密貼下穿地鐵車站的新建通道開挖方法對(duì)比分析

楊宇杰 江永旺 牛曉宇 章慧健

1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031

大跨度斷面隧道經(jīng)常需要分部開挖，不同的開挖方案對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖的影響不同［1-4］。隨著城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，新建隧道下穿既有隧道的現(xiàn)象也越來越多，當(dāng)分部開挖涉及既有結(jié)構(gòu)時(shí)問題就更為復(fù)雜。

蘇斌等［5］以北京地鐵10號(hào)線公主墳站密貼下穿既有1號(hào)線為例，采用精細(xì)化數(shù)值模擬分析了新建平頂直墻車站采用CRD工法分部開挖引起的既有車站結(jié)構(gòu)豎向和橫向變形規(guī)律，并以各個(gè)導(dǎo)洞襯砌完成時(shí)作為控制階段節(jié)點(diǎn)，得到了不同控制階段對(duì)上述變形的貢獻(xiàn)率差異。張旭等［6］以北京地鐵6號(hào)線朝陽門站—東大橋站區(qū)間隧道垂直密貼下穿既有2號(hào)線朝陽門站工程為依托，采用FLAC 3D模擬預(yù)測了密貼下穿施工引起既有地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律和特點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的沉降控制方案。牛曉凱等［7］以北京地鐵15號(hào)線奧林匹克公園站密貼下穿既有大屯路公路隧道工程為例，采用數(shù)值模擬對(duì)比分析了PBA八導(dǎo)洞法、PBA六導(dǎo)洞法、暗挖三導(dǎo)洞法、暗挖四導(dǎo)洞法這四種工法施工引起的地表及既有結(jié)構(gòu)底板變形規(guī)律。Zhang等［8］以北京地鐵5號(hào)線崇文門站下穿既有地鐵2號(hào)線為例，對(duì)新建隧道采用分部開挖施工近距離下穿既有地鐵車站或區(qū)間隧道的對(duì)策措施以及既有結(jié)構(gòu)的變形特征進(jìn)行了分析。畢俊麗等［9］以某暗挖車站密貼下穿既有地鐵區(qū)間為例，通過FLAC 3D建立地層-結(jié)構(gòu)模型分析新建地鐵車站下穿段各分部施工引起既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形。魏英華［10］以北京地鐵16號(hào)線下穿4號(hào)線為工程背景，通過數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場監(jiān)測研究城市地鐵隧道中新舊地鐵間穿越施工的相互影響，并對(duì)既有地鐵變形進(jìn)行了安全評(píng)估。

上述研究主要關(guān)注單一分部開挖方法。目前，關(guān)于下穿既有車站不同開挖工況的對(duì)比研究較少。本文以新建成都地鐵8號(hào)線倪家橋站換乘通道密貼下穿既有1號(hào)線車站工程為依托，對(duì)比不同開挖方法對(duì)既有結(jié)構(gòu)、新建通道本身以及圍巖的影響，得到不同開挖工況的差異。研究成果可供城市新建通道密貼下穿既有車站等類似工程參考。

1 工程概況

1.1 新建通道與既有車站的相對(duì)位置關(guān)系

新建成都地鐵8號(hào)線倪家橋車站換乘通道密貼下穿既有地鐵1號(hào)線倪家橋站近接施工，兩線在下穿段為正交關(guān)系，具體相對(duì)位置如圖1所示。暗挖段密貼既有車站底板，暗挖段結(jié)構(gòu)寬23.4 m，高9.05 m，下穿段長17.3 m。

圖1 新建通道與既有車站的相對(duì)位置關(guān)系（單位：m）

1.2 支護(hù)參數(shù)

既有車站結(jié)構(gòu)為一柱兩跨，新建通道結(jié)構(gòu)為兩柱三跨（參見圖1）。既有車站和新建通道的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 既有車站和新建通道的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 擬定開挖工況

新建通道施工采用分部開挖，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況擬定了三種開挖工況，如圖2所示。工況1：與現(xiàn)場開挖工況一致，將新建通道分5部10導(dǎo)洞開挖，擬定開挖順序?yàn)棰佟凇帷?。工況2：將新建通道分4部8導(dǎo)洞開挖，擬定開挖順序?yàn)棰佟凇摺?。工況3：將新建通道分3部6導(dǎo)洞開挖，擬定開挖順序?yàn)棰佟凇荨??？v向開挖進(jìn)尺2 m，初期支護(hù)緊跟。

圖2 新建通道開挖工況（單位：m）

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

運(yùn)用FLAC 3D建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖3所示。對(duì)模型前后左右邊界施加水平約束，底面施加豎向約束，頂面為自由面。采用實(shí)體單元模擬圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)，分別服從Mohr?Coulomb準(zhǔn)則和彈性準(zhǔn)則。

圖3 計(jì)算模型（單位：m）

土層物理力學(xué)參數(shù)見表2。支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表3。其中，初期支護(hù)中的鋼拱架（H型鋼）作用按其彈性模量折算成混凝土考慮，具體計(jì)算方法為

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

式中：E為折算后的混凝土彈性模量；E0為原混凝土彈性模量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼材彈性模量；Sc為混凝土截面積。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

下穿施工對(duì)既有車站、新建通道本身以及周邊圍巖都會(huì)產(chǎn)生較大影響，分別從既有車站底板沉降、新建通道初期支護(hù)彎矩以及圍巖塑性區(qū)的大小來對(duì)比分析各工況施工造成的影響。

2.2.1 既有車站的底板沉降

分別提取各開挖工況下既有車站底板的終態(tài)沉降值，見圖4?？芍焊鞴r下暗挖施工導(dǎo)致的既有車站底板沉降總體呈現(xiàn)沉降槽特征，最大值都出現(xiàn)在下穿段中心線附近；工況1、工況2、工況3的底板沉降最大值分別為4.13、4.62、5.35 mm；工況1底板沉降最大值分別為工況2和工況3的89.39%和77.20%，這說明工況1開挖方式對(duì)既有車站的底板沉降具有更好的控制作用。

圖4 既有車站底板沉降

2.2.2 新建通道的初期支護(hù)彎矩

分別提取各工況下新建通道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的終態(tài)彎矩，見圖5。可知：整體上新建通道初期支護(hù)彎矩分布呈現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)彎矩分布特性，不同結(jié)構(gòu)部位的彎矩從大到小的順序是底板、側(cè)墻、頂板；各工況下的初期支護(hù)終態(tài)彎矩基本都呈現(xiàn)左側(cè)大于右側(cè)的特征，即先挖側(cè)的初期支護(hù)彎矩大于后挖側(cè)，且最大值都出現(xiàn)在新建通道左側(cè)底板角點(diǎn)處；工況1、工況2、工況3初期支護(hù)彎矩最大值分別為40.15、49.43、53.69 kN·m；工況1初期支護(hù)彎矩最大值分別為工況2和工況3的81.23%和74.78%，這說明工況1對(duì)新建通道初期支護(hù)彎矩峰值以及變形都有更好的控制作用。

圖5 新建通道的初期支護(hù)彎矩（單位：kN·m）

2.2.3 圍巖塑性區(qū)面積

根據(jù)暗挖段中點(diǎn)處橫斷面方向的塑性區(qū)分布模擬結(jié)果，暗挖施工主要對(duì)兩側(cè)墻處圍巖擾動(dòng)較大，對(duì)底板處圍巖擾動(dòng)較小。各工況的塑性區(qū)面積見表4。可知：塑性區(qū)主要為剪切塑性區(qū)；工況1的總塑性區(qū)面積分別為工況2和工況3的94.75%和91.32%，各開挖工況對(duì)周邊圍巖擾動(dòng)差別較小。

表4 圍巖塑性區(qū)面積 m2

3 結(jié)論

通過對(duì)比分析三種開挖工況下的既有車站底板沉降、新建通道初期支護(hù)彎矩以及圍巖塑性區(qū)面積三個(gè)指標(biāo)，得到以下結(jié)論：

1）開挖后既有車站底板沉降總體呈現(xiàn)沉降槽特征，最大值都出現(xiàn)在下穿段中心線附近。工況1底板沉降最大值為4.13 mm，分別為工況2和工況3的89.39%和77.20%，說明工況1對(duì)既有車站底板沉降有更好的控制作用。

2）初期支護(hù)終態(tài)彎矩基本都呈現(xiàn)左側(cè)大于右側(cè)的特征，即先挖側(cè)的初期支護(hù)彎矩大于后挖側(cè)，且最大值都出現(xiàn)在新建通道左側(cè)底板角點(diǎn)處，其中工況1的初期支護(hù)彎矩最大值為40.15 kN·m，分別為工況2和工況3的81.23%和74.78%。

3）暗挖施工主要對(duì)兩側(cè)墻處圍巖擾動(dòng)較大，對(duì)底板處圍巖擾動(dòng)較小，塑性區(qū)主要為剪切塑性區(qū)，工況1的總塑性區(qū)面積為86.59 m2，分別為工況2和工況3的94.75%和91.32%。

4）總體來說工況1最優(yōu)。與工況2和工況3相比，工況1的不足主要是工序復(fù)雜，施工空間相對(duì)狹窄，施工進(jìn)度慢，施工成本相對(duì)較高。對(duì)于上述三種分部開挖方式，每一開挖部的大小對(duì)新建結(jié)構(gòu)的影響最大，對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響次之，對(duì)圍巖的影響最小。