姚杰 崔文輝 于金龍

中鐵六局集團有限公司 北京 100036

前言

近年來，我國隧道、地鐵迅速發(fā)展，城市地鐵建設中常出現(xiàn)隧道下穿既有地鐵車站、地下商場等復雜問題。在受地形空間等限制下，常出現(xiàn)兩個相鄰隧道最小凈距超出規(guī)范要求的現(xiàn)象。因此，城市地鐵常采用大斷面小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式。小凈距隧道相比普通隧道，施工難度大、工期長，施工過程中左右洞和中間巖柱的相互影響，圍巖穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)受力十分復雜，存在許多關鍵問題需要解決[1]。當小凈距隧道下穿已有地下工程，圍巖受力變形則更復雜多變[2]。側(cè)壁導洞施工方法在對地面沉降要求嚴格時較為常用。本文采用有限差分計算方法，分析研究側(cè)壁導洞施工方法在小凈距隧道下穿既有車站中的應用，揭示位移、內(nèi)力規(guī)律。

1 工程概況

本文依托重慶市軌道十號線下穿軌道六號線紅土地車站工程。軌道六號線紅土地站為已建工程，呈東西向布置，正常運營。新建重慶軌道交通十號線紅土地站呈南北向布置，主體采用暗挖法施工，為復合式襯砌結(jié)構(gòu)。兩車站平面上呈十字相交（如圖1所示）；在豎直方向上，軌道六號線紅土地站位于十號線紅土地車站上方，為減小十號線下穿施洞室開挖對上部車站的影響，將大跨度單洞隧道分成兩個分離的單洞雙層拱形結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。

圖1 下穿地鐵隧道平面關系圖

圖2 下穿地鐵隧道立面圖

2 數(shù)值模型建立及控制

側(cè)壁導洞開挖通常在對地面沉降要求嚴格時使用。一般將隧道斷面從中間分成4～6部分，使上、下臺階左右各分成2～3部分，每一部分開挖并支護后形成獨立的閉合單元，各部分開挖時，縱向間隔的距離可根據(jù)具體情況按臺階法確定[3]。每步的臺階長度都應控制，一般為5～7m，為穩(wěn)定工作面，往往與預注漿等輔助施工措施配合使用，采用人工或機械開挖方式。本次施工順序如圖3所示。開挖過程采用先開挖一側(cè)先行洞，再開挖另一側(cè)后行洞，開挖過程如圖3所示。側(cè)壁導洞開挖：開挖支護順序先開挖①部，然后開挖②部，最后開挖③部，再開挖④⑤⑥部。④⑤⑥部開挖順序同①②③部。三種施工方案均每步開挖3m，上臺階先行下臺階3m，每步開挖后開挖后立即進行噴射混凝土支護，二襯支護緊跟開挖工作面。

圖3 側(cè)壁導洞開挖方式

十號線隧道下穿段為35m，為消除邊界影響，兩側(cè)分別再取12.5m長的大斷面，最終長度60m；六號線隧道長度取160m；巖土體厚110m，按地質(zhì)條件劃分為三層，上部為砂質(zhì)泥巖，中部為砂巖，下部為砂質(zhì)泥石，均為緩傾巖層。巖土體結(jié)構(gòu)采用實體單元，已建六號線車站襯砌采用實體單元模擬；擬建十號線下穿段隧道初襯采用殼結(jié)構(gòu)單元模擬，支護錨桿采用錨索單元模擬，二襯采用實體單元模擬。采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，物理力學參數(shù)如下表1。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

4.1 變形分析

（1）六號線車站結(jié)構(gòu)變形

隨著十號線下穿段施工的不斷推進，其周邊圍巖受到擾動，發(fā)生應力重分布，致使六號線圍巖位移場也發(fā)生改變，沿施工導洞方向偏移，且數(shù)值逐步增加。六號線車站最大位移出現(xiàn)在洞底，位移值逐漸向隧道兩側(cè)和洞頂擴展減小。十號線側(cè)壁導洞開挖完畢后，六號線總位移云圖如圖4所示，十號線正上方的六號線總位移約有4.3～4.4mm。

圖4 六線號隧道位移

（2）十號線下穿段圍巖變形

圖5為十號線下穿段洞頂位移曲線圖，沿十號線下穿段中部，位移較小，沿兩側(cè)位移先出增大趨勢，隨后減小。在兩側(cè)位移峰值處（約±12.5m位置處）正位于六號線車站兩幫下部，此處為六號線車站應力集中區(qū)，十號線開挖使得該處應力向下傳遞并釋放，使得該處位移量較大；而下穿段中部（約0m位置）為六號線車站底板正下方，六號線開挖建成后，此處地應力較小，十號線開挖向下傳遞釋放應力相對較小，因此，位移量較小[4-5]。后行洞在穿越六號線車站正下方位置后區(qū)域，位移較先行洞小，因為先行洞開挖使得六號線兩幫應力集中區(qū)應力得到釋放。

圖5 十號線下穿段洞頂位移曲線

4.2 應力分析

（1）最大主應力

圖6為十號線下穿施工完畢后，六號線支護結(jié)構(gòu)的最大主應力云圖，可知在洞頂與洞底部位存在應力集中特征[6]。而在隧洞兩幫具有一定的壓應力。在六號線變形速率較大的區(qū)域，即十號線正上方，因受下方隧洞開挖影響，其壓應力與兩側(cè)壓應力規(guī)律相比，有明顯向下錯動趨勢[7-8]。根據(jù)局部放大的二襯支護結(jié)構(gòu)截面最大主應力云圖可見，六號線下方十號線先、后行洞之間預留的巖柱因兩側(cè)洞子開挖而承受的壓應力[9]。洞底處最大主應力最大，其最大值為310kPa。

圖6 支護結(jié)構(gòu)最大主應力

（2）最小主應力

十號線下穿施工完畢后，分別以先（后）行洞間軸對稱線、先（后）行洞的軸線兩個剖面上的圍巖及其支護結(jié)構(gòu)最小主應力變化如圖7所示?？梢娧亓柧€軸線方向最小主應力變化并不大，隧道支護結(jié)構(gòu)兩幫的最小主應力最小，拱底處最小主應力最大，為200 kPa。

圖7 圍巖及支護結(jié)構(gòu)最小主應力

5 結(jié)束語

本文基于有限差分法研究十號線采用側(cè)壁導洞施工方法下穿六號線車站，對隧道圍巖及六號線結(jié)構(gòu)的影響。通過計算分析表明，側(cè)壁導洞法施工引起的洞底沉降值較小，引起的擾動程度較弱，受擾動后的圍巖能夠更快地進入穩(wěn)定階段。下穿段隧道采用側(cè)壁導洞施工方法，對上部六號線車站隧道洞頂變形、洞底變形都能起到較好好的控制效果。

參考文獻

[1] 靳曉光,劉偉,秦峰,等.高速公路小凈距隧道施工方法探討[J].鐵道工程學報,2004,21(2)63-68.

[2] 房明,劉鎮(zhèn),周翠英,等.交叉隧道盾構(gòu)施工與鄰近不同位置建筑物的相互影響研究[J].中山大學學報(自然科學版),2011,50(1):64-69.

[3] 陳衛(wèi)忠,鄭東,于建新,等.交叉隧道施工對已有隧道穩(wěn)定性影響研究[J].巖石力學與工程學報,2015,(s1):3097-3105.

[4] 趙瑜,彭海游,盧義玉.深埋隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用的非線性動力學特性研究[J].公路交通科技,2009,26(11):98-102.

[5] Zhao Yu, Peng Haiyou, Analysis of nonlinear dynamic character in the surrounding rock system for deep buried underground engineering[J].Journal of Coal Science and Engineering 2010,16(4):362-366.

[6] 劉金朋.復雜交叉隧道開挖的相關力學特性研究[碩士學位論文][D].重慶:重慶大學,2008.

[7] Zhao Yu,Peng Haiyou.Analysis of Stability of Rock Pillar in Highway Tunnel through Coal Seam-Based on Fast Lagrangian Analysis of Continua[J] International Journal of Advancements in Computing Technology.JJAC,2012,4(19):10-17.

[8] 張玉軍,劉誼平.上下行隧道立交處圍巖穩(wěn)定性的有限元計算[J].巖土力學,2002,23(4):511-515.

[9] 杜立兵,嚴松宏,蔡白潔.小凈距空間交叉隧道臺階法施工安全性研究[J].隧道建設,2013,33(5):378-382.