地鐵車站多工法施工的地層變形研究

周相識(shí)

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,湖南 長沙,411004)

地鐵車站多工法施工的地層變形研究

周相識(shí)

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,湖南 長沙,411004)

以重慶交通軌道環(huán)線冉家壩地鐵車站為工程依托,采用現(xiàn)場監(jiān)控量測方法研究了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖、側(cè)洞法開挖及明挖法施工下的地層變形規(guī)律。結(jié)果表明:3種工法下明挖法引起的地表沉降變形最小,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖次之,側(cè)洞法引起的沉降變形最大;2種暗挖施工下初次開挖擾動(dòng)引起的地層變形最大,占總沉降量的50%以上。分析隧道拱頂變形發(fā)現(xiàn),變形過程可分為左導(dǎo)洞開挖后的快速沉降階段、左右導(dǎo)洞開挖及時(shí)支護(hù)后的過渡變形階段和臨時(shí)支撐拆除后穩(wěn)定變形階段,且2種暗挖工法下的拱頂變形曲線均可由指數(shù)函數(shù)擬合。

隧道工程;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法;側(cè)洞法;地表沉降;監(jiān)控量測

地鐵車站常位于城市中心地帶,通常有埋深淺、斷面大、地質(zhì)條件復(fù)雜且變形要求高等特點(diǎn)。因此車站有時(shí)被迫采用多種工法進(jìn)行施工。各工法施工的相互影響、圍巖的多次擾動(dòng)以及其穩(wěn)定性成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-6]。關(guān)于城市地鐵施工對(duì)地層變形的影響,國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。李淑等[7]通過對(duì)北京地鐵 30個(gè)明挖車站引起的地表變形進(jìn)行研究,認(rèn)為北京城區(qū)地表變形模式為“凹槽形”;田利鋒[8]結(jié)合有限元方法和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)弧形壁和雙側(cè)壁開挖方案進(jìn)行研究,對(duì)比分析了隧道變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力;周倩[9]基于 FLAC3D軟件和監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比研究了側(cè)洞法和洞柱法施工所引起的地層變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性;黃明利等[10]基于現(xiàn)場地層變形監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整隧道支護(hù)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了施工及設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。本文將對(duì)重慶軌道交通環(huán)線冉家壩地鐵車站的3種不同工法施工條件下地層變形進(jìn)行研究,通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析各工法下的地表沉降和拱頂沉降變形規(guī)律,為隧道的安全施工提供保障。

1 工程概況

冉家壩站位于龍山一路與龍山大道交叉口下方,與 5、6號(hào)線換乘。5、6號(hào)線在上沿龍山大道南北向布置,平行換乘。環(huán)線位于5、6號(hào)線下方,沿龍山一路呈東西向布置,與5、6號(hào)線十字換乘。環(huán)線冉家壩站為側(cè)式站臺(tái)車站,站臺(tái)寬度5 m。車站起止里程為CK23+146.502～CK23+391.902,車站總長245.5 m。附屬結(jié)構(gòu)包含2座風(fēng)道及地面風(fēng)亭(不包含風(fēng)井開挖,風(fēng)井作為復(fù)合式TBM吊出井)、2個(gè)疏散通道及4個(gè)站廳至站臺(tái)通道。具體施工內(nèi)容及布置見圖1,縱剖面及斷面見圖2～4。

圖1 冉家壩站平面布置圖

圖2 A區(qū)斷面

圖3 B區(qū)斷面

圖4 C區(qū)斷面

(1)車站主體概況。車站設(shè)計(jì)分為3個(gè)區(qū)段,分區(qū)位置見圖1。車站施工利用兩端風(fēng)井及風(fēng)道作為施工通道進(jìn)入車站兩端A區(qū)(單拱斷面,結(jié)構(gòu)為2層)施工,完成后進(jìn)入B區(qū)(連拱斷面,單層結(jié)構(gòu)),最后進(jìn)入預(yù)留節(jié)點(diǎn)區(qū)域C區(qū)。C區(qū)位于已建6號(hào)線結(jié)構(gòu)下方,采用類似明挖掏挖法進(jìn)行施工,結(jié)構(gòu)與6號(hào)線結(jié)構(gòu)底板連接。車站設(shè)計(jì)詳見表1。

(2)車站附屬概況。車站共設(shè)2座風(fēng)道及地面風(fēng)亭(不包含風(fēng)井開挖)、2個(gè)疏散通道、4個(gè)站廳至站臺(tái)通道。1、2號(hào)風(fēng)道及風(fēng)亭位于車站兩端北側(cè),作為車站施工通道及兩端區(qū)間復(fù)合式TBM吊出井;4個(gè)站廳至站臺(tái)通道分別位于車站B區(qū)南北側(cè),自站臺(tái)層連接站廳層已建通道;1、2號(hào)疏散通道分別位于東、西段B區(qū)北側(cè),通過豎井至地面。

表1 冉家壩站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 監(jiān)控量測分析

結(jié)合設(shè)計(jì)要求及工程特點(diǎn)對(duì)該工程進(jìn)行監(jiān)控量測。監(jiān)測的項(xiàng)目主要有:地下管線變形、重慶廣電中心高層建筑物及臨近建筑物的變形、爆破振動(dòng)、地表沉降、拱頂下沉及側(cè)面收斂量測等。其中地表沉降A(chǔ)區(qū)、B區(qū)于開挖上方每5～20 m布置一組斷面,每組斷面5～10個(gè)測點(diǎn),測點(diǎn)間距5～10 m;C區(qū)于基坑四周布設(shè)測點(diǎn),測點(diǎn)間距10 m。沉降設(shè)計(jì)控制值為地面隆起+10 mm,地面沉降-30 mm。

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法

監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定沉降是反應(yīng)隧道圍巖穩(wěn)定的主要手段之一。通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,預(yù)測地層及圍巖變形速率及最終穩(wěn)定變形值,進(jìn)而為后續(xù)施工提供指導(dǎo)。目前最常用的回歸方程主要有3種:(1)對(duì)數(shù)函數(shù)y=a+b/ln(1+x);(2)指數(shù)函數(shù)y=a(1-e?bx);(3)雙曲線函數(shù)y=x/(a+bx)。式中,a,b為擬合常數(shù)。

2.2 地表沉降結(jié)果分析

選取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工下的CK23+200斷面及側(cè)洞法開挖下CK23+295斷面監(jiān)測結(jié)果,對(duì)不同工法下地層變形規(guī)律進(jìn)行分析。2種工法施工下的地表累計(jì)沉降曲線如圖5所示。由圖5可知,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工條件下,地表最大沉降發(fā)生在隧道中線附近的#1測點(diǎn),沉降值為25.75 mm;側(cè)洞法施工條件下地表最大沉降發(fā)生在左洞中線上方的#1測點(diǎn),最大值達(dá)31.46 mm,大于設(shè)計(jì)控制值30 mm。進(jìn)一步繪制雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和側(cè)洞法下地表沉降隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。由圖6可發(fā)現(xiàn),隧道的初次擾動(dòng)(左導(dǎo)洞的開挖)對(duì)地層變形影響最大,其中左導(dǎo)洞的開挖引起 A區(qū)地表沉降達(dá)-16.45 mm,占總沉降量的58.9%;引起B(yǎng)區(qū)沉降達(dá)-19.17 mm,占總沉降量的50%。而右導(dǎo)洞開挖引起A、B區(qū)的地表沉降分別占29.5%和25.3%。C區(qū)明挖法下地表日沉降曲線如圖7所示。由圖7可知,在基坑四周形成有效支護(hù)結(jié)構(gòu)后,明挖法施工引起的地表沉降變形較小,且日沉降曲線中出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象。

圖5 A區(qū)和B區(qū)地表累計(jì)沉降

圖6 A區(qū)和B區(qū)地表沉降曲線

選取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法斷面CK23+200和側(cè)洞法斷面CK23+295圍巖變形進(jìn)行分析,繪制不同工法下拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。由圖8可知,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí),該斷面的拱頂沉降變形累計(jì)沉降量為25.69 mm,小于該斷面最大地表沉降值;側(cè)洞法施工下拱頂沉降累計(jì)值為34.71 mm,稍大于地表沉降值。2種工法下變形過程均可分為3個(gè)階段:(1)快速變形階段,對(duì)應(yīng)于隧道左導(dǎo)洞開挖后的沉降變形;(2)變形過渡階段,該階段對(duì)應(yīng)于左右導(dǎo)洞開挖后并及時(shí)支護(hù)時(shí)產(chǎn)生的沉降;(3)變形穩(wěn)定階段,對(duì)應(yīng)于臨時(shí)支撐拆除后各圍巖應(yīng)力重新達(dá)到平衡后產(chǎn)生的沉降變形。對(duì)比圖6與圖8發(fā)現(xiàn),拱頂沉降變化曲線的3個(gè)階段與地表沉降變形較為一致。采用前述常用的3種回歸方程分別對(duì)2工法下拱頂數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。擬合結(jié)果顯示指數(shù)函數(shù)為2種工況下的拱頂沉降與時(shí)間曲線的最佳擬合函數(shù)。A區(qū) CK23+200擬合結(jié)果為y=39.8(1-e-0.03x),相關(guān)系數(shù)R2=0.975;B區(qū) CK23+295擬合結(jié)果為y=29.4(1-e-0.028x),相關(guān)系數(shù)R2=0.976。

圖7 C區(qū)地表監(jiān)測沉降—時(shí)間曲線

圖8 拱頂沉降曲線

3 結(jié)論

本文對(duì)重慶軌道交通環(huán)線冉家壩地鐵車站的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖、側(cè)洞法開挖及明挖法施工下的3種工法施工條件下地層變形進(jìn)行了研究。通過冉家壩地鐵車站現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析各工法下的地表沉降和拱頂沉降變形規(guī)律發(fā)現(xiàn):不同工法對(duì)地表變形影響不同,其中明挖法對(duì)地表沉降影響最弱,側(cè)洞法開挖影響最大;隧道的初次開挖擾動(dòng)對(duì)地層變形影響最大,其影響可達(dá)50%以上;暗挖施工下的隧道拱頂沉降曲線可用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行較好地?cái)M合,因此,暗挖施工時(shí)可采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行拱頂沉降預(yù)測。

[1]金鑫,朱文岳.復(fù)雜條件下大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工穩(wěn)定性分析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,13(2):104-107.

[2]周藝,何川,鄒育麟,等.破碎千枚巖隧道施工工法比選試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(3):537-548.

[3]王偉鋒,畢俊麗.軟巖淺埋隧道施工工法比選[J].巖土力學(xué),2007,28(z1):430-436.

[4]史超凡,馬石城.隧道開挖對(duì)既有管線沉降的影響[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,27(3):62-67.

[5]李享松.緊鄰建筑物淺埋暗挖車站的施工技術(shù)[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,28(2):54-59.

[6]丁雄,王超林,余熠,等.某隧道塌方前后的監(jiān)控量測及數(shù)據(jù)分析[J].采礦技術(shù),2014(6):33-35.

[7]李淑,張頂立,房倩,等.北京地鐵車站深基坑地表變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(1):189-198.

[8]田利鋒.復(fù)雜環(huán)境下地鐵暗挖車站雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支撐體系優(yōu)化[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2016,60(7):130-133.

[9]周倩.暗挖大斷面地鐵車站側(cè)洞法和洞柱法施工力學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)理對(duì)比研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.

[10]黃明利,徐飛,伍志勇.城市環(huán)境下 TBM 施工對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的監(jiān)測分析及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(7):1 325-1 333.

(責(zé)任編校:江河)

Research on deformation of surrounding rock of subway station multimethod construction

Zhou Xiangshi
(Hunan Road and Bridge Construction Group Co Ltd,Changsha 411004,China)

As an example of a certain constructing Ranjiaba subway station of Chongqing transit circle line,by site monitoring method,the deformation characteristics of surrounding rock affected by the subway station with multi method construction are studied.The results show that the deformation induced by open cut method induces is smaller than the deformation induced by the double side drift method and side drifts-support method,and the first stratum deformation caused by the two kinds of underground construction is more than 50% of the total settlement.Also,cures of crown settlement ts obtained by in-situ convergence deformation measurement can be characterized into three phase:rapid deformation phase after the left tunneling,transition phase,due to the working of preliminary bracing;and stable convergence phase after the temporary support dismantled.Regression analysis was carried out on the deformation of surrounding rock,and the results show that exponential function fit the dates obtained from in-situ monitoring better than other functions.

Tunnel engineering;double side drift method;side drifts-support method;surface subsidence;Monitoring

U 25

A

1672-6146(2017)02-0073-04

周相識(shí),asan600@126.com。

2016-12-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2017.02.017