地鐵聯(lián)絡通道施工力學特性分析

吳文濤，張 恒，李海清

(1.西南交通大學 希望學院，四川 南充 637900;2.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031;3.四川省交通運輸廳 公路規(guī)劃勘察設計研究院，成都 610041)

城市地鐵聯(lián)絡通道一般處于區(qū)間隧道的中部和線路的最低處，且通常與集、排水泵站連在一起合并建設，共同起著兩隧道連接、集水、排水和防火等作用。在盾構法隧道基礎上修建聯(lián)絡通道，必然會使盾構隧道的受力狀態(tài)發(fā)生改變，形成非常不利的空間交叉結構受力形式，產生應力集中現(xiàn)象，使得與聯(lián)絡通道相連接的交叉部管片成為受力的薄弱環(huán)節(jié)[1-3]。上海軌道4號線于2003年7月1日造成重大工程事故，由于聯(lián)絡通道施工等措施的不力，造成直接經濟損失高達1.5億元人民幣，引起了全國震驚。但是現(xiàn)階段國內的設計中，對采用礦山法施工的聯(lián)絡通道的施工過程中，盾構主隧道的位移及應力變化規(guī)律并不是十分明確[4-5]。為了確保聯(lián)絡通道施工的安全，降低施工對盾構主隧道的影響，本文應用FLAC3D研究了在盾構法隧道的基礎上管片拆除、開挖、施加襯砌等過程圍巖的位移及力學變化過程，驗證了聯(lián)絡通道施工的可行性，為進一步研究奠定了基礎。

1 工程概況

深圳地鐵2號線2205標段盾構工程共有2個區(qū)間，分別是水灣站—東角頭站區(qū)間和海上世界站—水灣站區(qū)間，其中水灣站—東角頭站區(qū)間包含聯(lián)絡通道施工。

聯(lián)絡通道凈空根據人員疏散條件定為半圓拱直墻斷面，尺寸為2.1 m(寬)×2.3 m(高)。聯(lián)絡通道、泵房采用礦山法施工，復合式襯砌，并輔以超前小導管的輔助加固措施，外圍地層使用水泥砂漿注漿加固。聯(lián)絡通道處管片采用開口襯砌環(huán)。初期支護采用格柵鋼架及250 mm厚C25、S8噴射防水混凝土;二次襯砌采用350～700 mm厚C30、S8模筑防水混凝土。

聯(lián)絡通道結構為復合式結構，其防水除混凝土自防水外，在初支與二襯之間施作全斷面柔性防水層(防水層采用350 g/m2無紡布+1.5 mm厚PVC防水板)。聯(lián)絡通道橫、縱斷面如圖1、圖2所示。

圖1 聯(lián)絡通道縱斷面(單位:mm)

聯(lián)絡通道及泵房處于Ⅴ級圍巖中，結構覆土13 m，屬于淺埋隧道，上層覆約2 m素填土，向下依次為軟土層、礫質黏性土地層，下臥全風化和中風化花崗巖。地下水以經常滲水、滴水為主。

2 聯(lián)絡通道施工工序

根據施工條件，結合地鐵旁通道施工經驗，經技術經濟比較，采用注漿加固土體、隧道內開挖構筑的施工方案如下:

圖2 聯(lián)絡通道橫斷面(單位:mm)

土層注漿和開挖構筑施工均在隧道內進行，主要施工工序:洞內地層加固→盾構隧道架設支撐→檢查土體加固效果是否滿足強度、抗?jié)B要求，如不能滿足要求加固到滿足要求為止→切除右線開口處管片→施作防護門→施作聯(lián)絡通道初期襯砌、二次襯砌及洞門(泵房處不施工底部二次襯砌)→向下施作泵房初期襯砌→施作泵房二次襯砌→施作墻板→拆除隧道支撐。

3 盾構隧道與聯(lián)絡通道施工模擬

3.1 計算力學模型及參數

根據聯(lián)絡通道加固斷面設計施工圖進行建模，如圖3所示。為了消除尺寸效應引起的計算誤差，沿隧道掘進方向，確定尺寸為60 m(相當于40環(huán)，每環(huán)1.5 m);沿隧道斷面橫向，確定寬度尺寸為80 m;而沿垂直方向，根據聯(lián)絡通道實際埋深，確定上覆土層厚度，向下則從計算影響范圍角度考慮，選取厚度為22 m的地層。采用理想彈塑性本構關系和Drucker-Prager屈服準則進行數值模擬。該聯(lián)絡通道斷面計算模型如圖3所示，空間交叉結構如圖4所示。由于管片接縫的影響，管片剛度按0.75的折減系數來考慮[1-2]，各材料相關計算參數見表1。

3.2 邊界條件和初始應力場

圖3 三維計算模型

圖4 聯(lián)絡通道交叉部網格

表1 各種材料的力學參數

計算模型采用位移邊界條件，在模型底部施加豎向約束，兩側面施加水平約束，上表面為自由面。由于地表有附加荷載作用，模型頂部施加P0=20 kPa的荷載。初始應力場由自重產生，不考慮淺埋洞室土體構造應力的影響。

3.3 數值模擬過程

為了探明盾構隧道與聯(lián)絡通道組成空間交叉結構的復雜受力特征，本次計算對聯(lián)絡通道的施工過程進行如下模擬[6-9]。

1)盾構隧道開挖毛洞狀態(tài)下圍巖荷載釋放率確定為30%;管片施作后，荷載釋放率確定為70%。

2)聯(lián)絡通道采用礦山法施工，假定整個過程分3步進尺施工完畢，每步進尺2 m。

3)開挖聯(lián)絡通道毛洞應力釋放率為30%，施作聯(lián)絡通道初期支護后應力釋放率為70%。

3.4 計算結果分析

3.4.1 結構受力分析

管片主應力分布見表2，從整體上看，在聯(lián)絡通道施工之前，完成盾構隧道后，在主隧道的拱頂及拱底均出現(xiàn)了較大的拉應力，底板拉應力最大值為0.27 MPa，而隧道最大壓應力則出現(xiàn)在兩側拱腰位置，為3.69 MPa。聯(lián)絡通道的施工，使開洞側及遠離側交叉部管片拉應力均有不同程度的增加，但是開洞側交叉部管片壓應力隨著施工進尺逐漸減小，而遠離側交叉部管片壓應力逐漸增大。

由于聯(lián)絡通道的施工，主隧道原有的受力方式發(fā)生了應力重分布，使得交叉部管片產生了應力集中現(xiàn)象，特別使開洞側管片產生了上下截面整體受拉的不利受力形式。因此，施工時對聯(lián)絡通道附近的管片進行有效的加固，實施足夠的支撐，是非常有必要的。

表2 管片應力 MPa

各施工階段聯(lián)絡通道主應力分布見表3，隨著施工進尺，結構的最大拉應力變化范圍逐漸減小，最大值出現(xiàn)在聯(lián)絡通道靠近開洞側底板位置處，而結構最大壓應力在逐漸增大，最大值出現(xiàn)在結構遠離開洞側拱腰位置處。聯(lián)絡通道的施工引起結構自身出現(xiàn)了很大拉應力區(qū)，以致于出現(xiàn)結構上下截面整體受拉的受力形勢，從受力角度來講是十分不利的。

表3 聯(lián)絡通道應力

圖5 聯(lián)絡通道彎矩云圖(單位:N·m)

圖6 聯(lián)絡通道拉應力分布云圖(單位:Pa)

由圖5，圖6可看出，聯(lián)絡通道拱頂和底板是正彎矩最大區(qū)域，而接口下部彎矩突變，出現(xiàn)較大的負彎矩，聯(lián)絡通道底板是受拉最大區(qū)域，整個結構的受拉區(qū)為聯(lián)絡通道下半部分及接口周圍部分管片，設計與施工應高度重視此部分的結構安全和防水。

3.4.2 結構變形分析

從表4，表5可以看出聯(lián)絡通道開挖后，盾構主隧道的變形由對稱變形轉為不對稱變形，并向聯(lián)絡通道一側發(fā)展;受管片拆除及聯(lián)絡通道施工的影響，結構剛度下降，致使靠近聯(lián)絡通道一側管片變形明顯大于相對的另一側管片;開挖過程中，開洞側管片的變形增加量明顯較遠離管片側大，大約為遠離側管片變形增量的3倍。因聯(lián)絡通道施工，引起交叉部管片特別是開洞側交叉部管片產生了沿垂直和水平方向顯著的附加變形;垂直方向最大附加變形為2.19 mm，水平方向最大附加變形為9.06 mm。

表4 交叉部管片變形量 mm

表5 聯(lián)絡通道結構變形量 mm

從表5可以看出開挖聯(lián)絡通道過程中，結構以拱頂垂直變形為主，最大沉降值為24.39 mm，結構其他部位變形較小。隨施工進尺的增加，除結構底板隆起基本沒有變化外，結構各部位變形均有不同程度的增加。

3.5 地表沉降計算值與監(jiān)測結果比較

圖7為聯(lián)絡通道地表沉降監(jiān)測點布置圖。通過數值計算分析實測結果與數值模擬的差異，數值模擬計算得到的聯(lián)絡通道監(jiān)測斷面其最大沉降值是6.71 mm，最大地表沉降發(fā)生在聯(lián)絡通道軸線中心上方，如圖7和圖8所示。

現(xiàn)場監(jiān)測得到的數據顯示，地表沉降最大值5.93 mm，從沉降最大點的位置和數值大小來看，沉降值最大點的位置一致，地表最大沉降數值大小計算結果與現(xiàn)場監(jiān)測結果比較接近，計算值比實測最大值大10%。從影響范圍來看，兩者也有著較好的相似性。

圖7 聯(lián)絡通道監(jiān)測點布置(單位:m)

圖8 聯(lián)絡通道地表沉降計算值與實測值比較

4 結論

本文以深圳地鐵2號線聯(lián)絡通道施工為工程依托，通過數值模擬對盾構隧道與聯(lián)絡通道組成復雜空間結構的施工力學行為進行了較深入的研究，得出如下主要結論:

1)隨施工進程，盾構隧道與聯(lián)絡通道交叉結構變形由對稱變形轉變?yōu)橄蚵?lián)絡通道一側發(fā)展的不對稱變形，并且使交叉部連接管片局部變形顯著。

2)聯(lián)絡通道的施工，主隧道原有的受力方式發(fā)生了應力重分布，使得交叉部管片產生了應力集中現(xiàn)象，導致開洞側交叉部管片出現(xiàn)拉應力集中，遠離開洞側交叉部管片出現(xiàn)壓應力集中。

3)受拉最大區(qū)發(fā)生在聯(lián)絡通道底板，整個結構的受拉區(qū)為聯(lián)絡通道下半部分及接口周圍部分管片，設計與施工應高度重視此部分的結構安全和防水。

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