基于數(shù)值分析的區(qū)間渡線段隧道變截面施工方案比選

付軍恩

（中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300）

1 引言

隨著我國城市地鐵網(wǎng)的不斷完善，各種滿足不同使用功能的復(fù)雜大跨度地下結(jié)構(gòu)形式，以及合分修設(shè)計(jì)在城市地鐵建設(shè)中被越來越多使用［1］。將隧道由原來合修的單洞轉(zhuǎn)換到分開修建的雙洞，兩段之間必須采用合適的過渡段［2-4］。過渡段一般采用漸變方式，其斷面尺寸遠(yuǎn)大于普通隧道段，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；且當(dāng)隧道穿過巖層條件較差的地段時(shí)，導(dǎo)致其施工難度及安全風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。城市地鐵隧道施工有嚴(yán)格的變形控制要求［5］，選擇合理的施工方案和工程輔助措施尤為重要［6-8］。本文依托沈陽地鐵9號(hào)線奧體中心站 奧體東站區(qū)間渡線段，探討區(qū)間渡線段隧道變截面的施工方案。

沈陽地鐵9號(hào)線奧體中心站 奧體東站區(qū)間右線DK23+655和DK24+163.356處分別設(shè)置1、2號(hào)施工豎井。其中2號(hào)豎井設(shè)置在區(qū)間渡線處，主要為減小渡線處礦山法大斷面施工風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)工程設(shè)計(jì)文件，區(qū)間右線自2號(hào)橫通道向奧體東站走向，渡線隧道自2號(hào)橫通道向東偏南走向，在隧道向東走向放線延長14.575 m，與區(qū)間右線隧道交匯合并成大斷面施工。圖1給出了2號(hào)橫通道、渡線隧道和區(qū)間隧道的平面位置關(guān)系。

圖1 工程區(qū)間結(jié)構(gòu)平面

如何保障斷面轉(zhuǎn)換區(qū)間的施工安全與施工質(zhì)量是本區(qū)間工程的重難點(diǎn)［9］。為保障過渡段的施工，必須在施工中重點(diǎn)考慮應(yīng)力狀態(tài)的變化及洞室之間的相互影響［10-12］。因此，研究區(qū)間渡線段隧道變截面施工方案，對降低施工風(fēng)險(xiǎn)、提高施工效率具有重要意義。

2 渡線段隧道變截面施工分析

該區(qū)間段工程施工有兩種施工方案。方案一:從2號(hào)橫通道向奧體東站方向施工；方案二:從奧體東站向2號(hào)橫通道施工（見圖2）。

在從2號(hào)橫通道向奧體東站施工方案中，區(qū)間右線隧道和渡線隧道向東施工，在設(shè)計(jì)位置交匯，然后向東隧道截面逐步減小施工至奧體東站。該方案區(qū)間右線隧道和渡線隧道在逐漸合并過程中，按照計(jì)算挑高和坡度逐步放大截面施工，直至設(shè)計(jì)合并截面處，涉及到4次縮小隧道截面的施工過程。從奧體東站向2號(hào)橫通道施工，同樣涉及到4次隧道擴(kuò)大截面的施工，直至區(qū)間右線和渡線隧道分離處，總體上施工難度較大。

圖2 渡線段隧道變截面施工方案

根據(jù)區(qū)間隧道凈跨、所處的地層情況、結(jié)構(gòu)斷面形式，暗挖隧道存在11種斷面形式，20多處斷面變化點(diǎn)，采用三種工法施工，即臺(tái)階法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。根據(jù)工程總體施工部署的施工順序可知，按大小方向，斷面轉(zhuǎn)換分為兩類:一類是由大斷面向小斷面的過渡轉(zhuǎn)換；另一類是由小斷面向大斷面的過渡轉(zhuǎn)換。根據(jù)目前相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，隧道從小截面向大截面施工難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高；在大截面隧道上進(jìn)行小截面隧道的施工相對容易。因此渡線段隧道變截面施工中，施工方案一經(jīng)歷1次隧道截面小到大、4次隧道截面大到小的施工；施工方案二經(jīng)歷1次隧道截面大到小，4次隧道截面小到大的施工。綜合比較可知施工方案二在施工中整體上的實(shí)施難度和操作難度大于施工方案一，但是施工方案一在渡線隧道和區(qū)間右線隧道合并處涉及到兩個(gè)小截面隧道合并成一個(gè)大截面隧道的問題，是整個(gè)渡線段施工的重難點(diǎn)，值得深入研究分析。

3 數(shù)值模擬分析

為了更好地研究不同隧道施工方案對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，借助數(shù)值模擬的手段對兩種方案的施工進(jìn)行仿真分析，并對結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)而確定合理的施工方案。

圖3 三維有限元模型

3.1 模型建立

采用Midas GTS／NX巖土有限元軟件對沈陽地鐵9號(hào)線十六標(biāo)段2號(hào)橫通道渡線段隧道變截面施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖3為三維有限元模型，其中2號(hào)橫通道向奧體東站方向?yàn)閄軸正方向，垂直線路走向?yàn)閅軸方向，豎直方向?yàn)閆軸方向。模型在X軸、Y軸、Z軸方向上的尺寸分別為27.7 m、50 m、27 m。地層土體材料以摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行定義，地層為砂礫復(fù)合地層屬性，采用3D網(wǎng)格進(jìn)行劃分。豎井、橫通道和區(qū)間隧道的襯砌（厚度為30 cm）采用板單元進(jìn)行模擬，2D網(wǎng)格進(jìn)行劃分。模型材料的屬性見表1。

表1 模型材料屬性參數(shù)

3.2 施工步驟模擬

對兩種施工方案的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬。施工方案一為從2號(hào)橫通道向奧體東站施工；施工方案二為從奧體東站向2號(hào)橫通道施工。施工方案一數(shù)值模擬步驟為:

第1步:在地層、豎井和橫通道襯砌激活的狀態(tài)下進(jìn)行位移清零，模擬施工前地層沉降狀態(tài)。

第2步:橫通道對應(yīng)區(qū)間右線隧道上臺(tái)階部分襯砌破除，區(qū)間右線隧道的一次開挖進(jìn)尺為1 m，鈍化（殺死）右線隧道第一次開挖的土體單元。

第3步:在上步驟中開挖出的輪廓面上架設(shè)型鋼鋼架并進(jìn)行初噴支護(hù)，即激活對應(yīng)位置的型鋼鋼架單元和初襯單元。同時(shí)進(jìn)行第二次土體開挖，即鈍化（殺死）右線隧道上臺(tái)階的第二次開挖土體單元。

第4步:在右線隧道第二次開挖出的土體輪廓面上架設(shè)型鋼鋼架并進(jìn)行初噴支護(hù)，激活對應(yīng)位置的型鋼鋼架單元和初襯單元。同時(shí)進(jìn)行第三次土體開挖，即鈍化（殺死）右線隧道的第三次開挖土體單元。

重復(fù)以上步驟。當(dāng)進(jìn)行到第6步驟時(shí)，右線隧道已經(jīng)開挖5 m，同時(shí)開始右線隧道下臺(tái)階的施工。

當(dāng)進(jìn)行到第11步驟時(shí)，開始進(jìn)行橫通道對應(yīng)渡線隧道部分襯砌的破除并進(jìn)行渡線隧道上臺(tái)階的施工。當(dāng)施工進(jìn)行到第16步驟，進(jìn)行渡線下臺(tái)階隧道的施工。

大截面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。區(qū)間右線隧道上臺(tái)階施工至渡線隧道與區(qū)間右線隧道設(shè)計(jì)合并處轉(zhuǎn)右側(cè)壁上導(dǎo)坑施工；區(qū)間右線隧道下臺(tái)階施工至設(shè)計(jì)位置轉(zhuǎn)右側(cè)壁下導(dǎo)坑施工。渡線隧道上臺(tái)階施工至設(shè)計(jì)位置轉(zhuǎn)左側(cè)壁上導(dǎo)坑施工；渡線隧道下臺(tái)階施工至設(shè)計(jì)位置轉(zhuǎn)左側(cè)壁下導(dǎo)坑施工。

施工方案二先進(jìn)行大斷面隧道施工，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，施工工序見圖4。當(dāng)先行導(dǎo)坑施工至變截面設(shè)計(jì)處轉(zhuǎn)區(qū)間右線隧道或渡線隧道的上下臺(tái)階施工。

圖4 大截面隧洞導(dǎo)坑施工順序

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 襯砌結(jié)構(gòu)沉降位移分析

圖5給出了施工方案一和施工方案二施工完成后隧道襯砌的沉降位移云圖。根據(jù)圖5可知施工方案一和施工方案二造成襯砌的最大沉降位置均發(fā)生在大截面隧道的拱頂處。施工方案一襯砌產(chǎn)生沉降的區(qū)域比施工方案二稍大，但是施工方案二襯砌的最大沉降量為-4.15 mm，大于施工方案一產(chǎn)生的最大沉降量-3.63 mm。施工方案一和施工方案二均會(huì)造成大截面隧道仰拱產(chǎn)生一定量的隆起，隆起量分別為3.25 mm和3.20 mm，相差不大。對比襯砌沉降位移云圖可知，施工方案二中仰拱的隆起主要發(fā)生在中導(dǎo)坑下臺(tái)階處；而施工方案一中雙側(cè)壁下導(dǎo)坑的仰拱也產(chǎn)生一定量的隆起。

圖5 隧道襯砌沉降位移云圖

對大截面隧道的拱頂提取測點(diǎn)測量值進(jìn)行沉降位移分析。測點(diǎn)提取位置見圖6所示。圖7給出了施工方案一和施工方案二中測點(diǎn)的沉降趨勢圖。根據(jù)圖7可知，在施工方案一和施工方案二中，中導(dǎo)坑上臺(tái)階的施工造成的沉降占據(jù)了仰拱沉降的大部分；施工方案二中由于導(dǎo)坑的施工和右線隧道或渡線隧道一起施工的原因造成的沉降比施工方案一大。

圖6 測點(diǎn)提取位置

圖7 測點(diǎn)沉降趨勢圖

4.2 夾土層圍巖位移變形分析

渡線隧道和區(qū)間右線隧道在合并施工的過程中，兩隧道間距越來越小，隧道間軟弱夾土層的穩(wěn)定性受到影響。圖8為兩種施工方案完成后隧道圍巖的位移變形云圖。

圖8 隧道圍巖位移變形云圖

根據(jù)圖8對比分析可知，橫通道和大截面隧道間圍巖上部發(fā)生的沉降變形較小，下部圍巖發(fā)生的變形較大。施工方案一造成夾土層變形量一般在0～2.18 mm之間；施工方案二造成夾土層變形量一般在0～2.49 mm之間，且對于沉降面積，施工方案二大于施工方案一，說明施工方案二造成夾土層的變形影響較大。

圖9給出了施工方案一和施工方案二相同塑性指標(biāo)下的塑性區(qū)分布。根據(jù)圖9可知施工方案二的圍巖塑性區(qū)明顯大于施工方案一的圍巖塑性區(qū)，施工方案二的右線隧道和左線隧道間的軟弱夾土層的變形區(qū)域比施工方案一大，由此說明施工方案一能更好地保持隧道間軟弱夾土層的穩(wěn)定。

圖9 圍巖塑性區(qū)分布

4.3 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖10和圖11分別給出了施工方案一和施工方案二施工完成后襯砌的主應(yīng)力分布云圖。根據(jù)圖10和圖11對比可知，施工方案一和施工方案二造成襯砌的最大主應(yīng)力分別為3.722 MPa和4.495 MPa，最大主應(yīng)力均分布在變截面處大截面隧道拱頂位置。施工方案一和施工方案二的最小主應(yīng)力分別為-6.977 MPa和-6.282 MPa，相差不大。施工方案一和施工方案二的右線隧道拱腰位置最小主應(yīng)力最大。綜合分析可知施工方案一和施工方案二造成最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的差別并不大，控制應(yīng)力分布的大小和位置均較為相似。

圖10 施工方案一施工完成襯砌主應(yīng)力分布云圖

圖11 施工方案二施工完成襯砌主應(yīng)力分布云圖

綜上分析可知施工方案一在對隧道襯砌的沉降控制和圍巖變形的控制上均優(yōu)于施工方案二，即區(qū)間右線隧道和渡線隧道合并的過程中，優(yōu)先選用從橫通道向大截面隧道施工的方案。結(jié)合大截面隧道4次變截面施工可知，施工方案一需進(jìn)行4次大轉(zhuǎn)小截面施工；施工方案二需進(jìn)行4次小轉(zhuǎn)大截面施工。綜合比較施工方案一優(yōu)于施工方案二。

5 結(jié)論

本章以沈陽地鐵9號(hào)線十六標(biāo)段2號(hào)豎井橫通道至右線DK24+233.956奧體東站車站中間的單渡線隧道施工為工程背景，通過理論分析和數(shù)值模擬，優(yōu)化了單渡線隧道施工方案，研究了單渡線隧道和區(qū)間右線隧道由雙線雙洞大斷面小凈距隧道處合并成大截面單洞隧道開啟單渡線段隧道的施工對策，得出了以下結(jié)論:

（1）針對沈陽地鐵9號(hào)線十六標(biāo)段2號(hào)豎井橫通道至右線DK24+233.956奧體東站車站中間的單渡線隧道的工程概況，提出了施工方案一“從2號(hào)橫通道向奧體東站方向施工”和施工方案二“從奧體東站向2號(hào)橫通道施工”兩種施工方案。施工方案一經(jīng)歷1次隧道截面小到大、4次隧道截面大到小的施工；施工方案二經(jīng)歷1次隧道截面大到小，4次隧道截面小到大的施工。綜合比較可知施工方案二在施工中整體上的實(shí)施難度和操作難度大于施工方案一。

（2）通過數(shù)值模擬兩種施工方案發(fā)現(xiàn)，施工方案一和施工方案二造成襯砌的最大沉降位置均發(fā)生在大截面隧道的拱頂處，施工方案一產(chǎn)生的最大沉降量-3.63 mm，施工方案二造成襯砌的最大沉降量為-4.15 mm。通過對比兩種施工方案引起的圍巖變形量發(fā)現(xiàn)，采用施工方案一開挖施工時(shí)，夾土層最大變形量為2.18 mm，而施工方案二則達(dá)到2.49 mm，且施工方案二沉降量大的區(qū)域面積大于施工方案一。施工方案一在對隧道襯砌的沉降控制和圍巖變形的控制上均優(yōu)于施工方案二。