施工通道與站臺隧道三岔口段施工方法及力學(xué)行為研究

王景春，張?zhí)礻懀醣A，李曉峰

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.南寧軌道交通有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，各大中城市原有的交通規(guī)模已經(jīng)無法滿足城市繼續(xù)發(fā)展需求。地鐵受外部環(huán)境影響小、運(yùn)輸速度快且不占用城市地面空間資源，修建城市地鐵成為解決交通擁堵的有效辦法。地鐵隧道施工中橫通道與主線隧道交叉處三岔口段施工工序復(fù)雜，圍巖受力轉(zhuǎn)換頻繁[1?5]，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此有必要對三岔口段的施工方法及受力特征進(jìn)行分析研究。隨著地鐵隧道的快速發(fā)展，三岔口施工技術(shù)也隨之成熟，按施工特點(diǎn)主要可分為臺階擴(kuò)挖法、大包法及小包法等[6?8]。借鑒上述施工方法在以往工程中的應(yīng)用，羅彥斌等[9]以哈爾濱天恒山隧道為工程背景，探究斜交橫通道施工對主隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明隧道交叉口銳角一側(cè)為襯砌的薄弱點(diǎn)，在施工中要給與重視。焦華喆等[10]針對隧道斜井進(jìn)主洞斷面差距大，施工復(fù)雜等問題展開研究，利用ABAQUS有限元軟件直觀模擬了隧道三岔口段臺階擴(kuò)挖法施工圍巖應(yīng)力分布情況，并結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)預(yù)測最終位移值。章劍等[11]以八蘇木隧道土卜子斜井施工為依托，模擬小包法施工過程圍巖塑性區(qū)發(fā)展過程及規(guī)律，用于指導(dǎo)實(shí)際施工支護(hù)，使施工過程更安全可靠。李亞勇等[12]以重慶市鳳天路地鐵車站為依托，對比門形爬坡法和扇形擴(kuò)挖法施工引起的圍巖位移、應(yīng)力及塑性區(qū)分布，發(fā)現(xiàn)扇形擴(kuò)挖法較門形爬坡法更適合隧道轉(zhuǎn)換段施工。史振宇[13]以包家山隧道挑頂施工為工程背景，制定了詳細(xì)的支護(hù)及監(jiān)測施工方案，為斜井挑頂施工提供了新思路。饒軍應(yīng)等[14]利用彈塑性理論圓形孔口應(yīng)力計(jì)算方法，推導(dǎo)出隧道交叉三岔口處圍巖穩(wěn)定性計(jì)算理論，得出了輔助通道修建跨度的安全范圍。目前國內(nèi)外學(xué)者對隧道三岔口段施工的研究多聚焦于圍巖條件較好的淺埋隧道，針對施工通道和主隧道正交，且處于不良圍巖條件下深埋隧道三岔口施工的研究較少，本文以南寧軌道交通3號線青秀山地鐵車站為工程背景，分析對比設(shè)計(jì)中常用的大包法和小包法2種施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為今后三岔口施工提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況及三岔口段施工方法

1.1 工程概況

青秀山站是南寧軌道交通3號線從北到南的第17個(gè)車站，車站起點(diǎn)里程YDK20+044.918，車站終點(diǎn)里程為YDK20+229.618，車站有效站臺中心里程YDK20+118.218，總長184.7 m。

青秀山隧道先施工左線站臺隧道，施工至里程Y(Z)DK20+143.118處由橫通道轉(zhuǎn)向右線站臺隧道。站臺隧道與橫通道埋深約47 m，屬深埋隧道，埋置的主要巖層為泥質(zhì)粉砂巖地層，強(qiáng)度一般，支護(hù)要求高，不利于隧道施工。

橫通道段按V級圍巖支護(hù)，橫通道斷面形式、尺寸及支護(hù)參數(shù)如圖1所示，采用超前注漿小導(dǎo)管和自進(jìn)式大管棚進(jìn)行超前支護(hù)，初期支護(hù)參數(shù)為：厚度350 mm C25噴射混凝土；Φ8鋼筋網(wǎng)，間距150 mm×150 mm，Φ25中空注漿錨桿14根(環(huán)0.5 m×縱1.0 m)，梅花形布置；格柵鋼架間距1.0 m/榀；站臺隧道段和橫通道段支護(hù)形式一致，站臺隧道斷面形式、尺寸及支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖1 橫通道襯砌斷面Fig.1 Cross-section of the lining of the cross passage

圖2 站臺隧道襯砌斷面Fig.2 Cross-section of the lining of the station tunnel

1.2 三岔口段施工方法

由于大包法三岔口施工在工程中已十分普遍[15]，故主要說明小包法施工過程。小包法是在大包法基礎(chǔ)上改進(jìn)形成的一種施工方法，大包法小導(dǎo)洞的開挖高度與開挖長度均大于站臺隧道的開挖輪廓線，在小包法施工中，小導(dǎo)洞開挖只需上包站臺隧道上臺階，在保證工程安全的情況下簡化了施工步驟，加快施工進(jìn)度。小包法具體施工步驟如下：

1)橫通道上臺階掌子面施工至距正線開挖輪廓線1～2 m位置時(shí)，及開挖圖3所示的第①部分，準(zhǔn)備挑頂施工，隧道挑頂進(jìn)洞前需先進(jìn)行超前支護(hù)，打設(shè)雙排小導(dǎo)管跨過正線隧道拱頂上方約1 m位置。橫通道與站臺隧道相交處需密排5榀格柵架進(jìn)行鎖固加強(qiáng)支護(hù)。

2)垂直正洞進(jìn)行導(dǎo)洞施工，開挖圖3所示的第②部分，采用約12%的坡度施做先行導(dǎo)洞，爬高至正線隧道拱頂以上1 m高位置，再降低導(dǎo)洞高度，施做至正線隧道邊墻。導(dǎo)洞寬度3.0 m，開挖時(shí)預(yù)留核心土，每次開挖0.6 m，采用I18工字鋼門式鋼架進(jìn)行支護(hù)，導(dǎo)洞拱頂采取圓弧形式上挑以利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)洞底部采用混凝土鋪底，門式鋼架腳部需打設(shè)鎖腳錨桿。導(dǎo)洞施做至正線隧道邊墻后，需采用噴射混凝土或者臨時(shí)鋼架封閉掌子面，保證掌子面的穩(wěn)定。

3)開挖完成施工導(dǎo)洞，架設(shè)正線隧道鋼架，與橫通道鋼架搭接成整體，完成拱架體系轉(zhuǎn)換。正線隧道打設(shè)超前注漿小導(dǎo)管，小導(dǎo)洞與鋼架焊接成整體，完成正線隧道三臺階法開挖的超前支護(hù)措施施工。

4)開挖橫通道中下臺階，即開挖圖3所示的第③部分，使橫通道鋼架密閉成環(huán)，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5)割除小導(dǎo)洞側(cè)壁鋼架，沿大、小里程方向同時(shí)開挖主線隧道上臺階。當(dāng)主線隧道上部施工一定距離之后再開挖正線隧道下臺階，即開挖圖3所示的第④部分，使初期支護(hù)封閉成環(huán)。

圖3 小包法施工Fig.3 Part-envelope construction method

2 隧道施工過程模擬

2.1 三維有限元模型建立

選取橫通道進(jìn)右線隧道交叉處三岔口段作為主要研究區(qū)域，利用三維有限元軟件Midas-GTS建立三岔口施工方法的數(shù)值模擬模型，如圖4所示，為減少邊界對計(jì)算結(jié)果的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)主線隧道及橫通道兩側(cè)應(yīng)留出3倍開挖洞徑以上的距離，故模型計(jì)算尺寸為88.5 m×70 m×100 m(長×寬×高)，模型上表面定義為自由面，其余各面施加均法向位移約束。

圖4 三維有限元整體模型Fig.4 Three-dimensional numerical model

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，將模型中土層簡化為填土層、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖4層，橫通道和站臺隧道均位于泥質(zhì)粉砂巖土層中，數(shù)值模擬中巖土體采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，模型中土體和管棚加固區(qū)采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬；初襯選用厚度為350 mm的C25混凝土，采用2D板單元進(jìn)行模擬；錨桿直徑25 mm，采用1D植入式桁架進(jìn)行模擬，上述材料均采用各向同性本構(gòu)模型。隧道二襯為安全強(qiáng)度儲備，數(shù)值模擬中不予考慮。模型中所用到材料的物理、力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass and supporting structures

2.3 隧道開挖支護(hù)步驟

模型中隧道斷面開挖均采用三臺階法，每次開挖進(jìn)尺為1 m，三岔口處小導(dǎo)洞每次開挖進(jìn)尺為0.6 m，上、中、下臺階間滯后距離均為3 m，開挖后隨即施做初期支護(hù)并打設(shè)錨桿。車站隧道開挖順序?yàn)橄乳_挖左線站臺隧道。左線站臺隧道施工完成后經(jīng)破洞轉(zhuǎn)而施工橫通道，當(dāng)橫通道上臺階距右線隧道開挖輪廓線1～2 m時(shí)開始進(jìn)行三岔口施工。三岔口段分別根據(jù)大包法和小包法中施工，施工完成后沿大里程和小里程方向同時(shí)對右線站臺隧道進(jìn)行施工。

圖5 車站隧道三岔口有限元模型Fig.5 Finite element model of fork road

3 三岔口施工方法對比分析

將大包法和小包法2種隧道挑頂施工方法進(jìn)行對比分析，著重對比2種開挖方式產(chǎn)生的圍巖位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)范圍，判斷2種施工方法隧道及圍巖的穩(wěn)定性。

3.1 目標(biāo)斷面的選取

根據(jù)隧道實(shí)際施工過程對三岔口處圍巖產(chǎn)生的影響，選取右線隧道與橫通道中線交叉面為目標(biāo)斷面，針對施工全過程進(jìn)行力學(xué)行為分析。

3.2 隧道變形對比

大包法、小包法2種三岔口段施工方法豎向位移云圖如圖6所示。由圖可知，三岔口段施工完成后，大包法施工對拱頂圍巖擾動范圍要大于小包法施工，且整體上圍巖沉降大包法大于小包法。

圖6 三岔口段豎向位移云圖Fig.6 Three-fork section vertical displacement cloud

從表2中可知，小包法施工引起的三岔口處拱頂沉降量為7.0 mm，大包法施工引起的三岔口拱頂沉降量為7.6 mm，小包法施工豎向位移均小于大包法施工。分析認(rèn)為大包法小導(dǎo)洞施工開挖輪廓線較大，施工對圍巖產(chǎn)生擾動也更多，從控制轉(zhuǎn)換段圍巖變形的角度出發(fā)，小包法更有利于控制隧道圍巖的穩(wěn)定性。

3.3 圍巖應(yīng)力對比

圍巖應(yīng)力分布規(guī)律可反映圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。將2種施工方法計(jì)算得到的隧道拱頂、拱肩、拱腳、拱底處圍巖最大、最小主應(yīng)力進(jìn)行對比分析。由表2可知，大包法開挖引起的圍巖應(yīng)力要普遍大于小包法。其中拱頂、拱底主應(yīng)力相差較大而拱肩、拱腳主應(yīng)力相差較小，2種三岔口施工方法中拱肩最小主應(yīng)力比值最小達(dá)1.15，拱底最大主應(yīng)力比值最大達(dá)到1.97，從控制圍巖應(yīng)力角度來看小包法要優(yōu)于大包法。

表2 特征點(diǎn)位移Table 2 Displacement of feature point mm

3.4 圍巖塑性區(qū)對比

從表4中可知三岔口段施工完成后圍巖塑性區(qū)主要集中在拱肩位置，大包法與小包法塑性區(qū)半徑分別為5.2 m和4.3 m，該位置塑性區(qū)范圍最廣，圍巖變形較大，應(yīng)采取有效措施防止此處隧道圍巖產(chǎn)生大變形破壞。在拱腳處大包法與小包法塑性區(qū)半徑分別為4.8 m和3.5 m，整體來說小包法相比大包法有效的控制了圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。

表4 圍巖塑性區(qū)半徑Table 4 Radius of plastic zones m

表3 圍巖應(yīng)力對比Table 3 Stress of surrounding rock masses kPa

4 小包法施工行為動態(tài)分析

前一節(jié)對大包法和小包法2種隧道三岔口處挑頂施工方法進(jìn)行了對比分析，小包法在受力及施工時(shí)間等方面均優(yōu)于大包法施工，為進(jìn)一步了解小包法施工過程中圍巖位移及應(yīng)力的變化情況，進(jìn)行以下分析。

4.1 拱頂沉降分析

如圖7所示，拱頂沉降曲線呈“s”型增長，隧道掌子面施工至三岔口處前，拱頂沉降增長緩慢。隨著隧道進(jìn)一步施工，施工掌子面到達(dá)目標(biāo)斷面，拱頂圍巖應(yīng)力得到釋放，使拱頂沉降曲線出現(xiàn)第1次跳躍式增長，由于施工前已對圍巖進(jìn)行了超前支護(hù)，并控制開挖進(jìn)尺使此階段施工對目標(biāo)斷面處圍巖產(chǎn)生擾動較小，拱頂總沉降達(dá)到1.7 mm。施工至121～130步時(shí)拱頂豎向位移變形速率急劇增大，拱頂沉降曲線出現(xiàn)第2次跳躍式增長，分析因?yàn)榈?21步割除了小導(dǎo)洞豎向鋼架，使支護(hù)體系產(chǎn)生應(yīng)力體系轉(zhuǎn)換，并且向斷面兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)挖，斷面拱頂產(chǎn)生較大沉降，總沉降至6.1 mm。最后沿大、小里程方向開挖右線隧道，最終目標(biāo)斷面總的拱頂沉降穩(wěn)定在7.0 mm處。

圖7 拱頂沉降Fig.7 Tunnel vault settlement

4.2 圍巖應(yīng)力

隧道施工完成后，三岔口段隧道拱頂處圍巖應(yīng)力小，易產(chǎn)生拉應(yīng)力，拱腳處圍巖應(yīng)力最大，最大主應(yīng)力能反映圍巖破壞面方向，橫通道進(jìn)主隧道拱頂處部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，可能產(chǎn)生張拉破壞。

4.2.1 最大主應(yīng)力

圖8～9為監(jiān)測斷面最大主應(yīng)力變化曲線，由圖可知：1)監(jiān)測斷面所有特征點(diǎn)圍巖最大主應(yīng)力都是掌子面經(jīng)過監(jiān)測斷面產(chǎn)生突變，最大主應(yīng)力穩(wěn)定后，拱頂處最大主應(yīng)力最大，其次是拱肩、拱底，拱腳處最大主應(yīng)力最小。2)拱頂和拱底圍巖應(yīng)力釋放明顯，其中拱頂處最大主應(yīng)力峰值達(dá)?65 kPa，圍巖易產(chǎn)生拉應(yīng)力，應(yīng)提前施做預(yù)支護(hù)。3)拱肩處最大主應(yīng)力在121施工步時(shí)出現(xiàn)跳躍變化，是因?yàn)?21步割除了小導(dǎo)洞豎向鋼架使支護(hù)體系產(chǎn)生應(yīng)力體系轉(zhuǎn)換，因此，要針對階段施工對圍巖進(jìn)行預(yù)加固，并采取快挖、快支、快閉合的施工方法重點(diǎn)防護(hù)。4)在拱腳位置壓應(yīng)力最大，且達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間最長達(dá)?572 kPa，應(yīng)保證噴射混凝土的初期強(qiáng)度，必要時(shí)提高噴射混凝土的強(qiáng)度，并加強(qiáng)鎖腳錨桿控制拱腳變形。

圖8 拱頂、拱底最大主應(yīng)力Fig.8 Maximum principal stress diagram of arch crown and arch bottom

4.2.2 最小主應(yīng)力

圖10～11為監(jiān)測斷面最小主應(yīng)力變化曲線，由圖可知：1)監(jiān)測斷面最小主應(yīng)力穩(wěn)定后，拱底處最小主應(yīng)力最大，其次是拱頂、拱腳，拱肩處最小主應(yīng)力最小。2)圍巖應(yīng)力釋放規(guī)律可反映圍巖穩(wěn)定性，拱頂處應(yīng)力變化復(fù)雜，圍巖易受施工擾動導(dǎo)致出現(xiàn)塑性破壞。

圖9 拱肩、拱腳最大主應(yīng)力Fig.9 Maximum principal stress diagram of arch shoulder and arch foot

圖10 拱頂、拱底最小主應(yīng)力Fig.10 Maximum principal stress diagram of arch crown and arch bottom

4.3 有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述模擬分析的可靠性，隧道施工過程中在KGD92-2位置處布置一組監(jiān)測斷面，利用全站儀來監(jiān)測隧道拱頂沉降，如圖12所示，拱頂沉降監(jiān)測值曲線與模擬值曲線趨勢大致相同，最終其拱頂沉降監(jiān)測值為?8.6 mm，較數(shù)值模擬的結(jié)果?7.3 mm略大，斷面KGD92-2拱頂沉降監(jiān)測值與拱頂沉降模擬值相差為1.3 mm，差值較小且趨勢大致相同?？梢哉J(rèn)為數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

圖12 拱頂沉降對比Fig.12 Vault settlement comparison

圖11 拱肩、拱腳最小主應(yīng)力Fig.11 Minimum principal stress of arch shoulder and arch foot

5 結(jié)論

1)小包法施工在控制圍巖位移、應(yīng)力及塑性區(qū)半徑方面均優(yōu)于大包法施工，并且小包法施工工藝更簡易，施工工期及工程造價(jià)更節(jié)約，小包法相比大包法更適用地鐵車站三岔口段的施工。

2)隧道圍巖強(qiáng)度低，在隧道三岔口位置隧道跨度增大，施工拱頂沉降大，易產(chǎn)生大變形現(xiàn)象，應(yīng)施工前設(shè)置大管棚、超前小導(dǎo)管超前支護(hù)并保證噴射混凝土的初期強(qiáng)度，加強(qiáng)鎖腳錨桿可有效控制圍巖變形。

3)隧道三岔口段施工過程中，橫通道進(jìn)主隧道拱頂處部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，在拱腰和拱腳位置處圍巖壓應(yīng)力增大約2～3倍，出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工時(shí)應(yīng)對此處進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)，開挖前對圍巖進(jìn)行預(yù)支護(hù)，開挖及時(shí)施做初期支護(hù)，并布置5榀以上桁架支撐，開挖完成后對上述位置進(jìn)行密切監(jiān)控

4)針對小包法施工過程，要注意割除導(dǎo)洞豎向鋼架并由導(dǎo)洞向右線隧道大、小里程方向擴(kuò)挖階段，此施工階段應(yīng)力頻繁轉(zhuǎn)變，圍巖產(chǎn)生多次擾動，容易出現(xiàn)大變形破壞現(xiàn)象，施工時(shí)要對隧道控制開挖步距，及時(shí)施做支護(hù)并實(shí)時(shí)監(jiān)測以保障施工可靠安全。