龍 杰, 張潤(rùn)東, 張 路, 張福麟, 張 創(chuàng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 610031)

隨著城市淺層地下空間的開(kāi)發(fā)日趨緊張，使越來(lái)越多的地鐵車站朝著大深度地層進(jìn)行設(shè)置。深埋地鐵車站出入口交叉段屬于交叉隧道的一種特殊結(jié)構(gòu)。因出入口交叉段結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，對(duì)其開(kāi)挖方法、圍巖加固以及監(jiān)控量測(cè)等均具有特殊要求[1-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了眾多的研究。靳曉光等[5]以分離式隧道中的橫通道為研究對(duì)象，分析了不同施工方案動(dòng)態(tài)施工過(guò)程中主隧道圍巖與初支結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。王先義等[6]通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析得出大跨度地鐵車站出入口通道施工過(guò)程對(duì)交叉口拱頂和底部位移影響較大。游步上等[7]采用FLAC3D軟件分析不同側(cè)壓力系數(shù)、不同巖石強(qiáng)度與不同覆土深度條件下聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖前后主隧道的力學(xué)行為。張志強(qiáng)等[8]針對(duì)高速公路主隧道與車行橫通道組成空間結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及三維有限元數(shù)值模擬的研究手段，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)施工力學(xué)效應(yīng)研究。

目前的研究主要集中在淺埋和小跨徑隧道的交叉段[9-12]，而對(duì)深埋大跨徑隧道出入口交叉段施工工法、施工時(shí)機(jī)以及施工過(guò)程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的研究較少。本文以重慶軌道交通10號(hào)線某深埋地鐵車站為依托，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)比2種不同施工方案下車站出入口施工過(guò)程中深埋地鐵車站出入口段圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，為類似工程施工提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

車站埋置深度約40 m，總長(zhǎng)216 m，采用導(dǎo)式站臺(tái)、單拱雙層結(jié)構(gòu)。站廳層側(cè)墻共設(shè)有4個(gè)出入口，對(duì)稱分布。出入口和車站均為復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，采用暗挖法施工。車站所處地層以砂質(zhì)泥巖為主，局部夾雜砂巖，厚度為61.7 m，圍巖為Ⅳ級(jí)，上覆第四系殘積層，主要為粉質(zhì)黏土，厚度約3.3 m，下臥地層為砂巖，圍巖為Ⅲ級(jí)。車站主體斷面大，出入口埋設(shè)深度深，交叉口段施工工序復(fù)雜。為此，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)交叉口段施工過(guò)程中圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為進(jìn)行分析。

為便于數(shù)值計(jì)算，首先采用ANSYS建立車站及其出入口段的三維計(jì)算模型，然后再導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行車站和出入口段施工過(guò)程的模擬計(jì)算。為了減小邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型寬度取為160 m(隧道左右兩側(cè)取2.6倍洞徑)，上部取至地表，距離隧道拱頂38.2 m(不考慮地表地勢(shì)起伏)，底部邊界至隧道底部取為41 m(約為2倍隧道洞高)，模型縱向計(jì)算長(zhǎng)度取為60 m。所建立的車站和出入口計(jì)算模型及其尺寸如圖1所示。模型共有126 424個(gè)單元，133 399個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型上部表面定義為自由面，其余各面施加法向位移約束。

(a)有限元模型

(b)三維有限元模型圖1 車站和出入口計(jì)算模型

1.2 材料參數(shù)

數(shù)值模型中以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則來(lái)模擬圍巖的本構(gòu)關(guān)系。采用實(shí)體單元加以模擬。隧道的初期支護(hù)只考慮噴射混凝土支護(hù)，采用各向同性的彈性本構(gòu)模型，以殼單元來(lái)模擬。隧道的二次襯砌在圍巖初期支護(hù)變形穩(wěn)定后施做，并采用各向同性的彈性本構(gòu)模型，用實(shí)體單元加以模擬。數(shù)值計(jì)算中所采用的圍巖和初期支護(hù)的物理、力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

1.3 隧道開(kāi)挖方案

地鐵車站主體采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖，其開(kāi)挖的工序如圖2所示，即先分別開(kāi)挖兩側(cè)的1、2、3部分，預(yù)留中間的核心巖體，隨后依次開(kāi)挖 4、5、6部分。每個(gè)施工步開(kāi)挖進(jìn)尺1.5 m，開(kāi)挖后隨即施做初期支護(hù)，各部分開(kāi)挖間隔四個(gè)施工步。出入口通道采用全斷面開(kāi)挖，每次開(kāi)挖步模擬的開(kāi)挖進(jìn)尺為3 m，開(kāi)挖后隨即進(jìn)行初期支護(hù)的施做。擬定的開(kāi)挖方案有兩個(gè)，方案Ⅰ：先采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖完成車站的隧道部分，然后再進(jìn)行出入口部位的開(kāi)挖。方案Ⅱ：采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖車站隧道部分至出入口部位時(shí)，隨即開(kāi)挖橫通道。

2 數(shù)值分析結(jié)果

為了研究在上述2個(gè)施工方案下車站出入段圍巖在車站施工期間發(fā)生的位移和應(yīng)力變化狀況，在該段選取了一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并在斷面內(nèi)設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)(圖3)。通過(guò)對(duì)上述2種不同施工方案數(shù)值計(jì)算中各特征點(diǎn)位移和應(yīng)力變化狀況的比較，分析不同開(kāi)挖方案對(duì)車站圍巖穩(wěn)定性和初期支護(hù)安全性的影響，進(jìn)而確定合理的開(kāi)挖方案。所得結(jié)果分析如下。

圖2 模擬計(jì)算的車站開(kāi)挖工序

圖3 監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)特征點(diǎn)示意

2.1 位移分析

2.1.1 豎向位移

計(jì)算得到的各特征點(diǎn)豎向位移的變化狀況見(jiàn)表2。從表2可以看出，出入口的開(kāi)挖對(duì)車站交叉部位圍巖產(chǎn)生了一定的影響，出入口側(cè)車站邊墻圍巖位移變化量相對(duì)出入口對(duì)側(cè)圍巖區(qū)域較大。2種方案產(chǎn)生的影響差別較小，采用方案Ⅱ開(kāi)挖時(shí)，特征點(diǎn)的位移最大正、負(fù)變化量分別為1.70 mm(位于交叉口拱底7號(hào)點(diǎn))和-1.40 mm(位于交叉口拱頂8號(hào)點(diǎn))。出入口開(kāi)挖時(shí)，該側(cè)通道圍巖應(yīng)力釋放，出入口側(cè)交叉部位圍巖豎向位移均向出入口通道徑向移動(dòng)。

表2 特征點(diǎn)豎向位移 mm

注：表中的“Ⅰ”和“Ⅱ”分別代表方案Ⅰ和方案Ⅱ，余下各表相同。

選取出入口開(kāi)挖車站交叉部位豎向位移變化較大的特征點(diǎn)7、8，分析其豎向位移在施工過(guò)程中的變化狀況，其在不同開(kāi)挖步時(shí)的位移如圖4所示。方案Ⅰ、Ⅱ分別在第57步和27步時(shí)開(kāi)始對(duì)出入口部位的巖體進(jìn)行開(kāi)挖。2種施工方案的最終豎向位移相接近，只是中間變化過(guò)程不同，這是由于車站所處圍巖巖性比較好。但從開(kāi)挖的工序而言，采取方案Ⅱ所需要的開(kāi)挖步序要少于方案Ⅰ的步序，因而可以提前完成對(duì)出口段的開(kāi)挖。

圖4 特征點(diǎn)豎向位移變化曲線

2.1.2 水平位移

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到兩種方案下各特征點(diǎn)的豎向位移如表3所示。由表3可知，出入口開(kāi)挖對(duì)車站交叉部分圍巖水平位移的影響較小，變化量相對(duì)較大的點(diǎn)位為交叉口拱頂和拱底。交叉口拱頂?shù)奈灰葡虺鋈肟谕ǖ婪较蜃兓?，拱底位移背向出入口變化。分析原因，出入口開(kāi)挖時(shí)，通道處圍巖應(yīng)力釋放，整個(gè)交叉環(huán)口變成了單軸受力狀態(tài)，交叉口拱頂區(qū)域受側(cè)向應(yīng)力降低，向出入口通道方向變形。車站拱形圍巖壓力對(duì)交叉口底部作用不明顯，圍巖壓力釋放后向車站內(nèi)徑向變形。方案Ⅱ與方案Ⅰ最大差別點(diǎn)位位于交叉口拱底(7號(hào)點(diǎn))，由于方案Ⅱ出入口開(kāi)挖時(shí)間早，對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)少、支護(hù)及時(shí)，限制了圍巖變形的發(fā)展。從控制出入口段圍巖變形的角度出發(fā)，方案Ⅱ更有利于控制圍巖的發(fā)生變形和維護(hù)圍巖的穩(wěn)定性。

表3 特征點(diǎn)水平位移 mm

2.2 圍巖應(yīng)力分析

隨著出入口的開(kāi)挖，對(duì)圍巖產(chǎn)生了再次擾動(dòng)，導(dǎo)致此部位圍巖內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生改變?，F(xiàn)將2種方案施工時(shí)車站交叉口典型位置圍巖應(yīng)力對(duì)比分析如下。

(1)最大主應(yīng)力，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到兩種方案下圍巖內(nèi)的最大主應(yīng)力如表4所示。由表4可知圍巖的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在車站側(cè)墻，其數(shù)值變化范圍為-1 880～-2 659 kPa；而在拱頂和拱底處相對(duì)較小。車站出入口的開(kāi)挖對(duì)車站交叉口側(cè)圍巖應(yīng)力影響比交叉口對(duì)側(cè)大。方案Ⅰ中，交叉口拱底最大主應(yīng)力由出入口未開(kāi)挖時(shí)的-2 304 kPa降低為-1 101 kPa，減少52.2 %；拱頂最大主應(yīng)力由出入口未開(kāi)挖時(shí)的-1 895 kPa降低為-935 kPa，減少50.7 %。方案Ⅱ中，交叉口拱底最大主應(yīng)力降低為-1 065 kPa，減少53.8 %；拱頂最大主應(yīng)力降低為-825 kPa，減少56.5 %。對(duì)比2種施工方案，方案Ⅱ中車站交叉口圍巖的最大主應(yīng)力較方案Ⅰ更小，從控制圍巖應(yīng)力及安全性的角度出發(fā)，方案Ⅱ要優(yōu)于方案Ⅰ。

表4 特征點(diǎn)最大主應(yīng)力 kPa

(2)最小主應(yīng)力，計(jì)算得到的圍巖最小主應(yīng)力如表5所示，車站圍巖在拱底出現(xiàn)拉應(yīng)力，最小主應(yīng)力值為5 kPa。出入口開(kāi)挖導(dǎo)致車站交叉口側(cè)的應(yīng)力明顯發(fā)生變化，最小主應(yīng)力由壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力狀態(tài)。在方案Ⅰ中，交叉口拱底最小主應(yīng)力增量為221 kPa，增量百分比為174.0 %；拱頂最小主應(yīng)力增量為151 kPa，增量百分比為59.2 %。方案Ⅱ中，交叉口拱底最小主應(yīng)力增量為260 kPa，增量百分比為204.7 %；拱頂最小主應(yīng)力增量為286 kPa，增量百分比為112.2 %。采取方案Ⅱ施工，交叉口段圍巖最小主應(yīng)力增幅較大。2種方案施工都應(yīng)注意出入口交叉段的保護(hù)，避免圍巖出現(xiàn)受拉破壞。

表5 特征點(diǎn)最小主應(yīng)力 kPa

選取出入口開(kāi)挖時(shí)車站交叉部位主應(yīng)力變化較大的特征點(diǎn)7、8，分析其主應(yīng)力在施工過(guò)程中的變化，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯龀鋈肟陂_(kāi)挖對(duì)車站交叉段主應(yīng)力影響顯著。2種施工方案對(duì)圍巖主應(yīng)力變化過(guò)程影響不同，變化趨勢(shì)相同。

(a)最大主應(yīng)力

(b)最小主應(yīng)力圖5 特征點(diǎn)主應(yīng)力

2.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

初期支護(hù)作為隧道施工期間維護(hù)圍巖穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)，對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。對(duì)比2種方案施工所引起的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)主應(yīng)力大小和應(yīng)力集中程度，從而可以判斷施工方案的可行性。

表6列出了車站交叉口處及未受影響斷面(距交叉口10 m斷面)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力。從表6中可以看出，方案Ⅰ和方案Ⅱ施工所引起的車站出入口段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力分別為-21.92 MPa和-23.35 MPa，采用方案Ⅱ時(shí)所引起的最大主應(yīng)力比方案Ⅰ大7 %，但2種施工方案所引起的最大主應(yīng)力均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度25.0 MPa。2種施工方案所引起的車站出入口段應(yīng)力集中系數(shù)均超過(guò)2，說(shuō)明出入口開(kāi)挖引起的交叉段支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中比較大，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)該段支護(hù)措施。最小主應(yīng)力均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，分別為4.41 MPa和3.37 MPa，方案Ⅱ所引起的最小主應(yīng)力比方案Ⅰ小24 %。最小主應(yīng)力均超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度1.27 MPa，說(shuō)明出入口交叉段支護(hù)結(jié)構(gòu)傾向于發(fā)生張拉破壞。

表6 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)主應(yīng)力 MPa

注：k=交叉口最大主應(yīng)力/未受影響斷面最大主應(yīng)力。

通過(guò)模擬計(jì)算得到采用2種施工方案時(shí)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可以看出，出入口開(kāi)挖在車站交叉?zhèn)裙澳_和拱肩附近引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力明顯集中，最小主應(yīng)力在交叉口拱底附近表現(xiàn)為拉應(yīng)力，應(yīng)力分布規(guī)律大致相同。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖

從上述對(duì)比可以看出方案Ⅱ引起的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力要小于方案Ⅰ，最大主應(yīng)力只有略微增加?？紤]到入口段易發(fā)生的是張拉破壞，從控制隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的角度出發(fā)，提前開(kāi)挖入口通道的方案Ⅱ更優(yōu)于方案Ⅰ。

3 結(jié)論

(1)出入口開(kāi)挖對(duì)車站交叉口側(cè)圍巖的豎向位移和水平位移比交叉口對(duì)側(cè)影響大。圍巖的位移變化過(guò)程受施工方案影響較大，由于圍巖巖性較好，2種方案最終位移基本相同。方案Ⅱ具有可行性。

(2)出入口開(kāi)挖對(duì)車站交叉段圍巖應(yīng)力影響較大。出入口段圍巖最大主應(yīng)力，方案Ⅰ比方案Ⅱ大，最小主應(yīng)力則相反。采用2種方案施工時(shí)要注意入口交叉段的保護(hù)，避免圍巖出現(xiàn)受拉破壞。

(3)出入口開(kāi)挖引起車站交叉段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力明顯集中。采用方案Ⅱ施工所引起的出入口段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力小于方案Ⅰ，從控制初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的角度而言，方案Ⅱ要優(yōu)于方案Ⅰ。最小主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，應(yīng)提高該段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，避免支護(hù)結(jié)構(gòu)張拉破壞。

(4)采用方案Ⅱ施工時(shí)可以保證車站與出入口交叉段圍巖的穩(wěn)定性和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，同時(shí)還可減少施工的工序，節(jié)約工期，具有一定的優(yōu)勢(shì)。