雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在小凈距大斷面地鐵車站施工中的應(yīng)用

楊翔,易雄川,張軍偉,唐正東,楊重虎

(1重慶建工市政交通工程有限責(zé)任公司,重慶400021;2重慶交通大學(xué)土木學(xué)院,重慶400074)

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在小凈距大斷面地鐵車站施工中的應(yīng)用

楊翔1,易雄川1,張軍偉1,唐正東2,楊重虎1

(1重慶建工市政交通工程有限責(zé)任公司,重慶400021;2重慶交通大學(xué)土木學(xué)院,重慶400074)

以某淺埋暗挖城市地鐵車站為工程背景,研究了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在小凈距大斷面地鐵車站施工中的可行性.通過有限元數(shù)值模擬計算得到了該施工方法下地鐵車站的位移和塑性區(qū)時空演化規(guī)律,并將計算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范值進行比對.分析結(jié)果表明,Ⅳ級圍巖條件下小凈距大斷面隧道使用該工法施工時所引起的隧道拱頂沉降、水平收斂及塑性區(qū)發(fā)展均在允許范圍之內(nèi),能保證整個施工過程的安全.

地鐵車站;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法;數(shù)值模擬;隧道施工;小凈距大斷面;淺埋暗挖

0 引言

目前,國內(nèi)外小凈距大斷面地鐵車站[1]施工方法大多以新奧法為原理,理論分析與大量工程實踐相結(jié)合,常用的施工方法有全斷面法、臺階法、CD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法等[2].結(jié)合在建的某小凈距大斷面暗挖地鐵車站建設(shè),對Ⅳ級圍巖段小凈距大斷面暗挖地鐵車站雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖動態(tài)施工過程進行數(shù)值模擬研究,為小凈距大斷面暗挖地鐵車站的設(shè)計和施工提供了科學(xué)依據(jù).

1 工程概況

涂山站位于川渝卷煙廠外的涂山路下,呈南北向,南接蓮花村站,北接彈子石站.場區(qū)內(nèi)地下水分為松散層類孔隙水、基巖裂隙水,洞內(nèi)未見明顯的地下水涌出及活動現(xiàn)象,洞內(nèi)施工區(qū)間較干燥.該隧道工程為平行雙島暗挖地鐵車站,標準段單洞開挖寬度21.5m,開挖高度為20m隧道扁平率小、跨徑大、開挖斷面積大,雙島間核心土寬度19.7m,頂板覆土28.3m,聯(lián)絡(luò)通道處開挖寬度為62.7m.車站所處地表有6m左右回填土,車站主體隧道開挖范圍內(nèi)為Ⅳ級圍巖,巖體主要為砂巖.經(jīng)過幾種開挖工法對比分析和參照類似工程經(jīng)驗[3],采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法.

2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工原則和工藝原理

施工原則:隧道開挖斷面大,側(cè)壁導(dǎo)坑.

施工完成后,應(yīng)及時施作初期支護,并應(yīng)盡早封閉成環(huán);左右導(dǎo)坑掘進時,前后錯開距離不小于15m;仰拱開挖時,應(yīng)采取措施保證施工交通安全和做好防排水措施;遵循"弱爆破、少擾動、短開挖、早支護、勤量測、緊封閉"的原則進行.

工藝原理:以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ),采用光面爆破技術(shù),結(jié)合新奧法[4]的思想,充分利用圍巖的自承能力,采用注漿錨桿和噴射混凝土為主要支護手段,及時進行支護加固圍巖,使支護結(jié)構(gòu)和圍巖共同受力,進而有效地控制拱頂沉降、水平收斂和地表沉降,并通過監(jiān)控量測和理論分析相結(jié)合對比分析指導(dǎo)施工.

3 有限元模擬工況及結(jié)果分析

(1)結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)隧道所處地質(zhì)條件和隧道圍巖的巖體結(jié)構(gòu)特征,建立圖1所示有限元計算分析模型.車站為平行雙島四線暗挖車站,單洞開挖寬度21.5m,開挖高度20m,洞間巖體厚19.7m.模型模擬為了減少邊界條件對模型計算結(jié)果的影響,模型自隧道開挖邊界左右各取100m,下部自開挖底部取100m,上部取至地表(28.3m).模型的邊界條件:左右兩側(cè)邊約束其水平方向位移;底邊約束其水平和豎向位移.隧道所處地質(zhì)條件無明顯地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力,故初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮.

圖1 有限元模型

整個模型的區(qū)域為262.7mX150m.有限元網(wǎng)格劃分為個3137個單元和3242個節(jié)點.根據(jù)車站的工程地質(zhì)勘查報告和相關(guān)規(guī)范,選取模型相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

(2)模擬分析過程

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖順序

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖次序如圖2(圖中阿拉伯數(shù)字表示施工次序),隧道模型分析過程:

第1步:開挖右線右側(cè)導(dǎo)坑上臺階和初期支護;第2步:開挖左線右側(cè)導(dǎo)坑上臺階和初期支護;第3步:開挖右線左側(cè)導(dǎo)坑上臺階和初期支護;第4步:開挖左線左側(cè)導(dǎo)坑上臺階和初期支護;第5步:開挖右線右側(cè)導(dǎo)坑中臺階和初期支護;第6步:開挖右線右側(cè)導(dǎo)坑下臺階和初期支護;第7步:開挖右線左側(cè)導(dǎo)坑中臺階和初期支護;第8步:開挖右線左側(cè)導(dǎo)坑下臺階和初期支護;第9步:開挖右線中部核心土上臺階和初期支護;第10步:開挖右線中部核心土中臺階;第11步:開挖右線中部核心土下臺階;第12步:施作右線隧道仰拱;第13步:施作右線隧道二次襯砌;第14步:開挖左線右側(cè)導(dǎo)坑中臺階和初期支護;第15步:開挖左線右側(cè)導(dǎo)坑下臺階和初期支護;第16步:開挖左線左側(cè)導(dǎo)坑中臺階和初期支護;第17步:開挖左線左側(cè)導(dǎo)坑下臺階和初期支護;第18步:開挖左線中部核心土上臺階和初期支護;第19步:開挖左線中部核心土中臺階;第20步:開挖左線中部核心土下臺階;第21步:施作左線隧道仰拱;第22步:施作左線隧道二次襯砌.

(3)模擬結(jié)果分析

車站右線隧道核心土開挖前圍巖豎向位移等值線云圖和右線隧道核心土上臺階開挖后豎向位移等值線云圖如圖3和圖4所示.

從圖3和圖4可知:車站右線隧道核心土開挖前最大豎向位移為5.58 mm(右線隧道導(dǎo)坑底隆起),最小位移為-1.99 mm(左線隧道導(dǎo)坑拱頂下沉);車站隧道核心土開挖后最大位移為11.4 mm,最小位移為-7.96 mm(右線隧道拱頂下沉).核心土上臺階開挖時,隧道圍巖的變形較大,應(yīng)及時跟進拱頂頂部圍巖的初期支護;同時加強監(jiān)控量測,實時監(jiān)測圍巖的變形及拱頂下沉.根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工.

圖3 圍巖豎向位移等值線云圖

車站主體開挖完成后,水平方向位移云圖如圖5所示、豎直方向位移云圖如圖6所示.隧道水平位移最大值發(fā)生在拱腰位置,為-3.42mm;隧道拱頂下沉最大值為-9.19mm.與表2中的相對位移限值[5]相比較,隧道模型計算分析水平相對位移限值、拱頂下沉值限值均比規(guī)范規(guī)定的水平相對位移限值和拱頂下沉限值小,整個施工過程安全.

圖4 圍巖豎向位移等值線云圖

圖5 圍巖豎向位移等值線云圖

圖6 圍巖水平位移等值線云圖

表2 雙線隧道初期支護極限相對位移值

圖7 圍巖最大主應(yīng)力等值線云圖

圖8圍巖最小主應(yīng)力等值線云圖

圖7 、圖8為隧道主體二襯施工完成后圍巖最大、最小主應(yīng)力數(shù)值模擬計算結(jié)果等值線云圖,由圖可知,最大主應(yīng)力比巖石單軸抗壓強度標準值小.計算結(jié)果表明:最大主拉應(yīng)力發(fā)生在兩洞的拱肩和仰拱,最大為0.27MPa.隧道洞周圍巖均沒有塑性區(qū)出現(xiàn).

4 與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比

(1)拱頂下沉

拱頂下沉式隧道圍巖應(yīng)力發(fā)展的最直觀最直接的反應(yīng),實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可以初步反應(yīng)圍巖變形的發(fā)展情況、穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)的及時性,是指導(dǎo)施工、確保安全、保證質(zhì)量的重要措施.現(xiàn)收集隧道開挖后布測設(shè)點后三個月的隧道拱頂累計下沉值,如圖9所示.

圖9 拱頂累計下沉累計監(jiān)測值

由上圖可知,隧道在開挖40d后,拱頂下沉逐漸趨于穩(wěn)定,最大位移為-8.3mm,小于模擬計算的結(jié)果(-9.19mm),模擬結(jié)果和實際監(jiān)控數(shù)據(jù)比較符合,整個施工過程是安全的.

(2)水平收斂

隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)反映在隧道斷面的水平凈空收斂上,判定隧道空間的穩(wěn)定性要通過水平凈空收斂的量測來實現(xiàn).確定二次襯砌的最佳施工時機需要根據(jù)水平凈空收斂的位移變化速率來綜合考慮.隧道凈空收斂的量測對安全施工有著重要作用.現(xiàn)收集隧道開挖布測設(shè)點后三個月的隧道凈空位移監(jiān)測值.如圖10所示.

圖10 水平凈空收斂累計監(jiān)測值

由圖可以看出,在隧道斷面開挖后,水平凈空收斂在隧道開挖完成后50d后,隧道凈空收斂逐漸趨于穩(wěn)定,最大為-5.4mm,實際監(jiān)測數(shù)據(jù)小于模擬計算最大水平收斂位移值.實際變形趨勢與計算結(jié)果的趨勢是相一致的,數(shù)值模擬計算結(jié)果是可靠的.

5 結(jié)語

雙島四線淺埋暗挖地鐵車站雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工有限元數(shù)值模擬結(jié)果分析表明:隧道在整個施工工程圍巖的位移、洞周收斂位移數(shù)據(jù)均在允許范圍之內(nèi),隧道在本施工方法和支護參數(shù)條件下,圍巖一直處于穩(wěn)定和安全狀態(tài).因此,在類似的以砂質(zhì)泥巖夾砂巖為主的Ⅳ級圍巖條件下,小凈距大斷面淺埋暗挖地鐵車站采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工是可靠和可行的,為城市類似雙島四線暗挖地鐵車站的施工方法起到了參考作用.

[1]張建強.特大斷面超淺埋立體換乘車站交叉段暗挖施工技術(shù)研究[D].北京:北京北京交通大學(xué),2010.

[2]蔣樹屏.我國公路隧道建設(shè)技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].交通世界,2003.

[3]高海宏.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在繁華城區(qū)超大斷面硬巖車站隧道施工中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2008(2).

[4]鐵道部基本建設(shè)總局.鐵路隧道新奧法指南[M].北京:中國鐵道出版社,1988.

[5]TB10003-2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

責(zé)任編輯:孫蘇,李紅

人居環(huán)境

重慶永川區(qū)著力抓好農(nóng)村人居環(huán)境改善

一是加快農(nóng)村信息化建設(shè)步伐.大力實施農(nóng)村電網(wǎng)改造升級、流動文化服務(wù)進村社、行政村光纖覆蓋和場鎮(zhèn)4G通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋等工程.截至目前,已完成156個行政村光纖覆蓋和22個場鎮(zhèn)4G通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋;農(nóng)村電網(wǎng)改造升級、流動文化服務(wù)進村社完成年度計劃任務(wù)的50%.

二是大力改善農(nóng)村出行條件.改建硬油化農(nóng)村公路33公里,在建185.6公里;建成泥結(jié)石路34公里,在建41公里;新改建病險橋梁3座,在建11座;建成村社便道363.1公里.

三是全力保障農(nóng)村飲水安全.整治山坪塘333口;印發(fā)臨江河流域水生態(tài)綜合治理方案,8個污水處理廠廠區(qū)工程已全面完成,正安裝管網(wǎng),3座病險水庫主體工程已竣工,其余19座完成招投標.

四是扎實推進扶貧幫困.新識別重點幫扶對象1004戶、2933人,并開展節(jié)日慰問;完成精準扶貧接力計劃貧困戶6551戶、15995人的大病醫(yī)療補充保險.

五是提速清潔鄉(xiāng)村行動.場鎮(zhèn)拆違27062.7平方米,完善污水管網(wǎng)9280米,建設(shè)示范院落144處,建設(shè)垃圾池624個,配置垃圾箱1173個,垃圾車39臺;常態(tài)化清漂水庫7497.4畝,清漂河流90.7千米,整治河道29.1千米.

(來源:重慶永川區(qū)城鄉(xiāng)建委)

Application of Double Side Drifts Method in Construction of Metro Station with Closely-spaced Large Sections

Based on an urban metro station construction with undermining method with shallow overburden,this paper studies the feasibility of double side drifts method applied in the metro station construction with closely-spaced large sections.Through finite element numerical simulation,the time and spatial variation rule of the displacement and plastic zone is obtained,and the calculation results and relevant specifications are compared.The results show that under condition ofⅣclass surrounding rock,the arch crown settlement,the horizontal convergence and the development of plastic zone, caused by this construction method,of the tunnelwith closely-spaced large sections are within the allowed scope,and the whole construction safety can be ensured.

urban metro;double side drifts method;numerical simulation;tunnel construction;closely-spaced large sections;undermining method with shallow overburden

TU745.3

:A

:1671-9107(2017)01-0040-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.01.040

2016-10-13

楊翔(1982-),男,重慶人,研究生,高級工程師,主要從事市政交通工程建設(shè)工作.