暗挖地鐵車站隧道與風道交叉段群洞施工力學特性研究

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. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031;3. 西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

引言

重慶地鐵4 號線玉帶山站車站隧道跨度大、施工導洞及出入口眾多,在空間上相互組合,形成復雜的“群洞”,施工期間結構受力及變形特征均較為復雜。另一方面,由于該隧道采用4 層12 導洞開挖,施工過程中存在多臺階開挖、預留中巖柱、臨時支護拆除順序與不同導洞開挖協調等問題,結構體系的變形及內力控制難度大,施工全過程中車站隧道及部分導洞結構的安全風險較高。 特別是車站末尾端頭處,2 個大跨風道通道與車站隧道在同一里程對側相交,進一步增加了施工難度。

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

在預留中巖柱的多導洞開挖工法方面,也有較多學者開展相關研究。 劉寧通過數值模擬及室內模型試驗對淺埋大斷面隧道雙洞中巖柱法施工方案進行動態模擬,并結合實測數據分析中巖柱施工引起的隧道圍巖力學特性變化情況,結果顯示中巖柱開挖圍巖應力有突變過程[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,分析導洞施工對中巖墻的力學性能影響[8];余熠依托某淺埋大斷面隧道,采用數值方法研究雙側壁導坑法施工力學特性[9];皇甫明分析臺階長度和核心土長度對隧道工作面的內凈空水平收斂位移、工作面前方土體的地層沉降及其主應力分布等的影響[10];既有研究還表明,不同拆撐方案對隧道拱頂沉降及結構安全性均會產生影響[11-12],針對臨時支護,特別是中巖柱兩側的臨時支護,其拆除方式和拆除時機的選取顯得尤為關鍵。

綜上所述,復雜洞室建設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力、塑性區分布、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支護的一次拆除長度等都與隧道支護結構的空間力學特征直接相關,而既有研究中對上述問題尚未形成系統的解決方案。 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,采用數值方法對暗挖地鐵車站端頭處交叉群洞施工力學特性開展研究,以期探明群洞空間施工效應、支護結構空間相互影響規律等問題,相關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,車站南側為已建軌道交通環線玉帶山車站,與本站采用通道換乘,車站及各個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,車站設計為復合式襯砌結構。 車站末端里程主洞結構設計輪廓見圖2,其中初期支護為兩層28 cm 厚的C25 噴混結構,二襯為110 cm 厚的C40 鋼混結構。 車站拱頂埋深26~45 m。 車站隧道洞身主要處于中風化砂質泥巖地層,圍巖等級為Ⅳ級。 車站起點里程為YK3+505,車站終點里程為YK3+747,車站總長度為242 m。

圖1 玉帶山車站區間平面位置關系示意

圖2 玉帶山車站隧道橫斷面

結合工程實際,主要研究車站終點端頭里程樁號YK3+707.466~YK3+747.466 共40 m 范圍內的車站隧道、3 號風道及6 號風道及其組成的空間群洞結構,該范圍內的車站隧道和風道通道相互位置關系以及該區段地質情況見圖3。

圖3 車站隧道縱斷面

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

2 車站隧道施工方案

根據設計方案,車站隧道主洞采用4 層12 導洞法開挖,各個導洞開挖順序見圖4(圖中數字為導洞及臺階編號)。 主洞開挖完成后,再分別開挖3 號及6 號風道,由于2 個風道距離隧道主洞端頭較近,2 個風道隧道開挖后,主洞隧道支護結構在環向上會出現臨空段,進而形成復雜的空間群洞效應。 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。 根據工程類比并結合現場施工安排,初步選定2 種不同工序組合方案進行分析論證,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 玉帶山車站終點端頭區間空間結構示意

3 風道導洞開挖工序優化分析

3.1 數值模型及邊界條件

為了分析上述復雜群洞空間力學特性,采用有限差分程序FLAC3D 建立車站隧道三維數值模型,數值模型空間結構示意見圖5。 車站3 號風道開挖寬度為15.6 m,高度為22 m;6 號風道開挖寬度為9.6 m。 風道隧道和車站隧道數值模型及尺寸見圖6。

圖5 數值模型空間結構示意

圖6 風亭組及車站主體空間結構模型

在數值模型中,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道的支護,用摩爾-庫侖模型模擬圍巖。 在數值模型中,圍巖采用實體單元模擬,初期支護及臨時支護均采用結構單元模擬。整體數值模型中實體單元總數為67 260 個,結構單元總數為16 614 個。 數值模型的邊界條件為:上表面為自由邊界,其余面均設置法向位移約束。

3.2 數值計算參數的標定

根據玉帶山車站隧道地質勘察報告,同時參考TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》選取圍巖、支護結構物理力學參數,為了保證數值計算的準確性,對玉帶山車站泥巖試件開展單軸、三軸壓縮試驗,將泥巖試件按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》的制樣要求加工成?50 mm、高100 mm 的標準圓柱體試件,進行單軸、三軸壓縮試驗,加壓過程見圖7。

圖7 泥巖試件壓縮試驗及結果

結合玉帶山車站現場掌子面揭示情況,將所得泥巖巖石參數換算成泥巖巖體參數,結果見表2。

表2 圍巖及支護力學參數取值

為了驗證實驗參數的合理性,在施工現場車站里程YK3+667 處布置地表沉降測線,位置見圖8,并與數值計算結果進行對比分析,結果見圖9。

圖8 地表沉降測線平面位置

圖9 地表沉降計算值與實測值對比

由圖9 可知,最終數值計算結果與現場施工實測值相比,無論是沉降影響范圍還是沉降的量值上均較為接近。 故可以認為數值計算選取的材料參數和設定的邊界條件與現場實際基本相符。

3.3 施工過程模擬

依據設計方案,該隧道開挖順序為:首先開挖主隧道1、2、3、4 部導洞,然后開挖中巖柱8、9 部,然后,拆除端頭主隧道1~3 層的臨時支護。 在這個狀態下,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 號風道。 6 號風道采用兩臺階法開挖,3 號風道采用三臺階CD 法開挖,各個臺階開挖的順序及隧道群洞各個階段的空間狀態見圖10。

圖10 暗挖車站隧道群洞開挖工序示意(工況二)

原設計方案考慮僅在3 號風道處開1 個導洞,以方便隧道洞內形成貫通風道,3 號風道其他各個分部待主隧道結構封閉成環后再進行開挖。 因此,群洞分析主要考察3 號風道17 部和18 部與6 號風道的開挖順序對群洞區段主洞結構的影響。 工況一與工況二相比僅3 號風道左右上導洞開挖順序不同,其余步驟均一致。

3.4 隧道拱頂沉降分析

為研究3 號風道左右上導洞開挖順序對主洞結構變形的影響,在車站隧道結構拱頂處布置2 個位移測點,測點具體布置見圖11。 提取兩種工況在各個工序時兩測點的沉降值,繪制成測點沉降隨開挖工序的變化曲線,見圖12。

圖11 隧道拱頂位移測點布置

圖12 隧道拱頂位移測點沉降變化曲線

由圖12 可知,兩測點處支護結構沉降隨著開挖工序的推進在不斷增大,最終狀態靠近端頭處測點1 沉降大于測點2 處,工況二先行施工3 號風道右上導洞(靠近端頭處)引起的車站隧道結構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 號風道臨時支護的拆除導致的單個階段拱頂沉降均大于1 cm,這兩個階段位移增量顯著大于其余施工工序。 最終狀態工況二施工引起的測點1 處最大沉降為5.54 cm,測點2 處最大沉降為5.11 cm;工況一引起的測點1 處最大沉降為5.46 cm,測點2 處最大沉降為5.02 cm。 故從施工引起隧道支護結構變形的角度分析,采用工況一施工相對有利。

3.5 支護結構內力分析

為了進一步對2 種工法開挖最終狀態支護結構的內力及安全系數值進行對比,選取圖13 左所示的2 個內力研究斷面,其中y=42 對應6 號風道隧道中線剖面,y=52 對應3 號風道隧道中線剖面。 以這2 個斷面車站隧道支護結構各關鍵部位作為研究對象分析內力及安全系數有很好的代表性,研究選取的各初期支護關鍵部位分析單元見圖13。

圖13 內力研究斷面及截面布置

工況一及工況二最終狀態下,1-1 斷面(y=52)處支護結構軸力及彎矩計算結果見圖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,車站隧道結構拱頂及拱腰的軸力隨開挖步呈現增大趨勢,最終狀態軸力從拱腰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,拱頂支護結構軸力受車站隧道臺階開挖影響較大;兩側拱腰由于靠近3 號及6 號風道口,受風道導洞的開挖影響較大。 特別是6 號風道上導洞的開挖導致拱腰4 處軸力瞬時增大2 500 kN;3 號風道上導洞的開挖導致拱腰1 處軸力減小1 000 kN;主洞及3 號風道臨時支護結構拆除時,拱頂及拱腰處軸力增大明顯。 采用工況二施工時,在兩側風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%,這說明風道導洞開挖順序對支護軸力影響有限。

由圖15 可知,隧道拱頂彎矩受開挖步影響很小,彎矩基本保持穩定,而3 號及6 號風道開挖以及最后臨時支護拆除時兩側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,臨時支護拆除前拱頂結構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,綜合軸計算結果,2 個工況差異并不顯著。

根據內力計算結果求得研究斷面各截面的安全系數隨開挖步變化規律,見圖16(顯示方式與圖14、圖15 相同)。 安全系數的換算方法為

圖16 1-1 斷面各開挖步安全系數

式中,K為安全系數;N為軸力;φ為構件縱向彎曲系數,取1;α為軸向力的偏心影響系數;e為截面偏心距;Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強度;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構安全系數隨開挖步的推進整體呈減小趨勢,安全系數變化較明顯的工序是3 號及6 號風道上導洞開挖工序;5~6 臺階的開挖及臨時支護的拆除,安全系數變化規律與內力計算結果反映的趨勢基本相符。 從不同部位看,拱頂處支護結構安全系數受兩側風道導洞開挖影響較小,拱腰處支護結構安全系數在兩側風道導洞開挖及車站隧道開挖時均有一定幅度增減。 采用工況二施工時,研究斷面隧道拱頂部位安全系數相較于工況一有小幅減小,右側拱腰安全系數無明顯變化,而左側拱腰處結構受影響較明顯,工況二先行施工3 號風道靠近端頭處上導洞,導致安全系數在該施工階段下降約6%。 最終狀態下,兩個研究斷面安全系數最小值為2.41(右拱腰、受壓),滿足規范要求。

為進一步研究3 號風道上導洞施工順序對支護結構安全性的影響,依據內力計算結果換算出最終狀態各兩個工況研究斷面特征截面處結構安全系數,結果見表3。

表3 工況一及工況二最終狀態支護結構特征截面安全系數

由表3 可知,受兩側風道開挖的擾動影響,靠近開挖側的車站隧道拱腰處結構安全系數顯著低于其他部位。 安全系數從風道開挖側到對側呈不斷增大的趨勢(1-1 斷面安全系數從拱腰1 到拱腰4 不斷降低、2-2 斷面安全系數從拱腰1 到拱腰4 不斷增大),且均大于控制標準(2.0),有一定安全余量。 最終狀態下,1-1 斷面拱腰4 處安全系數最小(2.31,受壓),相較于工況二的2.18 安全系數增加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均有不同程度的增加。

綜上,對于玉帶山車站尾端區間的施工,推薦采用先行開挖3 號風道左側上導洞的方案。

4 中巖柱開挖及拆撐影響分析

由第2 節施工方案可知,該車站隧道斷面較大,受力復雜,在施工時先預留中間部分的中巖柱,但為了便于施工機械的運輸并滿足通風需求,需要拆除車站末尾端頭部分區段的中巖柱及臨時支撐,為此,有必要進一步分析中巖柱開挖及拆撐長度對隧道結構的影響范圍。

4.1 中巖柱開挖影響規律分析

為了研究中巖柱開挖長度對所選研究斷面的影響規律,在開挖模擬前,先在3 號風道中線剖面對應的車站隧道拱頂、拱腰及邊墻處布置變形和應力測點,見圖17。 中巖柱開挖過程中上述測點的位移計算結果見圖18。 由計算結果可知,隨著中巖柱掌子面的推進,各部位測點的位移值均呈現先增大后趨于穩定的規律,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,拱頂處沉降增加1.18 mm,之后5 ~ 40 m 的開挖階段拱頂測點沉降僅增加了0.09 mm,其余測點也有類似規律,各階段位移增量見表4。

表4 測點位移隨掌子面推進距離的階段增量 mm

圖17 研究斷面及監測點位置示意

圖18 測點位移隨掌子面推進距離變化示意

由表4 可知,當掌子面距研究斷面-8~5 m 時,各研究測點位移增量占整個中巖柱開挖過程的70%以上;當掌子面距離研究斷面大于20m 以后,中巖柱開挖導致拱頂、邊墻、左拱腰及右拱腰處測點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。

為進一步研究中巖柱開挖推進對既有結構內力的影響,提取上述測點對應支護截面的內力值,結果見圖19、圖20。

圖19 軸力隨掌子面推進距離變化示意

圖20 彎矩隨掌子面推進距離變化示意

由圖19 可知,當中巖柱掌子面與研究斷面之間的距離在-8~20 m 之間時,隨著中巖柱的開挖,研究斷面拱頂支護軸力逐漸減小并趨于穩定,其他位置支護軸呈現出先增大后減小關逐漸穩定的規律;與軸力相比,中巖柱開挖對研究斷面支護彎矩的影響較大,具體表現為拱頂及拱腰彎矩先減小后穩定,其余位置支護彎矩先增大,然后逐漸穩定。 總體來看,當中巖柱掌子面與研究斷面之間的距離大于20 m 以后,研究斷面支護各個位置內力幾乎不再變化。 中巖柱開挖對研究斷面支護軸力的影響程度排序為拱頂>左拱腰>右拱腰>邊墻,最終由內力換算出的安全系數值均大于2.0,表明研究斷面隧道襯砌結構均處于安全狀態。

因此,綜合位移及內力計算結果,中巖柱開挖對車站隧道的有效影響范圍為20 m。

4.2 臨時支護拆除影響規律分析

布置與4.1 節中相同的監測點,研究拆除臨時支護對隧道結構的影響范圍,計算結果見圖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 號風道臨時支護的拆除;橫坐標-8~50 對應于車站隧道臨時支撐拆除,橫坐標1~7 為與3 號風道臺階對應和臨時支護拆除。

圖21 各拆撐階段測點位移變化曲線

由圖21 可知,當拆撐斷面與研究斷面距離在8~30 m 之間時,研究斷面各個位置測點位移增加較為顯著。 第一階段上面兩層臨時支護的拆除對左拱腰及拱頂的影響較大,邊墻及右拱腰處結構位移隨拆撐推進增加較為平緩;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各部位位移增加2~4 mm。 該區段為車站隧道尾端僅存的全環結構,初期支護與臨時支護的組合結構對維持車站端頭穩定起很大作用,此處的拆撐為施工中的關鍵工序。 第三階段3 號風道的第一層豎撐及第二層靠近端頭橫撐的拆除導致車站隧道研究斷面拱頂及左拱腰處結構位移增大約2 mm,右拱腰受影響程度次之,邊墻受影響較小。

為進一步研究臨時支護拆除對既有結構的影響規律,提取與上述測點對應位置支護截面軸力、彎矩值。根據式(1)和式(2)可求解出結構安全系數,拆撐階段的支護結構安全系數計算結果見圖22。

圖22 拆撐階段研究斷面結構安全系數

由圖22 可知,研究斷面支護結構安全系數在第一階段拆撐時降低最顯著,特別是拱頂及左拱腰處安全系數在第一階段降低約1.5,右拱腰處安全系數降低約1.0,邊墻處安全系數降低0.5;拆撐斷面距研究斷面超過30 m 后結構的安全系數趨于穩定;第二階段各部位安全系數值降低約0.5。 當拆撐面距研究斷面超過30 m 后結構的安全系數也趨于穩定。 第三階段3 號風道臨時支護的拆除也導致右拱腰及邊墻處安全系數的減小,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 號風道臨時支護的拆除降低該處襯砌的彎矩值,增加結構安全性。 同時需要注意,在拆除車站隧道臨時支護時,襯砌邊墻安全系數已經小于控制標準要求(受壓時K>2.0),3 號風道臨支拆除后,邊墻截面安全系數進一步降低至1.5 以下。 因此,建議施工過程中對兩風道與車站隧道交叉處邊墻的支護進行適當加強;3 號風道的開挖及拆撐方式也有進一步優化的空間,例如僅開挖上導洞,其余導洞掛洞門處理等。

綜合分析研究斷面支護變形及內力計算結果,拆撐對研究斷面影響范圍在30 m 范圍內,超過30m 后結構的位移及內力均趨于穩定。 研究表明,拆撐環節關鍵工序分別為車站隧道端頭處臨時支護的拆除,3 號風道第一層豎向臨時支護的拆除,3 號風道第二層靠近端頭橫向臨時支護的拆除。

5 結論

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

(1)車站隧道下部兩層臺階的開挖及3 號風道臨時支護的拆除導致的單個階段拱頂沉降均大于1 cm,施工時需采取控制措施。 先行施工3 號風道右上導洞(靠近端頭處)引起的車站隧道結構拱頂沉降要大于先行施工遠離端頭處導洞。

(2)隧道拱頂支護內力在車站隧道施工階段增長較大,拱腰處內力則是在兩側導洞的開挖時增長更為明顯。 先行施工3 號風道遠離車站端頭的左側上導洞更對支護結構受力較為有利,綜合考慮車站支護結構變形及內力變化規律,工況一為較優方案。

(3)車站隧道及3 號風道臨時支護拆除對研究斷面支護結構位移和內力的影響較為顯著,是施工中的關鍵工序。 車站隧道端頭的全環結構及底部兩層臨時支護對維持隧道結構穩定性起著至關重要的作用,建議這部分臨時支護拆除前宜采用控制措施并加強施工監測。

(4)預留中巖柱的開挖對車站隧道結構的有效影響范圍在20 m 以內,各部位的受影響程度排序為拱頂>左拱腰>右拱腰>邊墻,中巖柱開挖對既有隧道結構影響程度小于拆撐工序,開挖完成后結構仍有一定安全余量。

(5)當拆撐斷面與研究斷面距離小于30 m 時,車站隧道臨時支護拆除對既有結構影響明顯。 影響較大的拆撐關鍵部位分別為:車站隧道端頭處臨時支護、3 號風道第一層豎向臨時支護、3 號風道第二層靠近端頭的橫向臨時支護。 在進行車站隧道第三層臨時支護拆除時,研究斷面邊墻處結構安全性已經低于安全控制標準,建議施工時需加強兩風道與車站隧道交叉處邊墻的支護。