張 旭

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

地鐵隧道建設過程中會遇到渡線段。渡線段的斷面一般大于標準斷面，因此存在標準斷面向大斷面施工轉(zhuǎn)換的情況。不同斷面相互轉(zhuǎn)換過程中，存在施工工序復雜、結構受力轉(zhuǎn)換多變、易導致出現(xiàn)異于常規(guī)的圍巖松動圈、對地表和周圍建筑物造成影響等問題，工程措施若有疏忽，便會造成不可估量的損失。針對以上問題，很多學者針對工法轉(zhuǎn)換力學特性開展相關研究[1-8]，即依托實際工程，采用數(shù)值分析與現(xiàn)場測試的方法探究臺階法、CRD法、雙側壁導坑法之間工法轉(zhuǎn)換時的施工力學特性；但研究多從工法轉(zhuǎn)換角度考慮，設置工況較為單一，本文對此進行加強。

1 工程概述

1.1 工程概況

西安地鐵9號線一期工程田洪區(qū)間，自田王站起沿田洪正街到達洪慶站。區(qū)間隧道有長約138.64 m的渡線段，該渡線段以E斷面為中心對稱。A、B、C、D均為馬蹄形斷面，其中A斷面采用臺階預留核心土法施工；B斷面采用CRD法施工。渡線段區(qū)間隧道平面布置如圖1所示。

圖1 平面布置

1.2 施工方案

1.2.1 A斷面施工方案

A型斷面尺寸為7.25 m×7.49 m，初支厚度300 mm，二襯厚度400 mm。A型斷面標準斷面均采用預留核心土法開挖，隧道分為上下臺階，錯開開挖，上臺階預留核心土。斷面循環(huán)開挖長度為0.5 m，臺階長度為4 m，核心土根據(jù)現(xiàn)場施工確定留置長度。

1.2.2 B斷面施工方案

B斷面的尺寸為9.440 m×7.978 m，初支厚度為350 mm，二襯厚度為500 mm。B型斷面采用CRD法施工，隧道分成4個洞室開挖，采用人工配合機械施工。渡線段B斷面每循環(huán)開挖長度為0.5 m，臺階長度為4 m。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

計算模型中，地層與二襯結構采用的是三維實體單元，初期支護結構采用的是板單元。土體采用修正摩爾-庫倫本構模型；初支、二襯與臨時支撐采用彈性本構模型。模型底部豎向位移約束，模型兩側水平位移約束。部分模型如圖2所示。

圖2 突變形式有限元模型

根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)勘察報告與結構設計參數(shù)，具體圍巖及結構的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 地層及支護結構物理力學參數(shù)

臺階法應用于A斷面，CRD法應用于B斷面。依據(jù)資料建立相關模型：漸變斷面轉(zhuǎn)換形式下的漸變模型A型斷面臺階預留核心土法區(qū)段共長20 m，包含4 m的漸變段；B型斷面CRD法區(qū)段共長18 m。突變斷面轉(zhuǎn)換形式下的突變模型A型斷面臺階預留核心土法區(qū)段共長18 m；B型斷面CRD法區(qū)段共長20 m。依據(jù)現(xiàn)場施工情況設立工況：采用漸變形式由A到B，采用突變形式由B到A。為探究斷面轉(zhuǎn)換形式的合理性，在實際工況的基礎上設立對比組：采用突變形式由A到B，采用漸變形式由B到A。計算工況如圖3所示。

圖3 A、B斷面施工工況

2.2 A斷面到B斷面數(shù)值分析

2.2.1 地表沉降分析

由小斷面向大斷面施工時，兩種斷面轉(zhuǎn)換形式下地表沉降情況如圖4～圖6所示。

圖4 隧道貫通后地表豎向變形云圖

圖5 縱向地表豎向變形云圖

圖6 地表沉降曲線

斷面轉(zhuǎn)換漸變形式下地表沉降最大值為-25.8 mm，位置在渡線段臺階法起始施工加固土體的拱頂位置。斷面轉(zhuǎn)換突變形式下地表沉降最大值為-30.8 mm，位置在渡線段臺階法起始施工加固土體的拱頂位置。漸變形式下模型橫向0～9 m最大范圍內(nèi)的地表沉降值為-2.5 mm；突變形式下模型橫向0～9 m最大范圍內(nèi)的地表沉降值為-6.0 mm。

橫向地表沉降曲線沉降槽隨著左右側隧道施工發(fā)生移動，漸變形式下地表沉降最大值為-12.6 mm；突變形式下地表沉降最大值為-15.3 mm；突變形式下地表沉降影響范圍要大于漸變形式?？v向漸變形式下地表沉降最大值為-14.1 mm，突變形式下地表沉降最大值為-17.0 mm。縱向地表沉降變化主要依據(jù)各施工區(qū)段的施工。

2.2.2 結構變形分析

(1)兩種斷面轉(zhuǎn)換形式下拱頂沉降如圖7所示。

由圖7可知：①突變形式下拱頂沉降最大值為-22.7 mm，漸變形式下拱頂沉降最大值為-20.4 mm。②漸變形式下對于拱頂沉降的控制是要優(yōu)于突變形式的。但突變形式下在斷面轉(zhuǎn)換位置處拱頂沉降突然變小到-12.8 mm，后期隨之又不斷增加。漸變形式下在渡線段的臺階預留核心土法區(qū)段拱頂沉降不斷減小到-11.3 mm。突變形式下在斷面轉(zhuǎn)換附近數(shù)值變動比較大，漸變形式下要相對平緩一些。

圖7 拱頂沉降

(2)兩種斷面轉(zhuǎn)換形式下水平位移如圖8所示。由圖8可知：①突變形式下水平位移最大值為-3.8 mm，漸變形式下水平位移最大值為-4.2 mm。②由于A型斷面到B型斷面的渡線段與標準段之間沒有設置加固土體，可以看出隧道左、右側水平位移呈對稱形式。③兩種斷面形式下左右側水平位移基本相同，隧道結構受擠壓向左側發(fā)生形變。

圖8 隧道水平位移

2.3 B斷面到A斷面數(shù)值分析

2.3.1 地表沉降分析

突變形式下地表沉降最大值為-30.2 mm；漸變形式下地表沉降最大值為-26.9 mm，其最大值均出現(xiàn)在CRD區(qū)段末尾的加固土體位置。由大斷面到小斷面施工時，突變形式下對地表沉降的影響范圍也很大.相較漸變形式差別不大。①橫向地表沉降槽隨著施工不同隧道發(fā)生移動，突變形式下橫向地表沉降最大值為-16.6 mm，漸變形式下橫向地表沉降最大值為-13.7 mm。②縱向地表沉降隨著施工不同工法區(qū)段的隧道而增加，突變形式下縱向地表沉降最大值為-18.4 mm；漸變形式下橫向地表沉降最大值為-15.2 mm。③當從大斷面向小斷面施工時，兩種斷面形式下，在控制地表沉降方面漸變形式是優(yōu)于突變形式的。

2.3.2 結構變形分析

(1)兩種斷面轉(zhuǎn)換形式下拱頂沉降如圖9所示。

圖9 渡線段拱頂沉降

突變形式下拱頂沉降的最大值為-22.7 mm；漸變形式下拱頂沉降的最大值-23.4 mm。

在臺階法區(qū)段突變形式下的拱頂沉降是要大于漸變形式下的，在斷面轉(zhuǎn)換區(qū)段漸變形式下的拱頂沉降是大于突變形式下的，進入CRD法區(qū)段后兩種斷面轉(zhuǎn)換形式的拱頂沉降基本相同。

(2)兩種斷面轉(zhuǎn)換形式下水平位移如圖10所示。

圖10 渡線段水平位移

由圖10可知：①突變形式下水平位移最大值為2.8 mm；漸變形式下水平位移最大值為-7.1 mm。②漸變形式下水平位移的值要大于突變形式下的，在施工斷面轉(zhuǎn)換位置之后突變形式下的隧道右側由x軸負向變成正向，左右兩側向內(nèi)擠壓。③漸變形式下在斷面轉(zhuǎn)換區(qū)段之后左右兩側位移值發(fā)生正負變化，在CRD工法區(qū)段隧道左右側向內(nèi)擠壓，等轉(zhuǎn)到臺階預留核心土法區(qū)段時隧道左右兩側開始向外擠壓。

3 斷面轉(zhuǎn)換施工技術

3.1 渡線段A斷面向B斷面漸變過渡

渡線段A型斷面斷施工至最后4 m時開始采取8榀漸變過渡至A斷面，成喇叭型外擴；渡線段A型斷面開挖尺寸7 250 mm×7 400 mm，B型斷面開挖尺寸9 400 mm×7 978 mm；考慮保護層等，渡線段A斷面到B斷面漸變過渡段每榀格柵鋼架每側比前一榀鋼架擴大，每榀步距0.5 m，鋼架之間通過“L”型加強筋和縱向連接筋將每榀鋼架連接為整體，每側鎖腳處打設兩根注漿錨管，將鎖腳錨管與格柵鋼架焊接為整體，利于整體受力，經(jīng)過8榀連續(xù)漸變至B型斷面。渡線段A型斷面向B斷面漸變過渡段采用CRD法施工；二襯施工時設置堵頭墻直接變化至B型斷面。斷面轉(zhuǎn)換示意圖如圖11所示。

圖11 A、B斷面轉(zhuǎn)換施工方案

3.2 渡線段B斷面向A斷面突變變化

渡線段B型斷面向A型斷面變化時依據(jù)設計和監(jiān)控量測穩(wěn)定的情況下，可直接采用大斷面變至小斷面，在大小斷面間設置堵頭墻，即采用型鋼和鋼筋網(wǎng)片封堵，二襯施工時直接采用鋼筋混凝土澆筑。

4 結論

(1)在A斷面向B斷面施工時采用漸變斷面轉(zhuǎn)換形式要優(yōu)于突變；在B斷面向A斷面施工時可采用突變的斷面轉(zhuǎn)換形式，方便施工。

(2)當A斷面向B斷面采用漸變的斷面轉(zhuǎn)換形式施工時，地表沉降最大值為12.6 mm，其最大值位置為雙線隧道中間部位上方土體；隧道結構拱頂沉降最大值為20.4 mm，水平位移最大值為-4.1 mm，其最大值位置均發(fā)生在臺階法起始段位置。

(3)當B斷面向A斷面采用突變的斷面轉(zhuǎn)換形式施工時，地表沉降最大值為16.6 mm，其最大值位置為渡線段上方土體；隧道結構拱頂沉降最大值為22.7 mm，水平位移最大值為2.8 mm，其最大值位置均出現(xiàn)在臺階法起始段位置。

(4)兩種工法轉(zhuǎn)換施工順序下的地表沉降與隧道結構變形均符合設計要求，現(xiàn)場測試結果也表明以上施工的安全性。類似工程建議當大斷面向小斷面施工時可以采用突變的斷面轉(zhuǎn)換形式；當小斷面向大斷面施工時可以采用漸變的斷面轉(zhuǎn)換形式。