巖石地層地鐵車站雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)研究

于金龍 李文光 李 滿 黃 林 郭志強(qiáng)

(1.中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036； 2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)地鐵建設(shè)處于高速發(fā)展時(shí)期。然而，在城市繁華區(qū)域、交通要道和人口密集地段，為了不破壞現(xiàn)有的交通條件，不影響工程周邊居民的日常生活，越來(lái)越多的地鐵車站采用暗挖法進(jìn)行施工。而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是暗挖法中安全性最突出的施工工法，其能夠很好地控制圍巖的變形，常用于圍巖差、斷面跨度大、地表沉降控制要求嚴(yán)格的隧道[1,2。王志等[3]通過(guò)三維數(shù)值模擬分析并結(jié)合實(shí)際工程，指出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)路面及隧道拱頂?shù)某两涤休^好的控制作用。高峰等[4]分析了支護(hù)封閉快慢對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工隧道的穩(wěn)定性影響，建議施工中應(yīng)盡量縮短各開(kāi)挖面的距離，使支護(hù)盡快封閉。謝旭強(qiáng)等通過(guò)彈塑性數(shù)值模擬探明了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程中的圍巖深部位移和襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性。操太林經(jīng)過(guò)對(duì)多種施工方法的對(duì)比研究與工程實(shí)踐證明，得出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在某些特殊地段施工中的最佳方案，在很多大斷面隧道的施工中被采用。

本文依托重慶市軌道交通十號(hào)線鯉魚池車站隧道工程，利用三維有限元分析軟件Midas-GTS(NX)，對(duì)地鐵車站雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工進(jìn)行研究，定量分析開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形及支護(hù)應(yīng)力特征，以期對(duì)類似工程提供技術(shù)措施及指導(dǎo)。

2 數(shù)值分析模型的建立

開(kāi)挖斷面如圖1所示。隧道具體開(kāi)挖、支護(hù)順序如下：1)開(kāi)挖右側(cè)小斷面上臺(tái)階并做初襯及臨時(shí)支護(hù)；2)開(kāi)挖左側(cè)小斷面上臺(tái)階并做初襯及臨時(shí)支護(hù)；3)開(kāi)挖右側(cè)小斷面中臺(tái)階并做初襯及臨時(shí)支護(hù)；4)開(kāi)挖左側(cè)小斷面中臺(tái)階并做初襯及臨時(shí)支護(hù)；5)開(kāi)挖右側(cè)小斷面下臺(tái)階并做初襯及臨時(shí)支護(hù)；6)開(kāi)挖左側(cè)小斷面下臺(tái)階并做初襯及臨時(shí)支護(hù)；7)開(kāi)挖核心土上臺(tái)階并做初期支護(hù)；8)開(kāi)挖核心土中臺(tái)階；9)開(kāi)挖核心土下臺(tái)階并做初期支護(hù)，右側(cè)小斷面上臺(tái)階開(kāi)挖完成后停止開(kāi)挖。數(shù)值模擬所建立的模型也遵循這一基本程序。

由于該工程的復(fù)雜性和地層結(jié)構(gòu)的不確定性，為了數(shù)值模擬計(jì)算順利有效的進(jìn)行，在滿足工程精度要求的前提下，作如下假定：

1)忽略地表和各巖層與土層的起伏和不均勻性，假定地表和各巖土層呈均質(zhì)水平層狀分布；

2)假定圍巖為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料；

3)只考慮巖土體的自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力。

2.1 模型及邊界條件

根據(jù)鯉魚池車站的勘察設(shè)計(jì)資料，此次計(jì)算將通風(fēng)井影響范圍內(nèi)的地層簡(jiǎn)化為6層，從上到下分別為素填土、中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖，厚度分別為15.0 m,9.0 m,3.0 m,16.0 m,27.0 m和60.0 m。模型固定左右邊界和前后邊界上法向的位移，固定底面X，Y，Z方向的位移，模型頂面為自由面，不設(shè)置任何約束。建立的數(shù)值模型范圍為：左、右邊界取隧道外邊緣側(cè)80 m；下邊界取隧道下邊緣60 m；上邊界為地表面；沿隧道前進(jìn)方向取78 m，建立的數(shù)值模型劃分網(wǎng)格之后共有15 979個(gè)單元，11 561個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立的數(shù)值分析模型如圖2所示。

2.2 材料參數(shù)

數(shù)值模擬采用的巖石材料參數(shù)如表1所示。材料采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，這種本構(gòu)模型物理概念明確，參數(shù)較少，且參數(shù)的獲取較為方便簡(jiǎn)單，可以考慮到巖土體的各種工程性質(zhì)，因此在地下工程有限元分析中得以廣泛地應(yīng)用。數(shù)值模擬采用的巖石材料參數(shù)如表1所示。

表1 巖體材料參數(shù)

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 圍巖位移

根據(jù)模擬結(jié)果可知，隧道開(kāi)挖后圍巖最大橫向位移出現(xiàn)在車站拱腰位置處，最大值為3.00 mm，方向指向車站內(nèi)部，且核心土的側(cè)向位移較為明顯，其最大可達(dá)2.5 mm；圍巖最大豎向位移出現(xiàn)在車站拱頂位置處，最大值為9.3 mm。由計(jì)算結(jié)果可以得出隧道開(kāi)挖后圍巖豎向位移顯著大于水平位移，應(yīng)在核心土上臺(tái)階開(kāi)挖后及時(shí)做好頂部支護(hù)，防止拱頂位移過(guò)大產(chǎn)生不良影響。提取車站最大豎向位移斷面(開(kāi)挖進(jìn)尺2 m)處各特征點(diǎn)位移隨施工開(kāi)挖步距的推進(jìn)而發(fā)生的變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，拱腰處橫向位移在左、右斷面上中臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)變化不明顯，呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖后，橫向位移發(fā)生突變，位移值迅速增大后逐漸趨于平穩(wěn)，而隨著核心土的開(kāi)挖，橫向位移有漸漸減小的趨勢(shì)。由此可以看出，左右斷面下臺(tái)階的開(kāi)挖對(duì)車站隧道橫向位移影響顯著，而核心土的開(kāi)挖對(duì)其影響甚小。拱頂和拱底處豎向位移受左右兩側(cè)開(kāi)挖影響較小，位移值呈線性緩慢增加，當(dāng)核心土開(kāi)挖后，豎向位移發(fā)生突變，位移值迅速增大，直到核心土開(kāi)挖完畢并做好仰拱后曲線變化才趨于平穩(wěn)。由此可以看出，初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)有利于緩解車站拱頂豎向沉降位移。

3.2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圍巖的主應(yīng)力對(duì)圍巖穩(wěn)定性有重大影響，主應(yīng)力的大小與圍巖是否由彈性狀態(tài)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)密切相關(guān)。而支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也直接決定了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，若應(yīng)力過(guò)大，那么支護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、變形過(guò)大等破壞形式，嚴(yán)重影響隧道的安全性和正常使用。

3.2.1圍巖主應(yīng)力

根據(jù)模擬結(jié)果可知，圍巖的最大主應(yīng)力在車站導(dǎo)洞及核心土臺(tái)階處相對(duì)較大，最大值出現(xiàn)在車站核心土臺(tái)階前側(cè)，其主應(yīng)力值達(dá)到0.52 MPa(拉應(yīng)力)。在車站拱腳及臺(tái)階之間的交接部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，其應(yīng)力值達(dá)到1.30 MPa(壓應(yīng)力)。所以在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)注意核心土下臺(tái)階位置，避免出現(xiàn)受拉破壞。圍巖的最小主應(yīng)力都為壓應(yīng)力，圍巖的最小主應(yīng)力在車站的拱腰處相對(duì)較大，而在拱頂和仰拱處相對(duì)較小，最大值發(fā)生在隧道拱腳位置處，其值達(dá)到3.10 MPa(壓應(yīng)力)，所以在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)拱腰和拱腳的保護(hù)和監(jiān)測(cè)，避免出現(xiàn)擠壓破壞的情況。

3.2.2支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力。

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，其中最大拉應(yīng)力為10.88 MPa，出現(xiàn)在核心土中臺(tái)階兩側(cè)，而在車站拱頂和拱底位置的拉應(yīng)力在3.6 MPa～8.8 MPa之間，均超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，所以在施工過(guò)程中足夠重視拉應(yīng)力的影響，加強(qiáng)防范。最大主應(yīng)力的壓應(yīng)力一般分布在中柱臺(tái)階交接部位，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值為2.97 MPa，不會(huì)引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力。

施工完成后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，而在車站隧道拱底及上臺(tái)階底部處支護(hù)出現(xiàn)部分拉應(yīng)力。在車站中導(dǎo)柱上、中臺(tái)階交接部位壓應(yīng)力值最大，其值達(dá)到19.51 MPa；最大拉應(yīng)力為3.96 MPa，出現(xiàn)在中導(dǎo)洞上臺(tái)階下部。初期支護(hù)采用的素混凝土的抗拉強(qiáng)度為1.27 MPa，而主應(yīng)力的最大拉應(yīng)力值已超過(guò)素混凝土的抗拉強(qiáng)度，所以在施工過(guò)程中應(yīng)更加重視中導(dǎo)柱兩側(cè)部位支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，以免由于拉應(yīng)力而產(chǎn)生不良后果。

取車站核心土中臺(tái)階支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)兩特征點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，提取其最大主應(yīng)力值，其應(yīng)力值變化隨施工開(kāi)挖步距推進(jìn)規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)特征點(diǎn)斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后時(shí)，其最大主應(yīng)力迅速增大，變化曲線斜率較大，而隨著左右導(dǎo)洞的繼續(xù)開(kāi)挖，其應(yīng)力值又逐漸減??；當(dāng)開(kāi)挖至特征點(diǎn)斷面中導(dǎo)柱上臺(tái)階時(shí)，應(yīng)力值迅速增大，其最大主應(yīng)力值可達(dá)5.4 MPa(拉應(yīng)力)，超過(guò)混凝土的抗拉極限強(qiáng)度，混凝土有被拉裂破壞的可能，所以在施工過(guò)程中應(yīng)特別注意避免此處拉應(yīng)力過(guò)大帶來(lái)的不良后果。

3.3 圍巖塑性區(qū)

車站開(kāi)挖完畢后，圍巖塑性區(qū)的分布情況如圖5所示，灰色的部分代表該點(diǎn)圍巖已經(jīng)失效破壞，黑色部分代表該點(diǎn)圍巖已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)。由圖5可知，圍巖塑性區(qū)大體分布在拱腰位置處，其中車站拱腳及中導(dǎo)柱部分圍巖已經(jīng)失效，有失穩(wěn)破壞的可能，左、右導(dǎo)洞和其他部分有零星圍巖失效，所以在施工過(guò)程應(yīng)減小對(duì)中導(dǎo)柱和車站拱腳處圍巖的擾動(dòng)，加強(qiáng)圍巖的保護(hù)，及時(shí)施做支護(hù)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)車站水平位移相對(duì)較小，而沉降位移變化量較大，核心土的開(kāi)挖對(duì)車站豎向位移影響顯著，施工時(shí)應(yīng)及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，使初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)。

2)圍巖的最大主應(yīng)力在車站拱腳及各臺(tái)階位置處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在核心土中臺(tái)階前側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力值，其值最大為0.52 MPa，最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其最大值出現(xiàn)在隧道拱腳位置，其值為3.10 MPa。

3)核心土上臺(tái)階的施工對(duì)其中臺(tái)階兩側(cè)臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響較大，核心土臺(tái)階交接處支護(hù)應(yīng)力集中明顯。車站拱頂和拱底支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，局部超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，在施工過(guò)程中加強(qiáng)防范。

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