既有隧道上方修建力學分析輕軌車站的

摘　要　研究了在既有隧道上方修建輕軌車站的方案。采用荷載2結構模型及連續體模型對輕軌車站進行了力學計算分析,確定了方案的可行性。對輕軌車站實施過程中有關既有隧道的保護以及輕軌車站的設計和施工提出了切實可行的措施。
關鍵詞　既有隧道,隧道保護,輕軌車站,施工設計,施工監控
1 　工程概況
1. 1 　既有隧道概況
某輕軌車站座落于一條長128 m 的隧道上方。該隧道為雙洞雙向四車道城市道路隧道,單洞隧道寬
13. 94 m , 高9. 15 m , 兩洞之間的巖柱寬5. 8 m 。隧道南北兩端分別設有6～10 m 的明洞。洞身初期支護為噴錨支護,噴射砼標號為C25 , 厚15 cm , 鋼筋網<8 @20 cm ×20 cm 。<22 超前支護錨桿長4 m , 環向間距0. 5 cm , 搭接段水平投影長度不小于1 m ; <22 徑向支護錨桿長3 m , 環向間距1 m 。超前錨桿、徑向錨桿均采用梅花型布置。另外, Ⅲ 類圍巖地段增設格柵鋼架支撐,中至中間距為0. 5 m 。模筑砼襯砌標號為C20 。Ⅲ類圍巖地段模筑襯砌厚60 cm , Ⅳ 類圍巖地段模筑襯砌厚45 cm 。隧道襯砌斷面見圖1 、2 。兩端洞門端墻采用M7. 5 號水泥砂漿砌條石砌筑,其表面采用斧剁石飾面。仰坡采用掛網噴射砼。噴射砼標號為C25 , 厚15 cm , 鋼筋網<8 @20 cm ×20 cm 。<22 錨桿長3～3. 5 m , 間距1 m ×1 m , 呈梅花型布置。該隧道于2000 年6 月建成通車。

圖1 　Ⅲ 類圍巖襯砌斷面

圖2 　Ⅳ 類圍巖襯砌斷面
1. 2 　輕軌車站概況
該輕軌車站為地面一層(局部帶夾層),側式站臺車站,修建于既有隧道頂的山坡上。原隧道上方巖層覆蓋厚度9～18 m 。輕軌車站將直接座落于隧道上方。修建輕軌車站時需掘除隧道上方部分巖層,建成后,隧道上方的巖體覆蓋厚度約8 m 左右。擬修建的輕軌車站長120. 6 m , 車站總寬為42. 3 m , 站臺部分標準段寬為14. 9 m ; 車站南北向布設,站位附近為居住區及城市型商業金融用地;車站東西兩側為陽光花園小區、園丁小區、翠湖花苑、陶瓷市場等。車站標準段建筑橫剖面見圖3。

圖3 　車站建筑橫剖面圖
1. 3 　工程地質及水文地質
隧道洞頂表層為第四系殘坡積粉質粘土(Q4el + dl) ,呈褐色、紫褐色,可塑狀態,一般厚0～1. 0 m ; 下伏巖層為侏羅系中統沙溪廟組的砂質泥巖(J2s) ,呈紫色、紫褐色,粉砂泥質結構,巨厚層狀構造,含鈣質結核、砂質條帶、團斑。上部強風化層厚1～2 m , 其巖體破碎,完整性差;下部中風化層強度較高,裂隙不發育,完整性較好,其巖石室內單軸自然抗壓強度為6. 6～11. 9 MPa , 飽和抗壓強度為4. 1 ～7. 5 MPa , 內摩擦角為39. 6°～ 41. 1°,內聚力為1. 8～2. 2 MPa , 抗拉強度為0. 4～0. 6 MPa , 變形模量為1 500 MPa , 彈性模量為1 800 MPa , 泊松比為0. 34 。隧道圍巖為Ⅲ～ Ⅳ 類(本隧道圍巖分類標準按《公路隧道勘測規程》(J TJ063 -85) 附錄三劃分, 與現有規范對隧道圍巖的分類標準有所不同) 。
隧道區地貌為構造剝蝕丘陵地貌,丘頂呈脊狀東西向延伸,地表水排泄條件好。隧道區表層土薄, 下伏巖層為砂質泥巖,其隔水性好,節理不發育,無地下水運移、儲存空間。強風化層薄,巖基面陡,地表水滲入地下很快順巖面排出,在土層及風化層中局部可形成上層滯水。上層滯水受季節性影響大, 久旱干枯。水文地質條件簡單,地下水量極其微弱。
2 　數值計算分析
在結構靜力計算分析中,采用兩種力學模型對輕軌車站建成后的狀況進行力學分析。
2. 1 　荷載—結構模型
假設襯砌為彈性梁,梁的變形為小變形。將襯砌離散為多個等厚直桿單元,計算中計及基底不均勻沉陷的影響,用布置于各節點上的彈簧單元來模擬圍巖與襯砌間的相互約束。假定彈簧不承受拉力,即不計圍巖與襯砌間的粘結力,彈簧受壓時的反力Ri 即為圍巖對襯砌的彈性抗力Ri = kiXi (式中i 為節點碼; Xi 為彈簧的壓縮位移; ki 為彈簧的彈性系數, Ri = Klib , 其中K 為圍巖彈性抗力系數, li 為抗力作用范圍, b 為結構縱向計算寬度) 。
按淺埋隧道計算隧道襯砌所受的荷載:
垂直壓力q =γh 式中:γ為圍巖重度,kN/ m3 ; h 為洞頂至地面高度, m。
水平壓力ei =γhi
λ tgβ-tg<g
其中λ= tgβ[1 + tg βtg<g]
tgβ= tg<g + tg2 <g + 1 式中:λ為側壓力系數; <g 為圍巖計算摩擦角;β為產生最大推力時的破裂角; hi 為任意點至地面的距離m。
結構計算時計及襯砌自重。擬建輕軌車站及已建地面建筑物作為地面超載作用于地面。邊墻基礎彈性固定,只產生豎向和轉角位移,而不產生水平位移。分析時將基底水平方向給以剛性約束,豎向和轉角方向用彈性支座單元給以彈性約束。結構計算模型見圖4 。計算得到的襯砌斷面彎矩和軸力圖分別見圖5 、6 。按現行隧道規范判定砼襯砌結構的強度安全系數滿足要求。

圖4 　荷載—結構計算模型

圖5 　襯砌斷面彎矩圖
2. 2 　連續體模型
為了更好地發揮和利用圍巖的自承作用,將圍巖與支護襯砌視作統一的承載結構共同進行分析。把圍巖和支護襯砌當作一個聯合體系來考慮,為半無限平面應變問題。計算邊界上部取至地表,左右兩側及隧道底部取至5 倍洞徑之外,采用四邊形等參元劃分計算網格。其力學計算模型見圖7 。

圖6 　襯砌斷面軸力圖

圖7 　連續體計算模型
　　計算中假定巖體及襯砌是各向同性的連續介質。計算模型為彈性模型。圍巖體及支護襯砌結構物理力學計算參數見表1 。擬建輕軌車站及已建地面建筑物作為地面超載作用于地面.
表1 　圍巖體及支護襯砌結構物理力學計算參數

由計算結果可知: (3) 輕軌車站施工過程中,運營隧道洞體及洞
(1) 采用Drucker2Prager 準則對圍巖和襯砌進體間的巖柱是穩定的。
行塑性屈服判定,圍巖體內未出現壓剪塑性區; 2. 3 　結構計算模式的討論(2) 隧道襯砌的邊墻及墻腳處為受力較不利區在已建淺埋隧道上方修建輕軌車站,作用于隧域,隧道基底圍巖局部出現拉應力,但其值均在抗拉道結構上的圍巖壓力不可能出現推導淺埋荷載公式強度范圍之內; 時的破裂面,因此用于淺埋隧道圍巖壓力的計算公式的適用性是值得商榷的。為安全計,作用于隧道襯砌結構上的垂直壓力采用上覆巖層的全部重力, 并視為均勻分布。本工程在已建隧道上方修建的輕軌車站,其荷載視為加載,它不同于新建隧道的開挖、襯砌過程,其圍巖壓力應為圍巖自重應力場、地面建筑物荷載和輕軌車站荷載的應力疊加。荷載結構模型和連續體模型相比,后者計算結果更符合結構的實際受力過程。
3 　設計與施工措施
(1) 隧道上方上覆巖層的開挖宜采用淺層控制爆破和光面爆破技術,降低對既有隧道襯砌、圍巖以及周圍建筑物的擾動。在爆破作業時,為使產生的振動不致破壞既有隧道及地面建筑物,應對爆破引起的既有隧道襯砌周圍建筑物的振動速度分別進行量測比較,并據此確定爆破規模,慎重選擇鉆爆參數,加強施工管理。
(2) 泥巖風化崩解易產生掉塊或塌落,對開挖邊坡應采用掛網噴射砼封閉開挖坡面。噴砼標號C25 厚15 cm , 鋼筋網為<8 @20 cm ×20 cm ; 垂直于邊坡設<22 錨桿,長3. 5 m , 間距1 m ×1 m , 按梅花型布置,使錨噴網與巖體組成一個整體。
(3) 開挖中應隨時檢查邊仰坡,如有滑動、開裂等現象,應適當放緩坡度,保證邊仰坡穩定和施工安全。
(4) 基坑開挖應水平成層開挖,避免造成隧道的偏壓現象。坡角與基坑底連接處應平順開挖,避免引起應力集中。在建筑布局上,要盡量使車站基礎置于同一標高處,以簡化設計,方便施工,減少支護工作量,降低工程造價。
(5) 做好地表水的引排設施,排除積水。
4 　監控量測
監控量測是監視圍巖穩定、判斷設計與施工方法是否正確的重要手段,亦是保證安全施工、提高經濟效益的重要條件,必須貫穿施工的全過程。監控量測包括洞內外觀察、隧道凈空水平收斂量測、隧道拱頂下沉量測和地表沉陷量測。每座單洞隧道可考慮設置3 個量測斷面,兩端洞口各一個斷面,中間一個斷面,量測頻率每天1～2 次。及時根據量測數據繪制凈空水平收斂和拱頂下沉時態曲線,配合地質、施工各方面的信息,優化施工方法,調整作業時間, 力求安全可靠、經濟合理。
依靠振動量測來監控爆破對隧道襯砌及地面建筑物的擾動和破壞情況。爆破振動量測用振動速度、加速度等判斷。不同的建筑物允許的振動速度不同,應符合國家標準《爆破安全規程》有關規定。

參考文獻
1 　鐵二院主編. 鐵路工程設計技術手冊·隧道. 北京:中國鐵道出版社,1995
2 　羅衍儉. 大型地下交叉洞群的圍巖穩定性分析. 西部探礦工程, 1997(6) :59～61