新建換乘通道密貼下穿既有地鐵車站施工工序優(yōu)化*

有智慧 苗龍剛 農(nóng)興中 江永旺 郭宏博 章慧健

(1.廣州地鐵設(shè)計院股份有限公司，510010，廣州；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，610031，成都 ∥ 第一作者，高級工程師)

隨著城市軌道交通線網(wǎng)的不斷加密，新建地鐵線路穿越既有線路的交叉換乘問題越來越多[1]。目前，無論是單一隧道施工還是隧道鄰近既有結(jié)構(gòu)物施工，對于采用多分部開挖的隧道工程，施工工序均是重難點問題之一。文獻[2]以深圳地鐵3號線紅嶺中路站—老街站區(qū)間重疊盾構(gòu)隧道為背景，對該區(qū)間隧道的施工工序進行了數(shù)值模擬分析，并根據(jù)現(xiàn)場具體施工情況得出了優(yōu)選工法。文獻[3]對采用CRD(交叉中隔墻)法施工的大跨度連拱隧道施工工序進行了研究，根據(jù)洞內(nèi)位移控制效果與支護承載情況比選出最優(yōu)施工工序。文獻[4]采用FLAC3D軟件對某新建地鐵淺埋暗挖矩形隧道各導洞不同開挖順序的施工方案進行數(shù)值模擬，通過對比分析地表沉降、隧道拱頂沉降、底板隆起位移、初期支護內(nèi)力等指標，選出最優(yōu)施工方案。文獻[5]根據(jù)動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)化原理，以地表沉降作為目標函數(shù)，對每個開挖階段的目標函數(shù)值進行比較分析，從而選出最優(yōu)施工工序。文獻[6-11]對近距離穿越既有地鐵線路進行了研究。

上述研究成果中隧道施工工序優(yōu)化主要集中在單一洞室，而針對近接施工的新建工程工序優(yōu)化方面的成果則較少，且因地質(zhì)差異以及近接方式和近接程度的不同，既有成果也未必能被簡單套用。本文以成都地鐵8號線(以下簡為“8號線”)倪家橋站換乘通道在砂卵石地層中大跨度、零距離密貼下穿既有地鐵1號線(以下簡為“1號線”)倪家橋站為工程背景，采用數(shù)值模擬方法對比分析了新建換乘通道采用的不同開挖順序?qū)扔熊囌?、新建工程及圍巖介質(zhì)的影響。

1 工程概況

1.1 新建換乘通道和既有地鐵車站的相對位置關(guān)系

圖1 新建8號線倪家橋站換乘通道與既有1號線倪家橋站的相對位置關(guān)系

1.2 支護參數(shù)

新建8號線倪家橋站換乘通道采用平頂直墻、多分部暗挖施工，在下穿暗挖段起訖處施作馬頭門；初期支護采用H型鋼+鋼筋網(wǎng)+噴射C25混凝土；二次襯砌采用模筑C35鋼筋混凝土。既有1號線倪家橋站的墻、板、梁均為C30鋼筋混凝土，中柱為C40鋼筋混凝土。詳細支護參數(shù)如表1所示。

表1 既有車站和新建換乘通道支護參數(shù)

1.3 施工工序

新建8號線倪家橋站換乘通道采用分層分塊的多部開挖法，擬定如圖2所示的3種不同施工工序進行對比研究?？傮w而言，3種工況下?lián)Q乘通道均分為5條帶，每一條帶又分為上、下兩個臺階，臺階長度均為18 m，開挖步距為1 m。每一步開挖后及時施作初期支護，初期支護施作完成后，整體施作二次襯砌，最后拆除中隔壁。

圖2 新建 8號線倪家橋站換乘通道開挖工況

2 數(shù)值模擬計算

2.1 計算模型

計算模型如圖3所示。計算范圍為：沿暗挖方向模型寬度取21.0 m，縱向長度取125.0 m，豎向自結(jié)構(gòu)底部取36.6 m，頂部取至地表。模型前、后、左、右邊界施加相應方向的水平約束，下邊界施加豎向約束，上邊界為自由面。初始應力僅考慮自重應力場的影響。圍巖、支護結(jié)構(gòu)均采用實體單元模擬，分別服從Mohr-Coulomb準則和彈性準則。

圖3 計算模型

2.2 計算參數(shù)

計算模型中的地層分布自上而下依次為：雜填土、細砂、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、強風化泥巖、中等風化泥巖。土層厚度及相關(guān)物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 地層物理力學參數(shù)

既有地鐵車站和新建換乘通道的支護結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表3所示。需要說明的是：初期支護中的鋼拱架(H型鋼)作用按其彈性模量折算成噴射混凝土考慮。具體計算方法為：

表3 既有1號線倪家橋站和新建8號線倪家橋站換乘通道計算參數(shù)

(1)

式中：

E——折算后的混凝土彈性模量；

提高煙葉質(zhì)量安全是促進黔東南州煙草產(chǎn)業(yè)持續(xù)、健康、穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。保障煙草質(zhì)量安全需要從源頭抓起，科學合理地使用甚至不使用農(nóng)藥，減少煙葉的農(nóng)藥殘留量。為此，該研究提出了增強煙農(nóng)整體素質(zhì)，大力開展綠色防控技術(shù)，強化技術(shù)指導，通過試驗篩選出高效低毒低殘留的農(nóng)藥，廣泛開展農(nóng)藥殘留量檢測等建議。

E0——原混凝土彈性模量；

Sg——鋼拱架截面積；

Eg——鋼材彈性模量；

Sc——混凝土截面積。

2.3 計算結(jié)果

2.3.1 既有地鐵車站底板沉降

以距離開挖起點5.15 m的斷面為考察斷面，提取每一個導洞通過該斷面后引起的既有車站底板沉降值，如圖4所示。

由圖4可知：①工況1下，當導洞4-2開挖至5.15 m時，既有車站底板出現(xiàn)上抬現(xiàn)象，最大上抬值為0.35 mm；工況2和工況3下，當導洞3-2開挖至5.15 m時，既有車站底板亦出現(xiàn)上抬趨勢，最大上抬值分別為0.61 mm和0.39 mm。②換乘通道施工完成后，既有車站底板沉降呈非對稱分布，最大沉降值發(fā)生在換乘通道中心線左側(cè)。③工況1下，既有車站底板最大沉降值為4.72 mm；工況2和工況3下，既有車站底板最大沉降值分別為4.90 mm和4.86 mm。

圖4 既有1號線倪家橋站底板沉降曲線

導洞開挖期間，工況1、2、3下既有車站底板的最大沉降值分別為3.33 mm、3.84 mm、3.54 mm，占總沉降值的比例均在70%以上。由此可見，換乘通道施工引起的既有車站底板沉降大部分發(fā)生在導洞開挖期間，故工況1對控制既有車站底板沉降更具優(yōu)勢。

2.3.2 新建換乘通道初期支護變形

以距離開挖起點5.15 m的斷面為考察斷面，在換乘通道施工完成后，提取換乘通道初期支護的變形量，如圖5所示。

由圖5可知，換乘通道初期支護頂板沉降基本均勻分布，工況1下頂板的最大沉降值為4.66 mm，工況2和工況3下頂板的最大沉降值分別為4.74 mm和4.61 mm，由此可見，3種工況下?lián)Q乘通道頂板的沉降值相差不大；各工況下底板隆起分布基本一致，在初期支護中隔壁附近，底板隆起量明顯小于各導洞跨中的隆起量；工況1下底板最大隆起量為9.04 mm，工況2和工況3下底板最大隆起量分別為9.83 mm和9.20 mm，由此可知，工況1下底板最大隆起量分別為工況2和工況3下的92.0%和98.3%；換乘通道初期支護左右側(cè)墻的水平位移均較小，左側(cè)墻的水平位移大于右側(cè)墻的水平位移。由此可見，對于換乘通道初期支護變形控制而言，工況1更具優(yōu)勢。

圖5 新建8號線倪家橋站換乘通道初期支護橫斷面變形圖

2.3.3 圍巖塑性區(qū)分布

圖6為距開挖起點5.15 m處換乘通道橫斷面方向的圍巖塑性區(qū)分布圖。由圖6可知，換乘通道開挖后，圍巖塑性區(qū)主要表現(xiàn)為剪切變形，且分布在換乘通道兩側(cè)墻外的圍巖中；換乘通道底板下部圍巖塑性區(qū)主要表現(xiàn)為拉伸變形。統(tǒng)計3種工況下圍巖塑性區(qū)范圍，如表4所示。

圖6 圍巖塑性區(qū)

表4 圍巖塑性區(qū)體積 單位:m3

由表4可知，工況1下，圍巖剪切塑性區(qū)體積為1 089.03 m3；工況2和工況3下，圍巖的剪切塑性區(qū)體積分別為1 213.10 m3和1 134.93 m3，工況1下的剪切塑性區(qū)體積分別為工況2和工況3下的89.8%和96.0%；工況1下圍巖總的塑性區(qū)體積為1 718.07 m3，工況2和工況3下圍巖總的塑性區(qū)體積分別為1 823.37 m3和1 758.94 m3，工況1的總塑性區(qū)體積分別為工況2和工況3下的94.2%和97.7%。由此可見，工況1下由新建換乘通道施工產(chǎn)生的圍巖塑性區(qū)體積最小。

3 結(jié)論

1) 從既有車站底板附加變形指標來看，3種工況下既有車站底板沉降呈非對稱分布，工況1下的底板最大沉降值為4.72 mm，工況2和工況3下的底板最大沉降值分別為4.90 mm和4.86 mm，工況1對既有車站底板的沉降控制更具優(yōu)勢。

2) 從新建換乘通道初期支護變形指標來看，頂板沉降值相差不大；底板隆起分布基本一致，在中隔壁附近的底板隆起量小于各導洞跨中的隆起量；工況1下底板的最大隆起量為9.04 mm，工況2和工況3下底板的最大隆起量分別為9.83 mm和9.20 mm，工況1下底板的最大隆起量分別占工況2和工況3下的92.0%和98.3%；工況1下?lián)Q乘通道初期支護變形更小。

3) 從圍巖塑性區(qū)來看，3種工況下圍巖塑性區(qū)分布基本一致，兩側(cè)壁外側(cè)主要為圍巖剪切塑性區(qū)，底板下部主要為圍巖拉伸塑性區(qū)。從量值上看，采用工況1施工產(chǎn)生的圍巖塑性區(qū)體積在3種工況中最小，分別為工況2和工況3下的94.2%和97.7%。

4) 3種工況均能滿足施工安全需求，工況1相對最優(yōu)。