(gè)小導(dǎo)洞,施工底縱梁；

(6)施工車(chē)站主體中柱鋼管樁和頂縱梁,鋼管柱分節(jié)安裝；

(7)開(kāi)挖車(chē)站主體中跨土,施工中跨初支與二襯；

(8)開(kāi)挖車(chē)站邊跨土,施工邊跨初支與二襯,完成了暗挖段的封閉支護(hù)；

(9)開(kāi)挖土體到中板位置,土模法施工中板,逆作法施工中板和拱腳之間的側(cè)墻；

(10)開(kāi)挖土體到底板位置,施工底板,逆作法施工底板和中板之間的側(cè)墻,交叉段結(jié)構(gòu)施工完成。

2 模型建立

2.1 基本假定

(1)地表和各土體成層均質(zhì)水平分布,采用Mohr-Coulomb模型計(jì)算；

(2)強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；

(3)沒(méi)有考慮地下水滲流在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的影響；

(5)結(jié)構(gòu)材料采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.2 計(jì)算模型

采用MIDAS/GTS有限元分析軟件,建立三維有限元模型對(duì)地鐵車(chē)站與風(fēng)道交叉段暗挖洞樁法施工進(jìn)行分析。整體分析區(qū)域x、y、z方向尺寸為70 m×50 m×70 m,計(jì)算模型如圖4所示。已知邊界條件均取為位移約束條件,模型兩側(cè)面限制x方向位移,正面與背面限制y方向位移,底部限制z方向位移,模型頂面為地表,為自由面。車(chē)站與風(fēng)道斷面形式按實(shí)際尺寸建立,有限元模型見(jiàn)圖5。

圖4 計(jì)算模型網(wǎng)格(單位：m)

圖5 車(chē)站與風(fēng)道結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 材料參數(shù)

根據(jù)各材料在施工階段的性質(zhì)及所起到的作用,有限單元的選擇如下：(1)初期支護(hù)采用殼單元模擬；(2) 地層、二襯采用實(shí)體單元模擬；(3)以取不同的材料參數(shù)模擬超前注漿和預(yù)加固措施；(4)通過(guò)指定區(qū)域材料性能的變化來(lái)模擬整個(gè)施工過(guò)程的進(jìn)行。

考慮到隧道施工的時(shí)間效應(yīng),開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程中荷載的釋放率：砂性土開(kāi)挖80%,支護(hù)20%。計(jì)算中注漿加固地層的力學(xué)參數(shù)做了適當(dāng)?shù)奶岣摺鷰r及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)表

3 結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

考慮到隧道施工的空間效應(yīng),分析地表沉降時(shí),沿與交叉處斷面垂直、平行的斷面(分別記為C1、F1斷面)選取一系列的地表特征點(diǎn),間距為5 m,平面位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 地表特征點(diǎn)平面位置關(guān)系(單位：m)

各主要施工階段C1、F1斷面中點(diǎn)的沉降值見(jiàn)表2,C1、F1斷面所有特征點(diǎn)的地表沉降曲線分別如圖7、圖8所示。

表2 地表沉降特征點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)

圖7 F1斷面各施工步地表沉降曲線

圖8 C1斷面各施工步地表沉降曲線

由以上計(jì)算結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

(1)C1、F1斷面中點(diǎn)的沉降規(guī)律基本類似,施工完成后,最大沉降值分別為36.01、21.23 mm,即車(chē)站中跨拱頂對(duì)應(yīng)地表沉降值較風(fēng)道大,說(shuō)明洞室開(kāi)挖寬度對(duì)地表沉降值有一定影響。

JDR-30DB絞車(chē)是為中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司與張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司聯(lián)合研發(fā)的ZP30DB地?zé)徙@機(jī)提供配套，該鉆機(jī)是一種新型的變頻電驅(qū)動(dòng)地?zé)徙@機(jī)，集成了一體化座椅、液氣大鉗、直驅(qū)頂驅(qū)、變速轉(zhuǎn)盤(pán)、變速絞車(chē)等系統(tǒng)和部件。JDR-30DB絞車(chē)與ZP30DB鉆機(jī)進(jìn)行了一系列嚴(yán)格的調(diào)試和試驗(yàn)，完成了卷筒高速回轉(zhuǎn)、盤(pán)剎剎車(chē)能力、液壓站壓力保持可靠性測(cè)試、過(guò)卷及防碰試驗(yàn)等，測(cè)試結(jié)果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，目前正在臺(tái)灣地?zé)峋┕ぶ惺褂茫夹g(shù)特點(diǎn)效果明顯。

(2)由于小導(dǎo)洞數(shù)量多,易產(chǎn)生群洞效應(yīng),施工相互干擾較大,拱部初支施工對(duì)土體進(jìn)行大面積開(kāi)挖,荷載釋放較大,其中小導(dǎo)洞施工階段的影響最大,其次為拱部初襯施工,這2個(gè)施工階段引起的地表沉降之和約占總沉降值的60%,施工過(guò)程中應(yīng)予以重視。

(3)拱部初襯完成后至主體結(jié)構(gòu)施作完成,地表沉降僅占總沉降量的40%左右,說(shuō)明一旦主體結(jié)構(gòu)完成封閉,地表沉降值即趨于穩(wěn)定,施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡快閉合。

(4)車(chē)站與風(fēng)道施工對(duì)土體的擾動(dòng)范圍大約在開(kāi)挖中線兩側(cè)10 m范圍內(nèi),該范圍內(nèi)地表沉降較大,且從兩側(cè)向中間地表沉降值變化速率較大,形成明顯的沉降槽,應(yīng)對(duì)該范圍內(nèi)土體進(jìn)行注漿加固。

(5)受風(fēng)道施工的影響,車(chē)站C1斷面的地表沉降曲線不對(duì)稱,靠近風(fēng)道一側(cè)地表沉降值明顯大于另一側(cè),說(shuō)明車(chē)站與風(fēng)道施工有一定的相互干擾,施工過(guò)程中應(yīng)注意間隔施工。

3.2 結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分析

各施工階段交叉處結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布見(jiàn)表3,施工完成后交叉處結(jié)構(gòu)最大、最小主應(yīng)力分布云圖分別見(jiàn)圖9、圖10,結(jié)構(gòu)主應(yīng)力曲線如圖11所示。

表3 交叉處結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖9 交叉處結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖10 交叉處結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

由以上計(jì)算結(jié)果可知：

(1)風(fēng)道與車(chē)站交叉處結(jié)構(gòu)主應(yīng)力隨施工進(jìn)行基本呈遞增趨勢(shì),拱頂拉應(yīng)力在負(fù)二層土開(kāi)挖時(shí)達(dá)到最大值,特別是拱頂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上下截面整體受拉的不利受力情形,施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)交叉處結(jié)構(gòu)及周邊圍巖做好加固措施。

(2)施工完成后結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值為0.72 MPa,出現(xiàn)在交叉處結(jié)構(gòu)中心拱頂,由交叉處沿水平和垂直方向向外的結(jié)構(gòu)主應(yīng)力都逐漸減小。曲線左側(cè)有起伏,說(shuō)明車(chē)站各跨拱頂拉應(yīng)力較大,頂縱梁附近結(jié)構(gòu)承受的拉應(yīng)力較小。

(3)交叉處結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力區(qū),曲線右側(cè)逐漸遞減,說(shuō)明離交叉處中心距離越遠(yuǎn),結(jié)構(gòu)主應(yīng)力值越小。交叉處結(jié)構(gòu)中心最大主應(yīng)力值為非交叉斷面處的2～4倍。

(4)由于交叉處結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,交叉處小導(dǎo)洞高度變化引起結(jié)構(gòu)剛度變化,拱頂和拱腳部位出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)加厚交叉處結(jié)構(gòu)混凝土的厚度并增加配筋量。

圖11 結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力曲線

4 結(jié)論

(1)風(fēng)道與車(chē)站小導(dǎo)洞施工階段對(duì)地表沉降影響最大,其次為拱部初襯施工階段,其沉降量之和占地表總沉降的60%左右,為交叉段施工的關(guān)鍵工序。

(2)受風(fēng)道施工的影響,車(chē)站斷面的地表沉降曲線不對(duì)稱,靠近風(fēng)道一側(cè)的特征點(diǎn)沉降值較大,對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響范圍主要集中在交叉處兩側(cè)10 m范圍內(nèi),需要對(duì)該范圍內(nèi)圍巖進(jìn)行注漿加固。

(3)風(fēng)道與車(chē)站交叉區(qū)域,由于小導(dǎo)洞高度變化,幾何特性引起結(jié)構(gòu)剛度變化,應(yīng)力應(yīng)變的峰值出現(xiàn)在交匯區(qū)域。離交叉處中心距離越遠(yuǎn),結(jié)構(gòu)主應(yīng)力值越小。

(4)風(fēng)道與車(chē)站交叉處結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,交叉處結(jié)構(gòu)中心最大主應(yīng)力是非交叉斷面處的2～4倍,拱頂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了上下截面整體受拉的不利受力形式,施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)拱頂和交叉處混凝土結(jié)構(gòu)適當(dāng)加厚并增加配筋量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張?jiān)?淺埋暗挖大跨地鐵車(chē)站施工技術(shù)[J].隧道建設(shè),2005,25(2)：28-30,43.

Zhang Yun. Construction Technology of Shallow Excavated and Long-span Subway Station[J]. Tunnel Construction,2005,25(2) ：28-30,43.

[2] 申家國(guó).淺埋暗挖地鐵車(chē)站洞樁支承法施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2001(2)：10-12.

Shen Jiaguo. Construction of Shallow Excavated Station by Using The Method of Piling in Pilot Tunnel[J]. Railway Construction Technology,2001(2)：10-12.

[3] 高成雷.淺埋暗挖洞樁法應(yīng)用理論研究[D].成都：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,2002.

Gao Chenglei. Research on Theory of The Cavern-pile Method for Shallow Buried Underground Excavated Tunnels[D]. Chengdou: Southwest Jiaotong University School of Civil Engineering,2002.

[4] 朱澤民.地鐵暗挖車(chē)站洞樁法(PBA)施工技術(shù)[J].隧道建設(shè),2006,26(5)：63-65,100.

Zhu Zemin. Pile-beam-arch (PBA) Construction Technology for Mined Metro Stations[J]. Tunnel Construction,2006,26(5)：63-65,100.

[5] 呂虎.隧道聯(lián)絡(luò)通道施工力學(xué)行為研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,2006.

Lv Hu. Research on Construction Mechanical Behavior of Contacting Tunnels[D]. Shanghai: Tongji University School of Civil Engineering,2006.

[6] 胡國(guó)偉.復(fù)雜條件下超大跨地鐵車(chē)站施工仿真技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007(9)：87-90.

Hu Guowei. Research on Emulation Technology for Construction of Super Long-span Metro Station Under Complex Conditions[J]. Journal of Railway Engineering Society,2007(9)：87-90.

[7] 李愛(ài)東,康直.沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線沈陽(yáng)北站“洞樁法”計(jì)算與分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(5)：85-87.

LI Aidong,Kang Zhi. Calculation and Analysis on Metro Line 2 at The North Station in Shenyang by The Cavern-pile Method[J]. Railway Standard Design,2007(5)：85-87.

[8] 高成雷,羅書(shū)學(xué),朱永全.淺埋暗挖洞樁法的三維有限元模擬[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2002(3)：44-47.

Gao Chenglei,Luo Shuxue,Zhu Yongquan. 3D Finite Element Analysis of The Cavern-pile Method for Shallow Buried Underground Excavated Tunnels[J]. Journal of Shijiazhuang Railway Institute,2002(3)：44-47.

[9] 李曉霖,地鐵車(chē)站PBA工法的數(shù)值模擬研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,5(3)：928-932.

Li Xiaolin. Numerical Simulation on PBA Job Practice of Metro Station[J]. Journal of Underground Space and Engineering,2007,5(3)：928-932.