雙洞單圓盾構(gòu)隧道與橫通道結(jié)合修建地鐵車站施工過程的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

張明

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430074)

雙洞單圓盾構(gòu)隧道與橫通道結(jié)合修建地鐵車站施工過程的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

張明

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430074)

為避免車站和區(qū)間盾構(gòu)隧道施工在時空中產(chǎn)生矛盾，充分發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)的使用效率，達(dá)到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)經(jīng)濟(jì)里程，采用雙洞單圓盾構(gòu)平行掘進(jìn)過站，先行貫通全線大部分區(qū)間隧道，繼而在盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上通過橫通道擴(kuò)挖構(gòu)筑地鐵車站。FLAC3D仿真結(jié)果表明:施工過程中地層位移和管片應(yīng)力與應(yīng)變合理，工程風(fēng)險(xiǎn)可控，可達(dá)到縮短工期，節(jié)約建設(shè)成本的目的。

盾構(gòu)法 盾構(gòu)過站 擴(kuò)挖 地鐵車站

隨著城市地鐵建設(shè)的高速發(fā)展，盾構(gòu)法施工技術(shù)以其高效、快速、安全的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種必不可少的城市地鐵建設(shè)通用施工技術(shù)。但在實(shí)際施工過程中，由于盾構(gòu)過站問題，嚴(yán)重影響和制約了這種高效技術(shù)的發(fā)揮和應(yīng)用。目前，盾構(gòu)施工法大多數(shù)局限于地鐵區(qū)間隧道的施工，即盾構(gòu)機(jī)從起點(diǎn)車站端部始發(fā)井推進(jìn)，到達(dá)目標(biāo)車站后，在目標(biāo)車站端部接收井吊出，轉(zhuǎn)至下一區(qū)間隧道的施工?；蛘咴谝呀?jīng)創(chuàng)造好過站條件的車站拖拉盾構(gòu)過站繼續(xù)施工下一個區(qū)間隧道。兩種過站方法都必須解體盾構(gòu)過站，導(dǎo)致車站施工和區(qū)間隧道的施工在工期上易產(chǎn)生矛盾，使本來能夠大大縮短施工工期的盾構(gòu)施工技術(shù)反而制約了車站施工的工期［1-5］。

盾構(gòu)先行過站，利用已經(jīng)建好的盾構(gòu)隧道結(jié)合已經(jīng)在國內(nèi)成熟和廣泛應(yīng)用的淺埋暗挖法，擴(kuò)挖成地鐵車站，是一種新型的地鐵車站施工方法。能夠縮短工期，節(jié)約建設(shè)成本。本文通過數(shù)值模擬淺埋暗挖法在既有盾構(gòu)隧道的基礎(chǔ)上擴(kuò)挖成車站的施工過程，分析在施工過程中地層的位移和盾構(gòu)管片的受力與變形，以探討這種施工方法的合理性和可實(shí)施性，為此類工法的施工提供必要的依據(jù)和建議。

1 車站概況

北京某地下二層島式暗挖車站，有效站臺長120 m，線間距 23 m。車站斷面為橢形大斷面，高10.364 m，跨度14.164 m，平均覆土4.3 m左右。根據(jù)總體工程籌劃，站端兩側(cè)區(qū)間共計(jì)長度約3 km，均采用盾構(gòu)法掘進(jìn)。為充分發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率、減少進(jìn)出井工序，兼顧車站建筑功能要求，采用兩臺盾構(gòu)直接掘進(jìn)過站，繼而暗挖聯(lián)絡(luò)通道，擴(kuò)挖構(gòu)筑塔柱式車站。盾構(gòu)管片外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，管片厚度0.3 m，寬度1.2 m。地層參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 施工過程仿真

2.1 計(jì)算范圍及單元類型

模型計(jì)算范圍:左右邊界為2.5倍車站寬度，下邊界為1.5倍車站高度，上邊界到地面，車站縱向取3條橫通道，含25環(huán)管片。最后確定整個模型寬150 m、高34 m、長30 m，見圖1。

盾構(gòu)隧道由6塊管片拼成一環(huán)，管片環(huán)縫、縱縫及注漿縫采用Interface來模擬，并用梁單元模擬管片間

螺栓、臨時鋼支撐等。圍巖、支護(hù)、管片采用實(shí)體單元模擬，支撐與管片或襯砌之間的連接方式按鉸接處理，本構(gòu)采用M—C準(zhǔn)則。

圖1 模型整體示意

施工過程將地下水降至底板以下，故數(shù)值模擬按降水后的施工階段考慮，忽略地下水影響，接觸面單元力學(xué)參數(shù)見表2。

2.2 施工過程仿真

塔柱式地鐵車站按圖2的施工工序進(jìn)行施工。

表2 接觸面Interface物理力學(xué)參數(shù)

圖2 塔柱式地鐵車站施工步驟

2.3 結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析

整個車站計(jì)算結(jié)果取兩個典型斷面來分析，斷面1:2#橫通道中間部位，對應(yīng)第13環(huán)管片;斷面2:3#塔柱中間部位，對應(yīng)第17環(huán)管片。

2.3.1 地表沉降

兩個典型斷面在各施工階段地表最大沉降值都產(chǎn)生在中間大斷面隧道中心正上方。以斷面1為例，首先，地表沉降最大值－22.3 mm，其中絕大部分沉降是在中間大斷面隧道開挖并支護(hù)的時候產(chǎn)生，占總沉降量的70.9%;大斷面隧道施作二襯時僅產(chǎn)生小部分沉降。其次，橫通道的毛洞開挖、拆除管片、施作橫通道二襯，共計(jì)產(chǎn)生－3.5 mm沉降。因?yàn)橹虚g大斷面隧道二襯已施作，給地層提供了足夠的支護(hù)抗力，故橫通道施工引起的地表正中沉降不大。

2.3.2 洞周變形

在斷面1，2關(guān)鍵部位設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，分布見圖3。

垂直位移:斷面1因?yàn)橛袡M通道開挖的影響，其垂直位移整體上比斷面2稍大，且斷面1的3#關(guān)鍵點(diǎn)垂直位移最大達(dá)到－8.5 mm，比斷面2大3.0 mm。因?yàn)閿嗝?存在橫通道且在其開挖過程中使右側(cè)盾構(gòu)管片

臨空，右側(cè)土壓力減為0，導(dǎo)致在拱頂垂直土壓力的作用下，拱頂?shù)拇怪蔽灰仆蝗辉龃蟆?/p>

圖3 洞周位移記錄點(diǎn)(單位:cm)

水平位移:從整體演化規(guī)律看，兩個典型斷面各關(guān)鍵的水平位移在第2和第5施工步時位移減小，即向大斷面隧道外側(cè)移動，第1、第3和第4施工步反之，即水平位移變化產(chǎn)生波動。細(xì)部規(guī)律上，斷面1橫通道施工時，洞周5#測點(diǎn)水平位移達(dá)到10.9 mm，而斷面2相同位置的位移僅為7.7 mm。

2.3.3 管片內(nèi)力分析

橫通道開挖前，盾構(gòu)隧道管片上兩側(cè)的壓應(yīng)力大于頂部和底部管片上的壓應(yīng)力，側(cè)部壓應(yīng)力約 2.2 MPa，底部為1.6 MPa，頂部最小為1.4 MPa。管片上的拉應(yīng)力較小，但是在靠近大隧道一側(cè)的管片接縫處有集中拉應(yīng)力，約0.12 MPa。

橫通道開挖時，盾構(gòu)隧道靠近大斷面隧道一側(cè)臨空，管片上的壓應(yīng)力驟減為0.4 MPa，盾構(gòu)隧道頂部和底部的壓應(yīng)力也相應(yīng)地略有減小，而遠(yuǎn)離大斷面隧道一側(cè)的管片壓應(yīng)力增大為2.3 MPa。管片拆除和施作橫通道二襯時，管片上的壓應(yīng)力變化不大，管片拆除部位出現(xiàn)集中拉應(yīng)力，約0.4 MPa。

臨時支撐的拆除對管片的應(yīng)力影響比較大。遠(yuǎn)離大斷面隧道一側(cè)管片上壓應(yīng)力增大至2.53 MPa，頂部和底部的壓應(yīng)力變化不大，為1.50 MPa，管片和橫通道上下連接處有較大的集中拉應(yīng)力，約0.90 MPa。

2.3.4 管片錯縫位移及螺栓內(nèi)力分析

圖4為第13環(huán)管片部分拆除后，環(huán)向螺栓位置及測點(diǎn)示意。

圖4 螺栓和接縫位置示意

由圖4可看出，1#和2#測點(diǎn)處兩側(cè)管片接觸良好，基本不張開，但相對錯動明顯，達(dá)到1.1 mm;3#接縫兩側(cè)管片在隧道內(nèi)側(cè)緊密接觸，在隧道外側(cè)張開，達(dá)到0.7 mm;4#接縫兩側(cè)管片在隧道內(nèi)側(cè)有較大張開，達(dá)到1.2 mm，在外側(cè)接觸良好，同時有0.6 mm錯動。依據(jù)管片接縫允許張開值公式 δ允許≤BD/(ρmin－0.5D)+δ0+δs=29.1 mm。滿足防水功能［6］。

隨施工推進(jìn)，兩個斷面上的環(huán)向螺栓應(yīng)力均不斷增大，尤其是臨時支撐拆除工序?qū)?#位置的螺栓內(nèi)力演化影響最大，最為不利，達(dá)到1 078 MPa，超過M10.9高強(qiáng)螺栓屈服強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度1 000 MPa，屈服強(qiáng)度900 MPa)。同時，兩個斷面相同位置的2#螺栓呈受壓狀態(tài)并由襯墊承受且壓力較小，余為受拉，均小于自身屈服強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文采用FLAC3D技術(shù)，充分分析雙線盾構(gòu)平行過站結(jié)合暗挖法構(gòu)筑地鐵車站時各結(jié)構(gòu)施工動態(tài)響應(yīng)，得到以下結(jié)論:

1)中間暗挖大斷面隧道的施工對其及兩側(cè)平行盾構(gòu)區(qū)間上方的地層位移影響較大，有必要在橫通道開挖前從兩側(cè)平行盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)向橫通道及管片上方一定范圍內(nèi)注漿加固，以穩(wěn)固地層。

2)盾構(gòu)區(qū)間最終位移形態(tài)使得其斷面呈扁平橢圓狀。局部上，橫通道開挖使得橫通道部位管片和塔柱部位管片之間產(chǎn)生差異變形，影響到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和防水性能。建議在盾構(gòu)隧道內(nèi)加臨時支撐的同時，采取厚14 mm槽型鋼板拉筋條或預(yù)應(yīng)力錨索(類似于盾構(gòu)進(jìn)出車站時措施)將管片沿縱向拉緊，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。

3)盾構(gòu)管片整體應(yīng)力均不大，但橫通道和管片的連接部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)在加固及橫通道二襯穩(wěn)定后方可破除管片。

4)管片1#，3#接縫處張開量整體較小，但4#接縫處環(huán)向螺栓拉應(yīng)力偏大，原設(shè)計(jì) M10.9螺栓接近屈服，建議在設(shè)置橫通道的管片斷面處，局部采用M12.9高強(qiáng)螺栓。

［1］向勇，楊成剛，吳克信，等.西氣東輸中衛(wèi)黃河隧道設(shè)計(jì)與施工［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48(4):110-115.

［2］李海峰.卵石含量高、粒徑大的富水砂卵石地層中盾構(gòu)機(jī)選型研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46(1):57-63.

［3］張新金，劉維寧，彭智勇，等.盾構(gòu)法與淺埋暗挖法結(jié)合建造地鐵車站站廳隧道二襯施作時機(jī)的研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2012，33(4):25-30.

［4］路美麗，劉維寧，孫曉靜.盾構(gòu)法—暗挖法結(jié)合修建地鐵車站在我國的應(yīng)用前景［J］.都市快軌交通，2004，17(2):30-34.

［5］張鳳祥.盾構(gòu)隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［6］童智能，吳祥紅.淺談盾構(gòu)隧道管片拼裝接縫的防水處理［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007(2):52-55.

(責(zé)任審編 趙其文)

U231+.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.19

2014-10-26;

:2015-06-05

張明(1973— )，男，河南南陽人，高級工程師。

1003-1995(2015)09-0063-03