盾構(gòu)隧道基礎上修建三條平行隧道
地鐵車站的施工力學行為研究

摘　要　結(jié)合我國地鐵區(qū)間單線盾構(gòu)隧道直徑6m 左右的實情,提出了在盾構(gòu)隧道的基礎上修建三條平行隧道島式站臺車站方案。對該車站結(jié)構(gòu)的施工力學行為進行了二維有限元數(shù)值模擬分析,得出了車站主體結(jié)構(gòu)在施作過程中的受力特征,并對其施工安全性作出了評價,最后提出了相應的設計和施工方面的建議。本研究成果可為今后實際工程的設計和施工提供參考。
關鍵詞　地鐵車站　盾構(gòu)隧道　三條平行隧道結(jié)構(gòu)　力學行為　設計與施工

　　目前,在我國城市地下鐵道建設中,盾構(gòu)法因其良好的防滲漏水性、安全快速、對環(huán)境影響小等優(yōu)點得到了大量采用,如上海、廣州和南京等,但僅限于單線區(qū)間隧道。如果能直接采用盾構(gòu)法或在盾構(gòu)隧道的基礎上擴建地鐵車站,可有效地提高盾構(gòu)設備的作業(yè)長度,無需先修建車站作為盾構(gòu)機的進出井, 這樣可縮短建設周期,并從總體上較大幅度地降低工程造價,還可解決采用明挖法修建地鐵車站時大量占用交通要道、影響車輛通行等弱點。在國外這種方法得到了大量采用,如日本在盾構(gòu)隧道的基礎上,采用托梁法或半盾構(gòu)法擴挖建成地鐵車站(東京地鐵7 號線的永田町車站),以及直接采用固定式或分離式連體盾構(gòu)機修建地鐵車站(都營地鐵12 號線飯?zhí)飿蛘竞土灸菊?;而前蘇聯(lián),以小盾構(gòu)隧道作為拱座,修建單拱結(jié)構(gòu)(單層或雙層) 作為地鐵車站, 或直接用直徑為9～10 m 的盾構(gòu)機建成三條平行隧道車站(基輔地鐵車站) [ 1 ,2 ] 。
結(jié)合廣州地鐵三號線林和西路站,作者在國內(nèi)首次對在區(qū)間盾構(gòu)隧道的基礎上修建地鐵車站的方案進行了研究,提出了三條平行隧道島式站臺車站方案。該車站結(jié)構(gòu)系在兩條已經(jīng)建成的區(qū)間盾構(gòu)隧道中間,再單獨采用暗挖法修建一條結(jié)構(gòu)獨立的隧道作為站臺,用聯(lián)絡通道的方式將該隧道與盾構(gòu)隧道聯(lián)結(jié),站廳設在地面或兩端地下,站臺兩端還可設輔助用房。其斷面的尺寸根據(jù)《廣州市軌道交通三號線工程總體策劃綱要(討論稿) 》(2001 -02 -19) 中的車站施工方法及綜合情況一覽表進行確定,三條平行隧道島式站臺車站方案斷面圖如圖1 所示。本文對該車站結(jié)構(gòu)的施工力學行為進行了二維有限元數(shù)值模擬分析研究。

圖1 　三條平行隧道島式站臺車站斷面(單位:mm)
1 　地形地質(zhì)概況
林和西路站位于天河北路與林和西路交叉口, 呈南北向,周圍超高層的地域標志性建筑物較多,為該地區(qū)主要城市景觀結(jié)點之一。該車站的主要特點:車站所在的林和西路現(xiàn)狀道路較窄,交通繁忙; 站兩側(cè)建筑物距離較近,站位東、西向調(diào)整幅度非常有限;站位所處位置兩旁建筑物的地下室已超出道路規(guī)劃紅線,造成出入口及風亭的布置困難;客流量較大;地下管線都很密集。場地為珠江一級堆積階地,第四系覆蓋層以人工堆積、沖洪積、殘積為主,厚5. 1～14. 5 m , 局部可見透鏡體狀淤泥質(zhì)土和細砂, 地質(zhì)構(gòu)造簡單,未發(fā)現(xiàn)有斷層通過。
林和西路站所在的地層從上到下為:人工填土、沖積粘土層、殘積土層、巖石強和中等風化帶、巖石風化帶和巖石微風化帶。該段地層水文地質(zhì)主要為部分地段砂層孔隙水及中風化巖裂隙水,穩(wěn)定地下水位埋深1.90～5.70 m 。
2 　施工過程力學行為有限元模擬分析
2. 1 　基本考慮
為了考察該車站主體結(jié)構(gòu)、普通盾構(gòu)管片和臨時支護在施工過程中的可行性與安全性以及圍巖的穩(wěn)定性,采用二維有限元對車站修建整個過程進行了數(shù)值模擬分析。采用平面應變有限元法、圍巖本構(gòu)選用Drucker -Prager (D -P) 準則、支護襯砌用彈性本構(gòu)、用單元的“ 生(alive) ”與“ 死(kill) ”的性質(zhì)和等效釋放載荷的概念來模擬隧道的開挖[3 ] 。使用等參四邊形單元(plane42) 模擬圍巖,梁單元(beam3) 模擬主體結(jié)構(gòu)、普通盾構(gòu)管片襯砌和臨時支護結(jié)構(gòu)。計算邊界為:左右邊界為1. 5 倍三連拱隧道跨度,下邊界為1 倍三連拱洞室高。整個模型高33. 12 m , 寬80 m , 軌面埋深為20. 0 m 。為了獲得較為可靠的分析結(jié)果,本次采用大型通用有限元軟件ANSYS 程序進行了數(shù)值分析,其有限元網(wǎng)格劃分如圖2 所示。
2. 2 　力學參數(shù)針對林和西路站地質(zhì)勘測,將其從上到下圍巖

圖2 　有限元網(wǎng)格
地質(zhì)情況綜合合并簡化為3 層材料性質(zhì)的巖土體進行計算分析,即地表淺層(合并了人工填土、沖積粘土層和稍密殘積土層) 、隧道所在層(中密殘積土層) 和隧道底層(巖石各種風化帶),其合并后地層參數(shù)為各合并層參數(shù)按層厚的加權(quán)平均值。盾構(gòu)隧道管片襯砌采用C50 鋼筋混凝土,考慮到接頭對管片結(jié)構(gòu)整體抗彎剛度的影響,取剛度折減系數(shù)為0. 8 、彎矩增大率系數(shù)為0. 3[4 ] 。主體結(jié)構(gòu)為C30 鋼筋混凝土,臨時支護鋼支撐用14 號工字鋼(A3 鋼,慣性距712 ×10-8m4,面積21. 5 ×10-4m2,截面高14 cm) 、每米一榀;噴混凝土用C20 混凝土,厚度為25 cm ; 最后修筑的二次襯砌為C30 鋼筋混凝土。拱頂?shù)貙蛹庸谭秶鸀?. 0m , 加固區(qū)巖體和超前支護采用將圍巖參數(shù)提高的等效方法進行模擬。所有材料物理力學參數(shù)列于表1 中。
2. 3 　開挖模擬過程概述用暗挖法中CRD 工法施工,其施工順序(圖3) 為:首先進行在自重作用下初始地應力場的模擬計算; ① 開挖左右盾構(gòu)區(qū)間隧道; ② 超前支護或地層加固,開挖左側(cè)上導洞并修筑左側(cè)拱部結(jié)構(gòu); ③ 開挖左側(cè)下導洞并修筑左側(cè)拱底結(jié)構(gòu); ④ 超前支護或地層加固,開挖右側(cè)上導洞并修筑右側(cè)拱部結(jié)構(gòu); ⑤ 開挖右側(cè)下導洞并修筑右側(cè)拱底結(jié)構(gòu)后修筑二次襯砌結(jié)構(gòu); ⑥ 開挖左右兩側(cè)聯(lián)絡通道。其荷載釋放率初期支護施作好后為75 % 、主體結(jié)構(gòu)(二次襯砌) 施作好后為25 %[3 ] 。初期支護與二次襯砌共用節(jié)點,即假設不發(fā)生滑動、二次襯砌隨著初期支護的變形而變形。
表1 　施工過程力學行為有限元模擬分析的材料物理力學參數(shù)

圖3 　車站開挖順序

3 　計算結(jié)果分析
3. 1 　盾構(gòu)隧道隨車站結(jié)構(gòu)修建的力學分析
左、右盾構(gòu)隧道最大彎矩和相應軸力隨開挖過程變化見表2 , 盾構(gòu)隧道的部分彎矩圖和軸力圖見圖4 。由內(nèi)力圖可看出,隨著車站的開挖,盾構(gòu)隧道的受力從比較合理變成了局部出現(xiàn)較大的內(nèi)力(出現(xiàn)在臨近中洞側(cè)) 。在左側(cè)盾構(gòu)隧道開挖中洞左上角部分土體(步驟2) 、右側(cè)盾構(gòu)隧道開挖右上角部分土體(步驟4) 時,管片襯砌最大彎矩和相應軸力增大了2 倍左右,對管片結(jié)構(gòu)混凝土拉壓應力影響不大;在隨后的左側(cè)盾構(gòu)隧道中洞開挖(步驟3 、4 、5) 、右側(cè)盾構(gòu)隧道中洞的右下角開挖(步驟5) 時,管片結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力重新調(diào)整,使得彎矩有所下降,而軸力增加,對結(jié)構(gòu)的受力是有利的;在修建聯(lián)絡通道時(步驟6) ,因管片結(jié)構(gòu)右側(cè)的土體被徹底地移去,又加上聯(lián)絡通道與管片結(jié)構(gòu)的剛接作用,使得剛接處彎矩和軸力都急劇增大,這對管片結(jié)構(gòu)的受力是極為不利的。
表2 左右側(cè)盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩和相應軸力隨開挖過程的變化

注釋:左側(cè)為彎矩圖(單位:N·m) ,右側(cè)為軸力圖(單位:N) ,從上到下分別為步驟1 、步驟2 和步驟6 圖4 　盾構(gòu)隧道彎矩和軸力圖
　　總的來說,中洞的開挖與修建對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)修建對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的受力相當不利,故要采取相應的受力影響不大,可采用普通管片襯砌,但是可適當?shù)拇胧?如改剛接為搭接和對管片施加臨時支撐等。增加洞室間的距離,降低因中洞的開挖對盾構(gòu)隧道圍

3. 2 　車站主體結(jié)構(gòu)的力學分析巖的擾動,從而減小所產(chǎn)生的附加彎矩。聯(lián)絡通道的中洞結(jié)構(gòu)最大彎矩和相應軸力隨開挖過程的變化見表3 , 中洞的部分彎矩圖和軸力圖見圖5 。由計挖右側(cè)拱底部分時,其彎矩又增大了,這是因為跨度算結(jié)果可知:隨著中洞的開挖,襯砌上的內(nèi)力隨著地達到了最大;在修建聯(lián)絡通道時,中洞左側(cè)與聯(lián)絡通應力重分布而變換,特別在實施步驟3 時,中洞拱腳道交接處的彎矩最大值為371 kN·m , 軸力最大值左側(cè)彎矩達254 kN ·m , 因處于偏壓下,故彎矩較為2 490 kN , 這是因中洞結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土體被移去和大;然后實施步驟4 時,拱頂和拱腳的彎矩值在數(shù)值聯(lián)絡通道與管片結(jié)構(gòu)的剛接,使得連接處彎矩和軸上都有所下降,這是由于偏壓減小而導致的;但在開力都急劇增大,這對結(jié)構(gòu)的受力是極為不利的。
表3 　中洞結(jié)構(gòu)最大彎矩( M)和相應軸力(N) 隨開挖過程的變化

圖5 　車站結(jié)構(gòu)彎矩(左側(cè)) 和軸力(右側(cè)) 圖
　　總的來說,中洞的開挖其洞室是穩(wěn)定的,所采用的臨時支護結(jié)構(gòu)和二次襯砌結(jié)構(gòu)是安全的,但應加強拱頂開挖前的超前支護和早噴混凝土,封閉開挖的洞室,從而減小對地層的擾動。結(jié)構(gòu)體本身以增大二次襯砌仰拱拱跨比和適當加大兩側(cè)拱腰厚度等措施來增加結(jié)構(gòu)的安全性。聯(lián)絡通道的修建對車站主體結(jié)構(gòu)的受力不利,故應采取改剛接為搭接等措施。
3. 3 　聯(lián)絡通道結(jié)構(gòu)受力分析
聯(lián)絡通道的彎矩圖和軸力圖見圖6 , 其最大彎矩值達到了123. 7 kN·m , 相應軸力僅為138. 8 kN , 出現(xiàn)在連接處; 而非連接處的彎矩為54. 3 kN·m , 相應軸力為130 kN 左右。表明聯(lián)絡通道與管片襯砌和中隧道二次襯砌的剛接對其結(jié)構(gòu)的安全性相當不利,所以,要將聯(lián)絡通道與管片襯砌和中隧道二次襯砌的剛接改為搭接,這樣聯(lián)絡通道結(jié)構(gòu)的受力才是安全的。

圖6 　聯(lián)絡通道結(jié)構(gòu)彎矩(左側(cè)) 和軸力(右側(cè)) 圖
4 　結(jié)　論
針對廣州地鐵三號線林和西路站,按照其車站規(guī)模和相應技術指標,本文提出了三條平行隧道島式站臺車站方案以及設計了主體結(jié)構(gòu)參數(shù),并對該車站結(jié)構(gòu)的施工力學行為進行了二維有限元數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果表明:
(1) 將聯(lián)絡通道與管片襯砌和中隧道二次襯砌的連接從剛接改為搭接后,本文提出的三條平行隧道島式站臺車站主體結(jié)構(gòu)的受力是合理安全的。
(2) 在盾構(gòu)法隧道基礎上修建三條平行隧道地鐵車站的思路是切實可行的,其車站主體結(jié)構(gòu)和臨時支護結(jié)構(gòu)是安全的,這可縮短建設周期、提高盾構(gòu)機的作業(yè)長度和利用率,因而可從總體上降低工程造價。
(3) 對盾構(gòu)隧道,采取管片與聯(lián)絡通道的連接由剛接改為搭接措施后,管片可按同樣條件下的區(qū)間隧道設計,但應對拼裝管片進行特殊考慮,以利于聯(lián)絡通道修建時管片的拆卸和再利用。在實際工程應用中,應對車站內(nèi)站臺、站廳與其它輔助用房的連接等構(gòu)造細部進行設計研究,以及進一步研究在擴挖修建車站主體結(jié)構(gòu)時對周圍環(huán)境的影響等。本文的研究成果,對今后采取在區(qū)間盾構(gòu)隧道的基礎上修建地鐵車站的設計與施工技術方面,有一定的參考價值。

參考文獻
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