地鐵車站交叉通道與主隧道轉(zhuǎn)換段施工方法優(yōu)化

蘭少波

(北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司,北京 100000)

1 項(xiàng)目概況

地鐵2號(hào)線是一條重要交通線路。2號(hào)線一期工程為地下工程,全長(zhǎng)27.4 km,包括24個(gè)車站。其長(zhǎng)度約1 107.46 m,造價(jià)4.07億元,計(jì)劃工期28個(gè)月。

研究的站位于交叉口下方,車站由北向南,里程為ZDK35+945.357～ZDK36+125.357,全長(zhǎng)180 m。受河流影響,本站軌面埋深33.3～42 m。車站隧道采用五中心圓形馬蹄形斷面,弧形墻、仰拱,結(jié)構(gòu)型式為單拱雙層。隧道拱頂覆蓋著約17.5～20.5 m厚的土壤,其中巖石厚度為3.5～12.5 m。兩個(gè)通風(fēng)井被用作施工豎井,以進(jìn)入此站的交叉通道。然后,它從交叉通道切換到主隧道,以形成用于地下開(kāi)挖的工作面。車站隧道最大開(kāi)挖段寬22.16 m,高19.21 m。

2 轉(zhuǎn)運(yùn)段開(kāi)挖方案的數(shù)值模型

2.1 三維地質(zhì)模型和邊界條件

根據(jù)項(xiàng)目的地質(zhì)條件,地層被簡(jiǎn)化為均質(zhì)和水平。圖1A是轉(zhuǎn)換段的三維地質(zhì)模型,圖1B是橫通道和主隧道的模型。X軸的負(fù)方向是橫通道的掘進(jìn)方向,Y軸的正方向是主隧道的大里程方向,Z軸的正向是垂直向上,見(jiàn)圖1。

圖1 有限元模型和施工步驟

從模型左右邊界到主隧道左右側(cè)壁的距離為69 m(約為隧道寬度的三倍)。從底部邊界到主隧道仰拱的距離為58 m(約為隧道高度的三倍),從上部邊界到隧道拱頂?shù)木嚯x為23 m。該模型在X、Y和Z三個(gè)方向上的尺寸為160 m×80 m×100 m,共有110 515個(gè)單元和20 846個(gè)節(jié)點(diǎn)。土壤和巖石由固體單元模擬。永久應(yīng)用于隧道邊界周圍的主要支護(hù)由厚度為300 mm的板單元模擬。臨時(shí)支護(hù)應(yīng)用于每個(gè)導(dǎo)坑周圍,并將在臨時(shí)支護(hù)封閉成環(huán)后移除,臨時(shí)支護(hù)則由厚度為200 mm的板單元進(jìn)行模擬。

模型的上表面為自由表面,底部邊界采用垂直位移約束,其他四個(gè)邊界采用水平位移約束。

2.2 三維本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘探部門(mén)提供的地鐵站勘察資料,土壤物理力學(xué)參數(shù)。通過(guò)莫爾柱模型模擬土壤的本構(gòu)模型,彈性模量可以根據(jù)公式(1)計(jì)算

(1)

式中:E是主支撐的等效彈性模量;E0是噴射混凝土的彈性模量;Eg是鋼的彈性模量、Sg是鋼筋的橫截面積;S0是混凝土的橫截面面積。

3 施工方法和步驟

為了確定交叉通道與主隧道之間的轉(zhuǎn)換段的施工方案,模擬了三種不同的施工方法,即雙孔間隔柱法、扇形擴(kuò)張法和閘門(mén)爬升法。通過(guò)對(duì)比,確定了最佳施工方法,包括圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)力和位移,以及不同方法引起的圍巖塑性區(qū)分布。

在雙孔間隔柱法中,橫通道和主隧道分別采用臺(tái)階法和雙側(cè)導(dǎo)坑法開(kāi)挖。該方法的主要施工步驟見(jiàn)圖1C。

(1)主隧道右側(cè)的上導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞向大里程方向開(kāi)挖,并在完成橫向通道上部臺(tái)階開(kāi)挖后形成支護(hù)。見(jiàn)圖1C,步驟①。

(2)在主隧道的上導(dǎo)洞開(kāi)挖至4D(D為橫向通道的寬度)后,將中央核心土的上導(dǎo)坑和中導(dǎo)坑開(kāi)挖至主隧道左側(cè),并形成和支撐連接主隧道左右導(dǎo)洞的內(nèi)部通道。見(jiàn)圖1C,步驟②。

(3)向大里程方向開(kāi)挖主隧道右側(cè)靠近轉(zhuǎn)換段的上、中導(dǎo)洞。同時(shí),對(duì)主隧道左側(cè)靠近小里程內(nèi)部通道的上、中導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖和支護(hù)。見(jiàn)圖1C,步驟③。

(4)從內(nèi)部通道開(kāi)始,主隧道左側(cè)向小里程方向和右側(cè)向大里程方向的上導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖和支護(hù)。見(jiàn)圖1C,步驟④。

(5)當(dāng)步驟④的開(kāi)挖距離達(dá)到12 m時(shí),橫向通道的下導(dǎo)洞和主隧道的兩側(cè)被開(kāi)挖和支撐。見(jiàn)圖1C,步驟⑤→⑥→⑦→⑧。

(6)從內(nèi)部通道到大小里程的中心芯土進(jìn)行開(kāi)挖和支撐。見(jiàn)圖1C,步驟⑨→⑩。

在扇形擴(kuò)張開(kāi)挖法中,轉(zhuǎn)移段的巖石由多個(gè)扇形開(kāi)挖體開(kāi)挖,見(jiàn)圖1D。具體步驟如下:①當(dāng)橫通道的上部臺(tái)階開(kāi)挖至橫通道與主隧道的交界處時(shí),在橫通道中架設(shè)門(mén)拱。②轉(zhuǎn)移段開(kāi)挖,轉(zhuǎn)移段上部臺(tái)階分為三個(gè)扇形開(kāi)挖體。開(kāi)挖寬度等于橫向通道的寬度,開(kāi)挖后立即安裝門(mén)拱和主支撐。③交叉通道的下臺(tái)階和主隧道按上述順序開(kāi)挖。④沿主隧道架設(shè)環(huán)形鋼支架,通過(guò)多次擴(kuò)挖將車站上拱封閉成環(huán)形,完成換乘段施工。

閘門(mén)爬升法是一種在過(guò)渡段施工期間沿橫向通道開(kāi)挖方向以12%的坡度開(kāi)挖主隧道的方法。然后使用反向開(kāi)挖方法開(kāi)挖轉(zhuǎn)移段的巖石,見(jiàn)圖1E。具體步驟如下:①對(duì)穿越斷面進(jìn)行全斷面開(kāi)挖。當(dāng)開(kāi)挖至連接部分時(shí),在交叉通道和主隧道之間的連接處架設(shè)三個(gè)門(mén)拱。②轉(zhuǎn)換段沿橫通道開(kāi)挖方向向上開(kāi)挖,坡度為12%,開(kāi)挖部分寬度與橫通道寬度相同,開(kāi)挖至主洞另一側(cè)輪廓線。③轉(zhuǎn)運(yùn)段共分為八個(gè)部分進(jìn)行開(kāi)挖。然后立即安裝門(mén)拱和主支架。④沿主隧道頂部輪廓線的環(huán)形鋼支架在每一步開(kāi)挖后安裝。最后,鋼支撐閉合成環(huán),轉(zhuǎn)移段的施工完成。

為了比較不同方法對(duì)橫通道主隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的影響,即區(qū)段1(傳送區(qū)段的中心)和區(qū)段2和3(分別從距離傳送區(qū)段20 m和30 m的位置)。三個(gè)選定部分的位置見(jiàn)圖1B。

4 不同施工方法的比較

4.1 地面沉降對(duì)比

圖2顯示了三種方法施工后與第1段位置相對(duì)應(yīng)的地面沉降曲線。從圖中可以看出三種方法引起的沉降槽寬度相對(duì)相似,均在60 m左右,和(3)閘門(mén)爬升法引起的最大地面沉降最大,為5.05 mm,扇形擴(kuò)張法為3.72 mm,最小的是雙孔間隔柱法,為3.32 mm。因此,可以得出結(jié)論,雙孔間隔樁法比其他兩種方法更有利于控制地面沉降,見(jiàn)圖2。

圖2 地面沉降的比較

4.2 馬頭閘門(mén)變形和應(yīng)變的比較

根據(jù)分析,轉(zhuǎn)移段是支撐圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)變最集中的位置。因此,對(duì)三種施工方法下的轉(zhuǎn)換段位移和馬頭閘門(mén)支護(hù)圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析。可以看出,三種方法下的位移非常接近。每種方法引起的各種位移的位置都是相同的。每種位移的位置如下:由這三種方法引起的X方向的最大位移都發(fā)生在主隧道的左側(cè);由這三個(gè)方法引起的沿X方向的最小位移都發(fā)生于主隧道的右側(cè);由這三種方法引起的沿Y方向的最大位移都發(fā)生在馬頭閘門(mén)的左壁處;由這三個(gè)方法引起的Y方向的最小位移都出現(xiàn)在馬頭門(mén)的右壁處;以及由這三種方法引起的Z方向上的最小位移都發(fā)生在主隧道的右拱頂處。

可以得出結(jié)論:(1)雙孔間隔柱法引起的最大主應(yīng)變值最大,最大主應(yīng)變出現(xiàn)在馬頭門(mén)的拱腳處,而其他兩種方法的最大主應(yīng)變發(fā)生在主隧道拱底。(2)爬門(mén)法引起的最小主應(yīng)變發(fā)生在馬頭門(mén)的拱腳處,而其他兩種方法的最小主應(yīng)力發(fā)生在馬頭門(mén)的拱肩處。雙孔間隔柱法引起的最小主應(yīng)變值最大。雙孔間隔柱法引起的最大剪切應(yīng)變發(fā)生在馬頭門(mén)的拱肩處,而其他兩種方法發(fā)生在馬頭門(mén)的拱腳處。扇形膨脹法引起的最大剪切應(yīng)變最大。因此,一般而言,雙孔間隔柱法引起的支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)變值較大。

4.3 圍巖應(yīng)變區(qū)和塑性區(qū)對(duì)比

塑性區(qū)是隧道掘進(jìn)時(shí)判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)?？傊?盡管雙孔間隔柱法引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變值較大,但它在控制地面沉降和圍巖塑性區(qū)范圍方面具有優(yōu)勢(shì)。此外,與其他兩種方法相比,雙孔間隔柱法可以用于轉(zhuǎn)移段的施工,以降低施工風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)避免腳手架的架設(shè)來(lái)防止高空作業(yè)。同時(shí),該方法具有多個(gè)工作空間,可以同時(shí)操作,可以縮短工期,降低施工成本。因此,通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果和施工技術(shù)的綜合分析,推薦采用雙孔間隔柱法施工轉(zhuǎn)換段。

5 施工監(jiān)測(cè)

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果,采用雙孔間隔柱法進(jìn)行了換乘段的施工。

為了確保轉(zhuǎn)換段的施工安全,在施工過(guò)程中對(duì)地面沉降和主隧道的內(nèi)部變形進(jìn)行了跟蹤和監(jiān)測(cè)。

5.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

(1)地面沉降

由于現(xiàn)場(chǎng)布置了大量監(jiān)測(cè)點(diǎn),因此僅選擇對(duì)應(yīng)的地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC35990-03、DBC36010-03和DBC36020-03的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

施工開(kāi)始時(shí),進(jìn)行橫向通道的開(kāi)挖。該點(diǎn)的沉降增加到0.6 mm;17 d后,開(kāi)挖轉(zhuǎn)移段,隨著施工面接近監(jiān)測(cè)點(diǎn),沉降迅速增加至2.2 mm。在監(jiān)測(cè)的第27 d,隨著轉(zhuǎn)換段的施工完成,主隧道開(kāi)始向大里程方向開(kāi)挖,地面沉降緩慢增加至3.1 mm;在監(jiān)測(cè)的第60 d,完成了左右導(dǎo)洞的施工,并開(kāi)挖了中心芯土。因此,地面沉降顯著增加,最終沉降穩(wěn)定在6.4 mm。

在監(jiān)測(cè)的初始階段,由于施工面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn),沉降很小,并緩慢增加至0.9 mm。在監(jiān)測(cè)過(guò)程的第30 d,施工面逐漸到達(dá)第2段的位置。受此影響,沉降迅速增加,達(dá)到2.4 mm。第60 d,開(kāi)挖中心核心土。因此,地面沉降速度顯著增加,最終沉降穩(wěn)定在5.3 mm。

在監(jiān)測(cè)的初始階段,由于施工面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn),沉降很小,并緩慢增加到0.6 mm。在監(jiān)測(cè)過(guò)程的第40 d,內(nèi)部通道開(kāi)始開(kāi)挖。此時(shí),施工面靠近監(jiān)測(cè)點(diǎn),該點(diǎn)的沉降速度增加,最終地面沉降迅速增加至2.1 mm。在第50 d,由于左側(cè)和右側(cè)導(dǎo)坑的開(kāi)挖對(duì)該點(diǎn)的影響較小,地面沉降速度降低并緩慢增加至2.5 mm。在第60 d,中心核心土的開(kāi)挖已經(jīng)開(kāi)始,地面沉降顯著增加,最終沉降穩(wěn)定在4.8 mm。

(2)拱頂沉降和水平變形

監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)的初始階段,由于該段的支撐剛剛完成,拱頂沉降略有增加,達(dá)到1.3 mm。然后,隨著主隧道左右導(dǎo)洞的開(kāi)挖,沉降逐漸增加至3.2 mm。隨著監(jiān)測(cè)進(jìn)度達(dá)到第60 d,中心核心土壤被挖掘。拱頂沉降顯著增加,最終沉降穩(wěn)定在9.1 mm。對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)SDJ36000-1,前60 d水平變形速度穩(wěn)定。在監(jiān)測(cè)過(guò)程的第60 d之前,水平變形增加到3.2 mm。然后,隨著中心芯土的開(kāi)挖,水平變形顯著增加,最終變形穩(wěn)定在6.1 mm。

在主隧道左右導(dǎo)洞開(kāi)挖期間,拱頂沉降速度穩(wěn)定,沉降逐漸增加至3.2 mm。在監(jiān)測(cè)過(guò)程的第50 d,中心核心土壤的開(kāi)挖已經(jīng)開(kāi)始。拱頂沉降速度顯著增加,最終沉降穩(wěn)定在8.8 mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)SDJ36010-1的水平變形速度在整個(gè)施工過(guò)程中保持穩(wěn)定,最終穩(wěn)定在5.4 mm。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)GDC36020-1和SDJ36020-1的變形在第3段支護(hù)施工完成后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)GDC36020-1,在監(jiān)測(cè)的初始階段,由于內(nèi)部通道的支撐結(jié)構(gòu)剛剛完成,拱頂沉降顯示出小幅快速增加至2.1 mm。然后,隨著主隧道左右導(dǎo)洞的開(kāi)挖,拱頂沉降有一段波動(dòng)期,并增加到3.1 mm。在監(jiān)測(cè)進(jìn)度的第40 d,中心核心土被開(kāi)挖,拱頂沉降速度顯著增加。最終沉降穩(wěn)定在8.6 mm。監(jiān)測(cè)點(diǎn)SDJ36020-1的變形規(guī)律與斷面2相似。監(jiān)測(cè)點(diǎn)SDJ36020-1的水平變形速度在整個(gè)施工過(guò)程中是穩(wěn)定的,最終穩(wěn)定在5.2 mm。

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較

數(shù)值模擬計(jì)算小于每個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)變形。這主要是由于以下兩個(gè)原因:(1)為了簡(jiǎn)化,在數(shù)值計(jì)算中假設(shè)土壤是均質(zhì)和各向同性的連續(xù)介質(zhì),而實(shí)際土壤是非均質(zhì)和各向異性的不連續(xù)介質(zhì),因此數(shù)值模擬結(jié)果較小。(2)轉(zhuǎn)運(yùn)通道的圍巖在施工過(guò)程中多次受到施工擾動(dòng)。圍巖中的軟弱結(jié)構(gòu)面和裂隙在擾動(dòng)后進(jìn)一步開(kāi)裂,導(dǎo)致圍巖力學(xué)性狀逐漸劣化。模擬中沒(méi)有考慮施工擾動(dòng)后圍巖力學(xué)性狀的惡化,這也使得數(shù)值模擬結(jié)果偏小。

盡管數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定差異,但總體而言,監(jiān)測(cè)地面沉降比控制值小30 mm,隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)水平位移也比控制值低20 mm。因此,采用雙孔間隔柱法施工換乘段是安全可行的。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)在三種方法中,局部應(yīng)力集中發(fā)生在轉(zhuǎn)移段的馬頭閘門(mén)位置。最大地表沉降沒(méi)有發(fā)生在主隧道拱頂上方,而是出現(xiàn)在與主隧道與交叉通道相接的馬頭門(mén)相對(duì)應(yīng)的地表上。因此,馬頭門(mén)是施工加固的關(guān)鍵位置。

(2)雙孔間隔柱法引起的地表沉降、隧道位移和塑性區(qū)最小,可降低施工風(fēng)險(xiǎn)、縮短工期、降低工程成本。因此,采用雙孔間隔柱法是一種較好的轉(zhuǎn)換段施工方法。

(3)將監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)與雙孔間隔柱法的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果表明,數(shù)值結(jié)果小于監(jiān)測(cè)結(jié)果。有兩個(gè)原因。一方面,在數(shù)值模擬過(guò)程中,假設(shè)土壤是均質(zhì)、各向同性和連續(xù)介質(zhì)。另一方面,數(shù)值模擬無(wú)法模擬施工擾動(dòng)后圍巖力學(xué)性狀的惡化。

(4)盡管數(shù)值模擬結(jié)果與每個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)變形不同,但雙孔間隔柱法引起的地面沉降小于地面沉降控制值。隧道的地面沉降和水平位移分別比控制值小30和20 mm。因此,采用雙孔間隔柱法施工地鐵2號(hào)線換乘段是可行的。