深埋地鐵車站通風(fēng)井分層開挖法施工力學(xué)分析

王明均，齊 偉，姚 杰，郭志強，崔文輝

（1.中鐵六局集團有限公司，北京100036；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400045）

1 概述

深埋地鐵車站通風(fēng)結(jié)構(gòu)施工，空間結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，交叉段應(yīng)力集中，是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，同時又是施工的咽喉。因此，只有充分了解該段結(jié)構(gòu)的受力特征和空間施工力學(xué)行為，才能選擇合理的施工方法和有效的加強措施，保證施工質(zhì)量和安全，同時降低造價、提高工效。以往關(guān)于地鐵車站通風(fēng)井施工的數(shù)值模擬研究中，大部分專家學(xué)者研究的多是淺埋車站通風(fēng)結(jié)構(gòu)的施工[1-6]，并取得了較多研究成果，但對于深埋地鐵車站通風(fēng)結(jié)構(gòu)施工的建設(shè)情況、相關(guān)開挖技術(shù)以及襯砌應(yīng)力等方面的研究并不深入。因此，對采用分層開挖法的深埋地鐵車站通風(fēng)井交叉段的變形行為與襯砌應(yīng)力等方面的內(nèi)容進行深入的研究，對促進該類型工程的發(fā)展具有十分重要的作用。

本文依托重慶市軌道交通十號線紅土地車站隧道工程，利用三維有限元分析軟件Midas-GTS(NX)，對地鐵車站通風(fēng)井交叉段的復(fù)雜力學(xué)行為進行研究，為深埋地鐵風(fēng)井分層開挖施工的施工方案優(yōu)化和支護設(shè)計及安全控制提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)值分析模型的建立

分層開挖是風(fēng)井開挖的一種常用方法，它的簡要程序為：首先從上而下開挖并支護風(fēng)井至風(fēng)井最底部，然后施工開挖并支護通風(fēng)道，最后完成通風(fēng)道和風(fēng)井交叉部分的開挖和支護。數(shù)值模擬所建立的模型也遵循這一基本程序。

由于該工程的復(fù)雜性和地層結(jié)構(gòu)的不確定性，為了數(shù)值模擬計算順利有效地進行，在滿足工程精度要求的前提下，做如下假定：

（1）忽略地表和各巖層和土層的起伏和不均勻性，假定地表和各巖土層呈均質(zhì)水平層狀分布；

（2）假定圍巖為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料；

（3）只考慮巖土體的自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力。

2.1 模型及邊界條件

根據(jù)紅土地車站的勘察設(shè)計資料，此次計算將通風(fēng)井影響范圍內(nèi)的地層簡化為6層，從上到下分別為素填土、中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖，厚度分別為4.0m、3.0m、16.0m、20.0m、44.0m和79.0m。模型固定左右邊界和前后邊界上法向的位移，固定底面X、Y、Z方向的位移，模型頂面為自由面，不設(shè)置任何約束。建立的數(shù)值模型范圍為：左邊界取隧道外邊緣側(cè)80m；右邊界取隧道外邊緣側(cè)50m；下邊界取隧道下邊緣75m；上邊界為地表面；沿隧道前進方向取166m，建立的數(shù)值模型劃分網(wǎng)格之后共有161243個單元，45833個節(jié)點，建立的數(shù)值分析模型如圖1所示。

2.2 材料參數(shù)

數(shù)值模擬采用的巖石材料參數(shù)如表1所示。

初期支護結(jié)構(gòu)噴射混凝土參數(shù)為：彈性模量E=3.0×107kPa，泊松比μ=0.2。支護錨桿力學(xué)參數(shù)為：彈性模量E=2.05×109kPa。

圖1 數(shù)值分析模型

3 數(shù)值分析結(jié)果

為分析通風(fēng)道與風(fēng)井交叉段應(yīng)力及變形情況，特選取交叉處風(fēng)道拱頂特征斷面作為分析對象，通過分析研究斷面的圍巖和支護結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力等參數(shù)指標(biāo)隨施工開挖的推進的變化規(guī)律和最值來判斷圍巖和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，分析斷面特征點分布如圖2所示。

圖2 分析斷面位移特征點分布圖

3.1 圍巖位移

（1）圍巖豎向位移。根據(jù)模擬結(jié)果可知，風(fēng)道上部圍巖的豎向位移為負(fù)即發(fā)生向下的沉降，最大沉降值約為3.15mm，發(fā)生在風(fēng)道拱頂處；風(fēng)道下部圍巖的豎向位移為正即發(fā)生向上的隆起，最大的隆起值約為6.32mm，發(fā)生在風(fēng)道的仰拱中心的位置。風(fēng)井的豎向位移較小，以正向位移為主，即發(fā)生向上的隆起，最大的豎向隆起值為5.12mm，發(fā)生在風(fēng)井底部中心的位置。提取通風(fēng)道和風(fēng)井交叉斷面（分析斷面）風(fēng)井收斂值隨施工開挖步距的推進而發(fā)生的變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，隨著風(fēng)井的開挖，特征點由于開挖卸荷的作用發(fā)生向上的隆起，距離點位越近向上隆起速度越快，最大的隆起位移為1.72mm；當(dāng)風(fēng)井開挖到特征點位時，豎向位移發(fā)生突變，由向上的隆起變?yōu)橄蛳碌某两担傮w位移方向依舊向上；當(dāng)通風(fēng)道開挖到風(fēng)井附近時時，測點a位移發(fā)生突變，向下沉降量迅速增大，而其他測點位移變化不明顯，風(fēng)井和通風(fēng)道全部開挖完成后測點a的沉降值為2.1mm。

表1 巖體材料參數(shù)

圖3 特征點圍巖豎向位移隨施工步變化曲線

（2）圍巖水平位移。風(fēng)井和通風(fēng)道全部開挖完成后，通風(fēng)道內(nèi)最大的水平正向位移為2.98mm，發(fā)生在通風(fēng)道轉(zhuǎn)彎后不遠斷面的拱腰位置，最大負(fù)向位移為2.22mm，發(fā)生在通風(fēng)道與風(fēng)井交叉斷面拱腰位置。風(fēng)井短邊的水平位移只出現(xiàn)在風(fēng)井中下部分，而且符號相反，即發(fā)生向內(nèi)的凈空收斂，其中最大的正向位移為1.59mm；最大負(fù)向位移為1.79mm，風(fēng)井短邊的最大凈空收斂值為3.28mm。在風(fēng)井施工過程中，風(fēng)井長邊方向的凈空收斂隨著開挖深度的增加而增大，其中通風(fēng)道和風(fēng)井交叉處斷面水平正向位移為2.64mm，負(fù)向位移為3.67mm，水平凈空收斂為6.31mm。

3.2 圍巖及支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圍巖的主應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性有重大影響，主應(yīng)力的大小與圍巖是否由彈性狀態(tài)進入彈塑性狀態(tài)密切相關(guān)。而支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也直接決定了支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，若應(yīng)力過大那么支護結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)開裂、變形過大等破壞形式，嚴(yán)重影響隧道的安全性和正常使用。

（1）圍巖主應(yīng)力。圍巖的最大主應(yīng)力在該斷面的拱腳處相對較大，而在其他部位相對較小。其中拱腳處的圍巖最大主應(yīng)力值為4.91MPa（壓應(yīng)力），所以在實際施工過程中應(yīng)加強對拱腳的保護和監(jiān)測，避免出現(xiàn)擠壓破壞的情況。風(fēng)井和通風(fēng)道交叉斷面處的圍巖最小主應(yīng)力有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力，除拱頂及少數(shù)仰拱部位圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力外，其他部分均為壓應(yīng)力。最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱頂處為0.37MPa，所以在施工過程中應(yīng)注意保護拱頂，避免其出現(xiàn)拉裂破壞。

（2）支護結(jié)構(gòu)主應(yīng)力。

①支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力。施工完成后初期支護結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，在通風(fēng)道與風(fēng)井交叉的部位和通風(fēng)道的轉(zhuǎn)彎處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中主應(yīng)力最大壓應(yīng)力為16.98MPa，出現(xiàn)在通風(fēng)道與風(fēng)井交叉截面的拱腳處；最大拉應(yīng)力為1.41MPa，發(fā)生在通風(fēng)道轉(zhuǎn)角斷面的仰拱中心位置。初期支護采用的混凝土抗拉強度為1.27MPa，而主應(yīng)力的最大拉應(yīng)力已經(jīng)超過混凝土的抗拉強度，所以在施工過程中應(yīng)更加重視通風(fēng)道和風(fēng)井交叉段和通風(fēng)道轉(zhuǎn)彎處的施工，以免由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生不良后果。

當(dāng)特征點位斷面支護結(jié)構(gòu)施工完成后時，其最大主應(yīng)力均迅速增大，變化曲線斜率陡增，隨施工的進行而又迅速趨于穩(wěn)定。在風(fēng)道開挖前期特征點變化量很小，而當(dāng)風(fēng)道開挖至交叉斷面時，特征點a最大主應(yīng)力發(fā)生突變，由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，應(yīng)力值迅速增大隨后又趨于穩(wěn)定，最終的穩(wěn)定值為2.0MPa（壓應(yīng)力）。當(dāng)風(fēng)道開挖至交叉斷面時，特征點c、d變化曲線斜率增大，應(yīng)力值逐漸減小后又趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定值為2.1MPa（壓應(yīng)力）。風(fēng)道施工對特征點b處的最大主應(yīng)力的影響較小。

②支護結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力。特征點處支護結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力隨施工步序的變化曲線如圖4所示。

初期支護結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，其中最大拉應(yīng)力為7.62MPa，發(fā)生在通風(fēng)道的轉(zhuǎn)角斷面的拱腰位置，而在通風(fēng)道與風(fēng)井的交叉部分最大的拉應(yīng)力也達到7.54MPa，均超過混凝土的抗拉強度，所以在施工過程中應(yīng)足夠重視應(yīng)力集中的影響，加強防范。最小主應(yīng)力的壓應(yīng)力一般分部在通風(fēng)道外側(cè)，最大值為2.37MPa，不會引起支護結(jié)構(gòu)的破壞。

當(dāng)特征點位斷面支護結(jié)構(gòu)施工完成后時，其最小主應(yīng)力均迅速增大，變化曲線斜率陡增，隨施工的進行而又迅速趨于穩(wěn)定。隨著風(fēng)道的逐步開挖，特征點位的最小主應(yīng)力均緩慢減小，當(dāng)風(fēng)道開挖至交叉斷面時，特征點a應(yīng)力值發(fā)生突變，其值迅速增大隨后又趨于穩(wěn)定，最終的穩(wěn)定值為5.0MPa（拉應(yīng)力）。當(dāng)風(fēng)道開挖至交叉斷面時，特征點c、d變化曲線斜率增大，應(yīng)力值逐漸減小后又趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定值為2.5MPa（拉應(yīng)力）。風(fēng)道施工對特征點b處的最大主應(yīng)力的影響較小。4個點位的應(yīng)力值均已經(jīng)超過混凝土的抗拉極限強度，混凝土有被拉裂破壞的可能，所以在施工過程中應(yīng)特別注意避免交叉斷面應(yīng)力集中帶來的不良后果。

圖4 支護結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力隨施工步距變化曲線圖

3.3 圍巖塑性區(qū)

圍巖塑性區(qū)大體分布在通風(fēng)道和風(fēng)井的下部，其中通風(fēng)道與風(fēng)井的交叉處部分圍巖已經(jīng)失效，有失穩(wěn)破壞的可能，通風(fēng)道轉(zhuǎn)角處和其他部分有零星圍巖失效，所以在施工過程應(yīng)減小對交叉處和通風(fēng)道轉(zhuǎn)角處圍巖的擾動，加強圍巖的保護，及時施作支護結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

（1）通風(fēng)道的開挖對交叉段風(fēng)井的空間位移影響顯著。交叉口處風(fēng)井水平位移變化量相對較小，而沉降位移變化量較大，應(yīng)引起足夠重視。

（2）通風(fēng)道的開挖對風(fēng)井下部支護結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力影響較大，以拉應(yīng)力為主，其值超過混凝土的抗拉強度，所以在施工過程中應(yīng)足夠重視應(yīng)力集中的影響，加強防范。

（3）風(fēng)井和通風(fēng)道的交叉斷面處圍巖和支護結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力值均比較大，且塑性區(qū)也主要集中在交叉斷面，說明應(yīng)力集中現(xiàn)象在這斷面較明顯，施工時應(yīng)特別注意應(yīng)力集中帶來的不良后果，加強監(jiān)測和防護。

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