田利鋒

(中鐵一局集團第三工程有限公司， 陜西寶雞　721006)

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復(fù)雜環(huán)境下地鐵暗挖車站雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支撐體系優(yōu)化

田利鋒

(中鐵一局集團第三工程有限公司， 陜西寶雞721006)

摘要：重慶軌道交通10號線工程渝北廣場站為大斷面暗挖隧道，車站位于重慶市區(qū)繁華地段，為保證車站隧道的安全施工以及鄰近既有建筑結(jié)構(gòu)的安全，對暗挖隧道開挖施工方案進行優(yōu)化設(shè)計。采用Midas GTS有限元數(shù)值軟件，對弧形壁(原雙側(cè)壁)和直壁法(雙側(cè)壁)開挖方案進行全過程動態(tài)模擬，結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，綜合對比分析隧道變形和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力。結(jié)果表明，本工程地質(zhì)條件下，采用直壁法施工方案切實可行，研究成果可為類似地質(zhì)條件中大斷面隧道施工方案的優(yōu)化設(shè)計和最終決策提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；超大斷面隧道；軟弱圍巖；雙側(cè)壁法優(yōu)化；開挖方案；有限元軟件

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，軌道交通等城市地下空間的開發(fā)利用勢在必行。城市地下軌道交通隧道多為大斷面淺埋軟弱圍巖隧道，工程地質(zhì)條件和施工環(huán)境較為復(fù)雜。為了方便國民出行，城市軌道交通隧道多位于城市市區(qū)繁華區(qū)域，特別是軌道交通車站，周邊既有高大建筑和地表行車均較為密集，車站隧道施工難度大[1-3]。因此，復(fù)雜環(huán)境下車站隧道的安全施工，已成為城市軌道交通建設(shè)中的控制性工程[4]。隧道開挖方案的合理選擇，亦成為相關(guān)學者研究的熱點[5-8]。目前，已有研究對于大斷面淺埋暗挖車站采用雙側(cè)壁法將弧形壁改為直壁的理論研究較少[9-13]。

本文采用Midas GTS有限元軟件，建立重慶軌道交通10號線工程渝北廣場站超大斷面隧道的有限元模型，通過隧道變形和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的綜合對比分析，對隧道施工開挖方案(弧形壁和直壁法)進行比選，提出較為合理的施工方案，為軟巖大斷面淺埋暗挖車站隧道的安全、快速施工提供技術(shù)支撐。

1工程背景

重慶軌道交通10號線(建新東路—王家莊段)工程渝北廣場站位于渝北區(qū)兩路汽車站下方，車站周邊建筑物密集，北側(cè)為渝北區(qū)中醫(yī)院、渝北區(qū)環(huán)保局及渝航路，車站西側(cè)為老舊居民樓、車站南側(cè)為渝北區(qū)農(nóng)貿(mào)市場及重慶百貨渝北商場，車站東側(cè)為渝北區(qū)政府及渝北廣場。

渝北廣場站為地下暗挖二層島式車站，車站全長203.64 m，主體結(jié)構(gòu)標準段寬22.60 m，高18.73 m。開挖跨度25.4 m，屬于暗挖大斷面隧道。車站為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，車站埋深39～50 m。隧道圍巖巖性為中風化砂質(zhì)泥巖夾薄層砂巖，屬深埋隧道，圍巖級別劃定為Ⅳ級，洞頂中等風化基巖厚33.71～51.74 m。

車站施工建議兩種開挖方案：(1)弧形壁(原雙側(cè)壁)開挖；(2)直壁法(雙側(cè)壁)開挖。采用Midas GTS軟件，對該兩種開挖方案進行分析計算，為方案的優(yōu)化設(shè)計和最終決策提供理論參考依據(jù)。

2有限元模型

2.1施工方案

弧形壁(原雙側(cè)壁)開挖和直壁法(雙側(cè)壁)開挖示意如圖1所示。相應(yīng)的施工開挖步驟如表1所示。

圖1　施工方案示意(單位：mm)

①②③④⑤⑥⑦⑧⑨開挖左側(cè)壁上部/支護開挖右側(cè)壁上部/支護開挖左側(cè)壁中部/支護開挖右側(cè)壁中部/支護開挖左側(cè)壁下部/支護開挖右側(cè)壁下部/支護開挖中間上部/支護開挖中間中部/支護開挖中間下部/支護拆除臨時支撐

2.2有限元模型

車站隧道為深埋隧道，計算分析時著重考慮自重作用下的初始應(yīng)力場，選取最大埋深進行分析計算。隧道開挖后的應(yīng)力和應(yīng)變，僅在隧道周圍距離洞室中心點3～5倍隧道開挖寬度的范圍內(nèi)存在影響[14]。因此模型寬度取223 m，模型高度選擇時考慮最大埋深52 m，模型總高為156 m。

圖2　有限元模型中初期支護

采用Midas GTS[15]建立的2D有限元模型如圖2所示。有限元模型底部邊界約束橫向、豎向兩個方向，其他兩邊界約束橫向。圍巖土體采用平面應(yīng)變單元，支護和臨時支撐采用梁單元處理方法，梁截面為型鋼，為準確分析臨時支撐軸力的變化同時考慮到現(xiàn)場噴射混凝土施工質(zhì)量，忽略噴射混凝土的作用。

2.3模型參數(shù)

有限元模型中材料參數(shù)如表2～表4所示。

表2　巖土材料特性值

表3　截面特性

表4　錨桿和噴射混凝土材料參數(shù)

2.4荷載釋放系數(shù)

為了不讓由于開挖而發(fā)生的不平衡內(nèi)力一次性加載在施工階段上，所以使用LDF，即荷載釋放系數(shù)。開挖階段荷載釋放系數(shù)為0.5 ，噴錨支護為0.25 ，噴射混凝土硬化階段為0.25。

3計算結(jié)果分析

弧壁法和直壁法兩種方案開挖完成后的數(shù)值計算結(jié)果見圖3～圖8和表5。

圖3　沉降變形

圖4　隧道支護結(jié)構(gòu)軸力

圖5　隧道支護結(jié)構(gòu)彎矩

圖6　隧道臨時支撐軸力

圖7　隧道臨時支撐剪力

圖8　錨桿軸力

對比分析圖3～圖8和表5中雙側(cè)壁弧壁法和直壁法2種開挖方案所得計算結(jié)果，可得以下結(jié)論。

表5　隧道施工直壁法、弧壁法計算結(jié)果對比分析

(1)2種方案圍巖的拱頂、水平位移和錨桿軸力差別不大。

(2)與弧壁法方案相比，直壁法方案的初期支護軸力和彎矩均有所減小。直壁法方案的臨時支撐軸力略有增大，臨時支撐的軸力由1 732.5 kN(弧壁)增大至1 967.9 kN(直壁)，臨時支撐的最不利位置均在豎向支撐上部。

(3)臨時支撐的最大軸力為1 967.9 kN(直壁)，臨時支撐采用I22b型鋼+C25混凝土250 mm。施工過程中應(yīng)重點管控臨時支撐上部噴射混凝土的工程質(zhì)量，確?；炷潦芰煽恳约昂托弯摰墓餐芰π阅埽⒋_保型鋼交叉點連接牢固可靠，尤其在拱腳位置。

(4)直壁法臨時支撐軸力相比弧壁法增長幅度不大，綜合施工工效、開挖進度，采用直壁法方案可行。

4現(xiàn)場監(jiān)測

為了進一步的驗證所提直壁法施工方案的合理性，保障隧道施工過程安全，組織相關(guān)人員對車站沉降、隧道拱頂沉降和凈空收斂進行現(xiàn)場監(jiān)控量測。圖9為隧道拱頂沉降和凈空收斂測點布置示意。

截止2015年08月25日，重慶軌道交通10號線一期工程土建10107標渝北廣場站通道均已施工完成，正在進行車站主體施工，右線大里程方向在挖中導(dǎo)坑，左線小里程在挖中導(dǎo)坑。小里程端頭正在進行中隔墻拆除工作。

圖9　測點布置示意

由表6監(jiān)測結(jié)果可得：(1)車站沉降、隧道拱頂沉降和凈空收斂均在安全范圍內(nèi)，且最大拱頂沉降僅為4 mm，凈空收斂為4.3 mm，進一步的說明直壁法施工方案是切實可行的。(2)由于忽略噴射混凝土的作用，同時理論分析采用最大埋深以及最差地質(zhì)，因此理論計算分析結(jié)果偏大，進一步說明理論數(shù)值分析可以安全有效地指導(dǎo)施工。

表6　監(jiān)測結(jié)果

5結(jié)論

以重慶軌道交通10號線工程渝北廣場站大斷面隧道為研究背景，采用MIDAS GTS軟件，對弧壁(原雙側(cè)壁)法和直壁法(雙側(cè)壁)開挖方案進行對比分析，結(jié)論如下。

(1)通過隧道變形和支護結(jié)構(gòu)受力的綜合對比分析，直壁法施工方案可行?，F(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，車站沉降、隧道拱頂沉降和凈空收斂值均在安全范圍。

(2)弧壁法適合自穩(wěn)性較差、圍巖較差的地層，側(cè)壁導(dǎo)坑開挖時較安全，本工程由于圍巖較好，結(jié)合加固地層、數(shù)值分析、監(jiān)控量測等信息化施工，使得本工程大斷面隧道采用直壁法成為可能。

(3)由于車站地鐵隧道工程的唯一性和不可重復(fù)性，以及復(fù)雜的施工環(huán)境，使得隧道施工方案的合理選擇顯得尤為重要。因此，借助數(shù)值分析、監(jiān)控量測等綜合手段實現(xiàn)隧道施工方案的優(yōu)選，已成為保障隧道工程施工安全最為可靠、經(jīng)濟的重要手段之一。研究結(jié)果可為類似地質(zhì)中大斷面隧道施工方案的優(yōu)化設(shè)計和最終決策提供參考。

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收稿日期：2015-11-23； 修回日期：2015-12-03

作者簡介：田利鋒(1975—)，男，高級工程師，2008年畢業(yè)于石家莊鐵道學院工程管理專業(yè)，工學學士，E-mail:tianlifeng721006@163.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0130-04

中圖分類號：U231+.4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.030

Support System Optimization of Double-side Wall Excavation Method for Subway Station Tunnel under Complicated Condition

TIAN Li-feng

(The Third Construction Co.， Ltd. of China Railway First Group Co.， Ltd.， Baoji 721006， China)

Abstract：Yubei Square Station on Chongqing rail transit line 10 is an island-platform subway station excavated with underground tunneling method. The station is located in a busy plot of Chongqing with existing buildings around. In order to guarantee the safety of the tunnel and the buildings during construction， the excavation scheme needs to be optimized. In this paper， finite element software Midas GTS is adopted to simulate dynamically the entire processes of the two excavation methods: arch wall (original double-side wall) method and straight wall (double-side wall) method. With reference to the field monitoring data， the comparative analysis of the tunnel deformation and structural internal force shows that the straight wall (double-side wall) method is applicable. The research results may provide references to optimizing the design of similar projects with medium and large cross-section tunneling.

Key words：Subway station; Super large cross-section tunnel; Soft rock; Optimization of double-side wall method; Excavation scheme; Finite element software