暗挖地鐵車站隧道與風(fēng)道交叉段群洞施工力學(xué)特性研究

趙志民 趙東平 涂懷宇 繆振疇 劉曉賀

(1. 中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066; 2. 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;3. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

引言

重慶地鐵4 號線玉帶山站車站隧道跨度大、施工導(dǎo)洞及出入口眾多,在空間上相互組合,形成復(fù)雜的“群洞”,施工期間結(jié)構(gòu)受力及變形特征均較為復(fù)雜。另一方面,由于該隧道采用4 層12 導(dǎo)洞開挖,施工過程中存在多臺階開挖、預(yù)留中巖柱、臨時(shí)支護(hù)拆除順序與不同導(dǎo)洞開挖協(xié)調(diào)等問題,結(jié)構(gòu)體系的變形及內(nèi)力控制難度大,施工全過程中車站隧道及部分導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)較高。 特別是車站末尾端頭處,2 個(gè)大跨風(fēng)道通道與車站隧道在同一里程對側(cè)相交,進(jìn)一步增加了施工難度。

群洞“時(shí)空效應(yīng)”受到諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注。 吳波以地表沉降作為施工控制目標(biāo),結(jié)合動態(tài)規(guī)劃原理,建立群洞隧道開挖順序優(yōu)化模型,對復(fù)雜群洞隧道施工過程中地表沉降的空間效應(yīng)進(jìn)行三維仿真模擬[1];呂波對單跨三洞地下局部雙層分離島式車站群洞效應(yīng)進(jìn)行研究,優(yōu)化車站總體施工順序,提出群洞結(jié)構(gòu)的施工方案[2];莊寧等針對小凈距大跨度群洞隧道施工順序工況進(jìn)行數(shù)值模擬,分析隧道不同間距對群洞隧道的影響,優(yōu)化隧道施工方案[3];夏志強(qiáng)以北京地鐵五號線和平西橋站—北土城東路站區(qū)間突變大斷面群洞隧道為工程依托,采用數(shù)值方法分析群洞隧道施工對地表沉降的影響規(guī)律,優(yōu)化群洞隧道施工方案[4];杜建華等運(yùn)用FLAC3D 軟件模擬分析地鐵車站周圍土體應(yīng)力、塑性區(qū)和位移的基本變化規(guī)律,確定群洞效應(yīng)下開挖順序的推薦方案[5]。

在預(yù)留中巖柱的多導(dǎo)洞開挖工法方面,也有較多學(xué)者開展相關(guān)研究。 劉寧通過數(shù)值模擬及室內(nèi)模型試驗(yàn)對淺埋大斷面隧道雙洞中巖柱法施工方案進(jìn)行動態(tài)模擬,并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)分析中巖柱施工引起的隧道圍巖力學(xué)特性變化情況,結(jié)果顯示中巖柱開挖圍巖應(yīng)力有突變過程[6];高海東基于廈門某隧道分析不同施工工法對中巖柱及隧道力學(xué)特征的影響[7];李軍等以哈爾濱雙連拱隧道工程為背景,分析導(dǎo)洞施工對中巖墻的力學(xué)性能影響[8];余熠依托某淺埋大斷面隧道,采用數(shù)值方法研究雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工力學(xué)特性[9];皇甫明分析臺階長度和核心土長度對隧道工作面的內(nèi)凈空水平收斂位移、工作面前方土體的地層沉降及其主應(yīng)力分布等的影響[10];既有研究還表明,不同拆撐方案對隧道拱頂沉降及結(jié)構(gòu)安全性均會產(chǎn)生影響[11-12],針對臨時(shí)支護(hù),特別是中巖柱兩側(cè)的臨時(shí)支護(hù),其拆除方式和拆除時(shí)機(jī)的選取顯得尤為關(guān)鍵。

綜上所述,復(fù)雜洞室建設(shè)受到施工方式的影響較大,不同開挖工序及方式均意味著對圍巖施加不同荷載。 在施工期間不斷變化的洞型和加載方式,影響著施工期間的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)分布、地表及洞周位移。群洞開挖工序、中巖柱一次開挖長度及臨時(shí)支護(hù)的一次拆除長度等都與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間力學(xué)特征直接相關(guān),而既有研究中對上述問題尚未形成系統(tǒng)的解決方案。 在此背景下,以重慶地鐵4 號線玉帶山超大斷面暗挖車站為工程依托,采用數(shù)值方法對暗挖地鐵車站端頭處交叉群洞施工力學(xué)特性開展研究,以期探明群洞空間施工效應(yīng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)空間相互影響規(guī)律等問題,相關(guān)研究成果可為類似工程參考借鑒。

1 工程概況

重慶地鐵4 號線玉帶山站正上方為南石家園小區(qū),車站南側(cè)為已建軌道交通環(huán)線玉帶山車站,與本站采用通道換乘,車站及各個(gè)出入口平面布置見圖1。 車站橫向開挖最大寬度為28 m,最大高度為30 m,車站設(shè)計(jì)為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。 車站末端里程主洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輪廓見圖2,其中初期支護(hù)為兩層28 cm 厚的C25 噴混結(jié)構(gòu),二襯為110 cm 厚的C40 鋼混結(jié)構(gòu)。 車站拱頂埋深26~45 m。 車站隧道洞身主要處于中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地層,圍巖等級為Ⅳ級。 車站起點(diǎn)里程為YK3+505,車站終點(diǎn)里程為YK3+747,車站總長度為242 m。

圖1 玉帶山車站區(qū)間平面位置關(guān)系示意

圖2 玉帶山車站隧道橫斷面

結(jié)合工程實(shí)際,主要研究車站終點(diǎn)端頭里程樁號YK3+707.466~YK3+747.466 共40 m 范圍內(nèi)的車站隧道、3 號風(fēng)道及6 號風(fēng)道及其組成的空間群洞結(jié)構(gòu),該范圍內(nèi)的車站隧道和風(fēng)道通道相互位置關(guān)系以及該區(qū)段地質(zhì)情況見圖3。

圖3 車站隧道縱斷面

由圖3 可知,3 號風(fēng)道靠近端頭側(cè)距車站隧道尾部端頭約11 m,6 號風(fēng)道靠近端頭側(cè)距車站隧道尾部端頭約2 m,兩風(fēng)道位于車站隧道兩側(cè),呈空間正對相交的狀態(tài)。 施工方式及工序的不同會對洞室群空間結(jié)構(gòu)受力有較為顯著影響,故擬采用三維數(shù)值模擬的方法對上述兩風(fēng)道與車站隧道的不同施工順序進(jìn)行組合分析,并結(jié)合工程實(shí)際推薦最優(yōu)施工方案。

2 車站隧道施工方案

根據(jù)設(shè)計(jì)方案,車站隧道主洞采用4 層12 導(dǎo)洞法開挖,各個(gè)導(dǎo)洞開挖順序見圖4(圖中數(shù)字為導(dǎo)洞及臺階編號)。 主洞開挖完成后,再分別開挖3 號及6 號風(fēng)道,由于2 個(gè)風(fēng)道距離隧道主洞端頭較近,2 個(gè)風(fēng)道隧道開挖后,主洞隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在環(huán)向上會出現(xiàn)臨空段,進(jìn)而形成復(fù)雜的空間群洞效應(yīng)。 因此,為了確保施工安全,對車站隧道的開挖順序研究十分必要。 根據(jù)工程類比并結(jié)合現(xiàn)場施工安排,初步選定2 種不同工序組合方案進(jìn)行分析論證,玉帶山車站隧道群洞施工工序見表1。

表1 玉帶山車站隧道群洞施工工序

圖4 玉帶山車站終點(diǎn)端頭區(qū)間空間結(jié)構(gòu)示意

3 風(fēng)道導(dǎo)洞開挖工序優(yōu)化分析

3.1 數(shù)值模型及邊界條件

為了分析上述復(fù)雜群洞空間力學(xué)特性,采用有限差分程序FLAC3D 建立車站隧道三維數(shù)值模型,數(shù)值模型空間結(jié)構(gòu)示意見圖5。 車站3 號風(fēng)道開挖寬度為15.6 m,高度為22 m;6 號風(fēng)道開挖寬度為9.6 m。 風(fēng)道隧道和車站隧道數(shù)值模型及尺寸見圖6。

圖5 數(shù)值模型空間結(jié)構(gòu)示意

圖6 風(fēng)亭組及車站主體空間結(jié)構(gòu)模型

在數(shù)值模型中,用零模型來模擬隧道圍巖的開挖,用彈性模型來模擬車站隧道及風(fēng)道的支護(hù),用摩爾-庫侖模型模擬圍巖。 在數(shù)值模型中,圍巖采用實(shí)體單元模擬,初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)均采用結(jié)構(gòu)單元模擬。整體數(shù)值模型中實(shí)體單元總數(shù)為67 260 個(gè),結(jié)構(gòu)單元總數(shù)為16 614 個(gè)。 數(shù)值模型的邊界條件為:上表面為自由邊界,其余面均設(shè)置法向位移約束。

3.2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)的標(biāo)定

根據(jù)玉帶山車站隧道地質(zhì)勘察報(bào)告,同時(shí)參考TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù),為了保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性,對玉帶山車站泥巖試件開展單軸、三軸壓縮試驗(yàn),將泥巖試件按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的制樣要求加工成?50 mm、高100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件,進(jìn)行單軸、三軸壓縮試驗(yàn),加壓過程見圖7。

圖7 泥巖試件壓縮試驗(yàn)及結(jié)果

結(jié)合玉帶山車站現(xiàn)場掌子面揭示情況,將所得泥巖巖石參數(shù)換算成泥巖巖體參數(shù),結(jié)果見表2。

表2 圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)取值

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)參數(shù)的合理性,在施工現(xiàn)場車站里程YK3+667 處布置地表沉降測線,位置見圖8,并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析,結(jié)果見圖9。

圖8 地表沉降測線平面位置

圖9 地表沉降計(jì)算值與實(shí)測值對比

由圖9 可知,最終數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場施工實(shí)測值相比,無論是沉降影響范圍還是沉降的量值上均較為接近。 故可以認(rèn)為數(shù)值計(jì)算選取的材料參數(shù)和設(shè)定的邊界條件與現(xiàn)場實(shí)際基本相符。

3.3 施工過程模擬

依據(jù)設(shè)計(jì)方案,該隧道開挖順序?yàn)?首先開挖主隧道1、2、3、4 部導(dǎo)洞,然后開挖中巖柱8、9 部,然后,拆除端頭主隧道1~3 層的臨時(shí)支護(hù)。 在這個(gè)狀態(tài)下,利用主隧道開挖出的空間形成工作空間,分別開挖3 號及6 號風(fēng)道。 6 號風(fēng)道采用兩臺階法開挖,3 號風(fēng)道采用三臺階CD 法開挖,各個(gè)臺階開挖的順序及隧道群洞各個(gè)階段的空間狀態(tài)見圖10。

圖10 暗挖車站隧道群洞開挖工序示意(工況二)

原設(shè)計(jì)方案考慮僅在3 號風(fēng)道處開1 個(gè)導(dǎo)洞,以方便隧道洞內(nèi)形成貫通風(fēng)道,3 號風(fēng)道其他各個(gè)分部待主隧道結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)后再進(jìn)行開挖。 因此,群洞分析主要考察3 號風(fēng)道17 部和18 部與6 號風(fēng)道的開挖順序?qū)θ憾磪^(qū)段主洞結(jié)構(gòu)的影響。 工況一與工況二相比僅3 號風(fēng)道左右上導(dǎo)洞開挖順序不同,其余步驟均一致。

3.4 隧道拱頂沉降分析

為研究3 號風(fēng)道左右上導(dǎo)洞開挖順序?qū)χ鞫唇Y(jié)構(gòu)變形的影響,在車站隧道結(jié)構(gòu)拱頂處布置2 個(gè)位移測點(diǎn),測點(diǎn)具體布置見圖11。 提取兩種工況在各個(gè)工序時(shí)兩測點(diǎn)的沉降值,繪制成測點(diǎn)沉降隨開挖工序的變化曲線,見圖12。

圖11 隧道拱頂位移測點(diǎn)布置

圖12 隧道拱頂位移測點(diǎn)沉降變化曲線

由圖12 可知,兩測點(diǎn)處支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降隨著開挖工序的推進(jìn)在不斷增大,最終狀態(tài)靠近端頭處測點(diǎn)1 沉降大于測點(diǎn)2 處,工況二先行施工3 號風(fēng)道右上導(dǎo)洞(靠近端頭處)引起的車站隧道結(jié)構(gòu)拱頂處沉降要大于工況一。 分施工階段來看,車站隧道5~8 號臺階的開挖及最終3 號風(fēng)道臨時(shí)支護(hù)的拆除導(dǎo)致的單個(gè)階段拱頂沉降均大于1 cm,這兩個(gè)階段位移增量顯著大于其余施工工序。 最終狀態(tài)工況二施工引起的測點(diǎn)1 處最大沉降為5.54 cm,測點(diǎn)2 處最大沉降為5.11 cm;工況一引起的測點(diǎn)1 處最大沉降為5.46 cm,測點(diǎn)2 處最大沉降為5.02 cm。 故從施工引起隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的角度分析,采用工況一施工相對有利。

3.5 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

為了進(jìn)一步對2 種工法開挖最終狀態(tài)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及安全系數(shù)值進(jìn)行對比,選取圖13 左所示的2 個(gè)內(nèi)力研究斷面,其中y=42 對應(yīng)6 號風(fēng)道隧道中線剖面,y=52 對應(yīng)3 號風(fēng)道隧道中線剖面。 以這2 個(gè)斷面車站隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位作為研究對象分析內(nèi)力及安全系數(shù)有很好的代表性,研究選取的各初期支護(hù)關(guān)鍵部位分析單元見圖13。

圖13 內(nèi)力研究斷面及截面布置

工況一及工況二最終狀態(tài)下,1-1 斷面(y=52)處支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力及彎矩計(jì)算結(jié)果見圖14、圖15。

圖14 1-1 斷面各開挖步軸力值

圖15 1-1 斷面各開挖步彎矩值

由圖14 可知,車站隧道結(jié)構(gòu)拱頂及拱腰的軸力隨開挖步呈現(xiàn)增大趨勢,最終狀態(tài)軸力從拱腰1→拱腰4(從左到右)依次增大,最大值在8 500 kN 左右(拱腰4)。 從開挖工序上看,拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力受車站隧道臺階開挖影響較大;兩側(cè)拱腰由于靠近3 號及6 號風(fēng)道口,受風(fēng)道導(dǎo)洞的開挖影響較大。 特別是6 號風(fēng)道上導(dǎo)洞的開挖導(dǎo)致拱腰4 處軸力瞬時(shí)增大2 500 kN;3 號風(fēng)道上導(dǎo)洞的開挖導(dǎo)致拱腰1 處軸力減小1 000 kN;主洞及3 號風(fēng)道臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)拆除時(shí),拱頂及拱腰處軸力增大明顯。 采用工況二施工時(shí),在兩側(cè)風(fēng)道施工階段研究斷面左拱腰處軸力增大7%,其余施工步驟軸力值均有所減小;而拱頂部位軸力在各施工階段均有微量增加。 總體來看,工況二相比工況一軸力變化幅度小8%,這說明風(fēng)道導(dǎo)洞開挖順序?qū)χёo(hù)軸力影響有限。

由圖15 可知,隧道拱頂彎矩受開挖步影響很小,彎矩基本保持穩(wěn)定,而3 號及6 號風(fēng)道開挖以及最后臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)兩側(cè)拱腰處彎矩變化較為顯著。 工況二施工對隧道拱頂部位彎矩影響較大,臨時(shí)支護(hù)拆除前拱頂結(jié)構(gòu)軸力相較于工況一最大增加45%,左拱腰受影響程度次之,右拱腰受影響最小。 總體來看,工況二相比工況一彎矩變化幅度較大,但是由于彎矩的絕對值不大,因此,綜合軸計(jì)算結(jié)果,2 個(gè)工況差異并不顯著。

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果求得研究斷面各截面的安全系數(shù)隨開挖步變化規(guī)律,見圖16(顯示方式與圖14、圖15 相同)。 安全系數(shù)的換算方法為

圖16 1-1 斷面各開挖步安全系數(shù)

式中,K為安全系數(shù);N為軸力;φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù),取1;α為軸向力的偏心影響系數(shù);e為截面偏心距;Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度;b為截面寬度;h為截面厚度。

由圖16 可知,1-1 斷面拱頂及拱腰處結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨開挖步的推進(jìn)整體呈減小趨勢,安全系數(shù)變化較明顯的工序是3 號及6 號風(fēng)道上導(dǎo)洞開挖工序;5~6 臺階的開挖及臨時(shí)支護(hù)的拆除,安全系數(shù)變化規(guī)律與內(nèi)力計(jì)算結(jié)果反映的趨勢基本相符。 從不同部位看,拱頂處支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)受兩側(cè)風(fēng)道導(dǎo)洞開挖影響較小,拱腰處支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)在兩側(cè)風(fēng)道導(dǎo)洞開挖及車站隧道開挖時(shí)均有一定幅度增減。 采用工況二施工時(shí),研究斷面隧道拱頂部位安全系數(shù)相較于工況一有小幅減小,右側(cè)拱腰安全系數(shù)無明顯變化,而左側(cè)拱腰處結(jié)構(gòu)受影響較明顯,工況二先行施工3 號風(fēng)道靠近端頭處上導(dǎo)洞,導(dǎo)致安全系數(shù)在該施工階段下降約6%。 最終狀態(tài)下,兩個(gè)研究斷面安全系數(shù)最小值為2.41(右拱腰、受壓),滿足規(guī)范要求。

為進(jìn)一步研究3 號風(fēng)道上導(dǎo)洞施工順序?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)安全性的影響,依據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果換算出最終狀態(tài)各兩個(gè)工況研究斷面特征截面處結(jié)構(gòu)安全系數(shù),結(jié)果見表3。

表3 工況一及工況二最終狀態(tài)支護(hù)結(jié)構(gòu)特征截面安全系數(shù)

由表3 可知,受兩側(cè)風(fēng)道開挖的擾動影響,靠近開挖側(cè)的車站隧道拱腰處結(jié)構(gòu)安全系數(shù)顯著低于其他部位。 安全系數(shù)從風(fēng)道開挖側(cè)到對側(cè)呈不斷增大的趨勢(1-1 斷面安全系數(shù)從拱腰1 到拱腰4 不斷降低、2-2 斷面安全系數(shù)從拱腰1 到拱腰4 不斷增大),且均大于控制標(biāo)準(zhǔn)(2.0),有一定安全余量。 最終狀態(tài)下,1-1 斷面拱腰4 處安全系數(shù)最小(2.31,受壓),相較于工況二的2.18 安全系數(shù)增加6.0%,其余部位采用工況一方案施工相較于工況二安全系數(shù)均有不同程度的增加。

綜上,對于玉帶山車站尾端區(qū)間的施工,推薦采用先行開挖3 號風(fēng)道左側(cè)上導(dǎo)洞的方案。

4 中巖柱開挖及拆撐影響分析

由第2 節(jié)施工方案可知,該車站隧道斷面較大,受力復(fù)雜,在施工時(shí)先預(yù)留中間部分的中巖柱,但為了便于施工機(jī)械的運(yùn)輸并滿足通風(fēng)需求,需要拆除車站末尾端頭部分區(qū)段的中巖柱及臨時(shí)支撐,為此,有必要進(jìn)一步分析中巖柱開挖及拆撐長度對隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍。

4.1 中巖柱開挖影響規(guī)律分析

為了研究中巖柱開挖長度對所選研究斷面的影響規(guī)律,在開挖模擬前,先在3 號風(fēng)道中線剖面對應(yīng)的車站隧道拱頂、拱腰及邊墻處布置變形和應(yīng)力測點(diǎn),見圖17。 中巖柱開挖過程中上述測點(diǎn)的位移計(jì)算結(jié)果見圖18。 由計(jì)算結(jié)果可知,隨著中巖柱掌子面的推進(jìn),各部位測點(diǎn)的位移值均呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律,其中拱頂部位圍巖受影響段主要集中在開挖掌子面距研究斷面-8~5 m 范圍內(nèi),拱頂處沉降增加1.18 mm,之后5 ~ 40 m 的開挖階段拱頂測點(diǎn)沉降僅增加了0.09 mm,其余測點(diǎn)也有類似規(guī)律,各階段位移增量見表4。

表4 測點(diǎn)位移隨掌子面推進(jìn)距離的階段增量 mm

圖17 研究斷面及監(jiān)測點(diǎn)位置示意

圖18 測點(diǎn)位移隨掌子面推進(jìn)距離變化示意

由表4 可知,當(dāng)掌子面距研究斷面-8~5 m 時(shí),各研究測點(diǎn)位移增量占整個(gè)中巖柱開挖過程的70%以上;當(dāng)掌子面距離研究斷面大于20m 以后,中巖柱開挖導(dǎo)致拱頂、邊墻、左拱腰及右拱腰處測點(diǎn)新增的位移僅占位移總量的3.1%、5.6%、8.6%、7.0%。 因此,從位移影響來看,中巖柱開挖對研究斷面的有效影響范圍在20 m 以內(nèi)。

為進(jìn)一步研究中巖柱開挖推進(jìn)對既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,提取上述測點(diǎn)對應(yīng)支護(hù)截面的內(nèi)力值,結(jié)果見圖19、圖20。

圖19 軸力隨掌子面推進(jìn)距離變化示意

圖20 彎矩隨掌子面推進(jìn)距離變化示意

由圖19 可知,當(dāng)中巖柱掌子面與研究斷面之間的距離在-8~20 m 之間時(shí),隨著中巖柱的開挖,研究斷面拱頂支護(hù)軸力逐漸減小并趨于穩(wěn)定,其他位置支護(hù)軸呈現(xiàn)出先增大后減小關(guān)逐漸穩(wěn)定的規(guī)律;與軸力相比,中巖柱開挖對研究斷面支護(hù)彎矩的影響較大,具體表現(xiàn)為拱頂及拱腰彎矩先減小后穩(wěn)定,其余位置支護(hù)彎矩先增大,然后逐漸穩(wěn)定。 總體來看,當(dāng)中巖柱掌子面與研究斷面之間的距離大于20 m 以后,研究斷面支護(hù)各個(gè)位置內(nèi)力幾乎不再變化。 中巖柱開挖對研究斷面支護(hù)軸力的影響程度排序?yàn)楣绊?左拱腰>右拱腰>邊墻,最終由內(nèi)力換算出的安全系數(shù)值均大于2.0,表明研究斷面隧道襯砌結(jié)構(gòu)均處于安全狀態(tài)。

因此,綜合位移及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,中巖柱開挖對車站隧道的有效影響范圍為20 m。

4.2 臨時(shí)支護(hù)拆除影響規(guī)律分析

布置與4.1 節(jié)中相同的監(jiān)測點(diǎn),研究拆除臨時(shí)支護(hù)對隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍,計(jì)算結(jié)果見圖21。 其中第一階段為車站隧道的第一層橫撐和第一及第二層豎撐的拆除,第二階段為車站隧道的第二層橫撐和第三層豎撐的拆除,第三階段為3 號風(fēng)道臨時(shí)支護(hù)的拆除;橫坐標(biāo)-8~50 對應(yīng)于車站隧道臨時(shí)支撐拆除,橫坐標(biāo)1~7 為與3 號風(fēng)道臺階對應(yīng)和臨時(shí)支護(hù)拆除。

圖21 各拆撐階段測點(diǎn)位移變化曲線

由圖21 可知,當(dāng)拆撐斷面與研究斷面距離在8~30 m 之間時(shí),研究斷面各個(gè)位置測點(diǎn)位移增加較為顯著。 第一階段上面兩層臨時(shí)支護(hù)的拆除對左拱腰及拱頂?shù)挠绊戄^大,邊墻及右拱腰處結(jié)構(gòu)位移隨拆撐推進(jìn)增加較為平緩;第二階段拆除車站隧道端頭處的第二層橫撐及第三層豎撐時(shí)各部位位移增加2~4 mm。 該區(qū)段為車站隧道尾端僅存的全環(huán)結(jié)構(gòu),初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)的組合結(jié)構(gòu)對維持車站端頭穩(wěn)定起很大作用,此處的拆撐為施工中的關(guān)鍵工序。 第三階段3 號風(fēng)道的第一層豎撐及第二層靠近端頭橫撐的拆除導(dǎo)致車站隧道研究斷面拱頂及左拱腰處結(jié)構(gòu)位移增大約2 mm,右拱腰受影響程度次之,邊墻受影響較小。

為進(jìn)一步研究臨時(shí)支護(hù)拆除對既有結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,提取與上述測點(diǎn)對應(yīng)位置支護(hù)截面軸力、彎矩值。根據(jù)式(1)和式(2)可求解出結(jié)構(gòu)安全系數(shù),拆撐階段的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖22。

圖22 拆撐階段研究斷面結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

由圖22 可知,研究斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)在第一階段拆撐時(shí)降低最顯著,特別是拱頂及左拱腰處安全系數(shù)在第一階段降低約1.5,右拱腰處安全系數(shù)降低約1.0,邊墻處安全系數(shù)降低0.5;拆撐斷面距研究斷面超過30 m 后結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)趨于穩(wěn)定;第二階段各部位安全系數(shù)值降低約0.5。 當(dāng)拆撐面距研究斷面超過30 m 后結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)也趨于穩(wěn)定。 第三階段3 號風(fēng)道臨時(shí)支護(hù)的拆除也導(dǎo)致右拱腰及邊墻處安全系數(shù)的減小,減小幅度在0.25 左右,其中5 號橫撐的拆除影響最為顯著;對于左拱腰及拱頂處隧道襯砌,3 號風(fēng)道臨時(shí)支護(hù)的拆除降低該處襯砌的彎矩值,增加結(jié)構(gòu)安全性。 同時(shí)需要注意,在拆除車站隧道臨時(shí)支護(hù)時(shí),襯砌邊墻安全系數(shù)已經(jīng)小于控制標(biāo)準(zhǔn)要求(受壓時(shí)K>2.0),3 號風(fēng)道臨支拆除后,邊墻截面安全系數(shù)進(jìn)一步降低至1.5 以下。 因此,建議施工過程中對兩風(fēng)道與車站隧道交叉處邊墻的支護(hù)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng);3 號風(fēng)道的開挖及拆撐方式也有進(jìn)一步優(yōu)化的空間,例如僅開挖上導(dǎo)洞,其余導(dǎo)洞掛洞門處理等。

綜合分析研究斷面支護(hù)變形及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,拆撐對研究斷面影響范圍在30 m 范圍內(nèi),超過30m 后結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力均趨于穩(wěn)定。 研究表明,拆撐環(huán)節(jié)關(guān)鍵工序分別為車站隧道端頭處臨時(shí)支護(hù)的拆除,3 號風(fēng)道第一層豎向臨時(shí)支護(hù)的拆除,3 號風(fēng)道第二層靠近端頭橫向臨時(shí)支護(hù)的拆除。

5 結(jié)論

以重慶地鐵4 號線玉帶山暗挖車站隧道為工程依托,采用三維數(shù)值方法對超大跨地鐵暗挖車站隧道群洞效應(yīng)及施工力學(xué)特性開展了研究,主要結(jié)論如下。

(1)車站隧道下部兩層臺階的開挖及3 號風(fēng)道臨時(shí)支護(hù)的拆除導(dǎo)致的單個(gè)階段拱頂沉降均大于1 cm,施工時(shí)需采取控制措施。 先行施工3 號風(fēng)道右上導(dǎo)洞(靠近端頭處)引起的車站隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降要大于先行施工遠(yuǎn)離端頭處導(dǎo)洞。

(2)隧道拱頂支護(hù)內(nèi)力在車站隧道施工階段增長較大,拱腰處內(nèi)力則是在兩側(cè)導(dǎo)洞的開挖時(shí)增長更為明顯。 先行施工3 號風(fēng)道遠(yuǎn)離車站端頭的左側(cè)上導(dǎo)洞更對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較為有利,綜合考慮車站支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力變化規(guī)律,工況一為較優(yōu)方案。

(3)車站隧道及3 號風(fēng)道臨時(shí)支護(hù)拆除對研究斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響較為顯著,是施工中的關(guān)鍵工序。 車站隧道端頭的全環(huán)結(jié)構(gòu)及底部兩層臨時(shí)支護(hù)對維持隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用,建議這部分臨時(shí)支護(hù)拆除前宜采用控制措施并加強(qiáng)施工監(jiān)測。

(4)預(yù)留中巖柱的開挖對車站隧道結(jié)構(gòu)的有效影響范圍在20 m 以內(nèi),各部位的受影響程度排序?yàn)楣绊?左拱腰>右拱腰>邊墻,中巖柱開挖對既有隧道結(jié)構(gòu)影響程度小于拆撐工序,開挖完成后結(jié)構(gòu)仍有一定安全余量。

(5)當(dāng)拆撐斷面與研究斷面距離小于30 m 時(shí),車站隧道臨時(shí)支護(hù)拆除對既有結(jié)構(gòu)影響明顯。 影響較大的拆撐關(guān)鍵部位分別為:車站隧道端頭處臨時(shí)支護(hù)、3 號風(fēng)道第一層豎向臨時(shí)支護(hù)、3 號風(fēng)道第二層靠近端頭的橫向臨時(shí)支護(hù)。 在進(jìn)行車站隧道第三層臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí),研究斷面邊墻處結(jié)構(gòu)安全性已經(jīng)低于安全控制標(biāo)準(zhǔn),建議施工時(shí)需加強(qiáng)兩風(fēng)道與車站隧道交叉處邊墻的支護(hù)。