側(cè)壁導(dǎo)洞施工方法在隧道下穿既有地鐵車站應(yīng)用分析

姚杰 崔文輝 于金龍

中鐵六局集團(tuán)有限公司 北京 100036

前言

近年來，我國(guó)隧道、地鐵迅速發(fā)展，城市地鐵建設(shè)中常出現(xiàn)隧道下穿既有地鐵車站、地下商場(chǎng)等復(fù)雜問題。在受地形空間等限制下，常出現(xiàn)兩個(gè)相鄰隧道最小凈距超出規(guī)范要求的現(xiàn)象。因此，城市地鐵常采用大斷面小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式。小凈距隧道相比普通隧道，施工難度大、工期長(zhǎng)，施工過程中左右洞和中間巖柱的相互影響，圍巖穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，存在許多關(guān)鍵問題需要解決[1]。當(dāng)小凈距隧道下穿已有地下工程，圍巖受力變形則更復(fù)雜多變[2]。側(cè)壁導(dǎo)洞施工方法在對(duì)地面沉降要求嚴(yán)格時(shí)較為常用。本文采用有限差分計(jì)算方法，分析研究側(cè)壁導(dǎo)洞施工方法在小凈距隧道下穿既有車站中的應(yīng)用，揭示位移、內(nèi)力規(guī)律。

1 工程概況

本文依托重慶市軌道十號(hào)線下穿軌道六號(hào)線紅土地車站工程。軌道六號(hào)線紅土地站為已建工程，呈東西向布置，正常運(yùn)營(yíng)。新建重慶軌道交通十號(hào)線紅土地站呈南北向布置，主體采用暗挖法施工，為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。兩車站平面上呈十字相交（如圖1所示）；在豎直方向上，軌道六號(hào)線紅土地站位于十號(hào)線紅土地車站上方，為減小十號(hào)線下穿施洞室開挖對(duì)上部車站的影響，將大跨度單洞隧道分成兩個(gè)分離的單洞雙層拱形結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。

圖1 下穿地鐵隧道平面關(guān)系圖

圖2 下穿地鐵隧道立面圖

2 數(shù)值模型建立及控制

側(cè)壁導(dǎo)洞開挖通常在對(duì)地面沉降要求嚴(yán)格時(shí)使用。一般將隧道斷面從中間分成4～6部分，使上、下臺(tái)階左右各分成2～3部分，每一部分開挖并支護(hù)后形成獨(dú)立的閉合單元，各部分開挖時(shí)，縱向間隔的距離可根據(jù)具體情況按臺(tái)階法確定[3]。每步的臺(tái)階長(zhǎng)度都應(yīng)控制，一般為5～7m，為穩(wěn)定工作面，往往與預(yù)注漿等輔助施工措施配合使用，采用人工或機(jī)械開挖方式。本次施工順序如圖3所示。開挖過程采用先開挖一側(cè)先行洞，再開挖另一側(cè)后行洞，開挖過程如圖3所示。側(cè)壁導(dǎo)洞開挖：開挖支護(hù)順序先開挖①部，然后開挖②部，最后開挖③部，再開挖④⑤⑥部。④⑤⑥部開挖順序同①②③部。三種施工方案均每步開挖3m，上臺(tái)階先行下臺(tái)階3m，每步開挖后開挖后立即進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，二襯支護(hù)緊跟開挖工作面。

圖3 側(cè)壁導(dǎo)洞開挖方式

十號(hào)線隧道下穿段為35m，為消除邊界影響，兩側(cè)分別再取12.5m長(zhǎng)的大斷面，最終長(zhǎng)度60m；六號(hào)線隧道長(zhǎng)度取160m；巖土體厚110m，按地質(zhì)條件劃分為三層，上部為砂質(zhì)泥巖，中部為砂巖，下部為砂質(zhì)泥石，均為緩傾巖層。巖土體結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，已建六號(hào)線車站襯砌采用實(shí)體單元模擬；擬建十號(hào)線下穿段隧道初襯采用殼結(jié)構(gòu)單元模擬，支護(hù)錨桿采用錨索單元模擬，二襯采用實(shí)體單元模擬。采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，物理力學(xué)參數(shù)如下表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 變形分析

（1）六號(hào)線車站結(jié)構(gòu)變形

隨著十號(hào)線下穿段施工的不斷推進(jìn)，其周邊圍巖受到擾動(dòng)，發(fā)生應(yīng)力重分布，致使六號(hào)線圍巖位移場(chǎng)也發(fā)生改變，沿施工導(dǎo)洞方向偏移，且數(shù)值逐步增加。六號(hào)線車站最大位移出現(xiàn)在洞底，位移值逐漸向隧道兩側(cè)和洞頂擴(kuò)展減小。十號(hào)線側(cè)壁導(dǎo)洞開挖完畢后，六號(hào)線總位移云圖如圖4所示，十號(hào)線正上方的六號(hào)線總位移約有4.3～4.4mm。

圖4 六線號(hào)隧道位移

（2）十號(hào)線下穿段圍巖變形

圖5為十號(hào)線下穿段洞頂位移曲線圖，沿十號(hào)線下穿段中部，位移較小，沿兩側(cè)位移先出增大趨勢(shì)，隨后減小。在兩側(cè)位移峰值處（約±12.5m位置處）正位于六號(hào)線車站兩幫下部，此處為六號(hào)線車站應(yīng)力集中區(qū)，十號(hào)線開挖使得該處應(yīng)力向下傳遞并釋放，使得該處位移量較大；而下穿段中部（約0m位置）為六號(hào)線車站底板正下方，六號(hào)線開挖建成后，此處地應(yīng)力較小，十號(hào)線開挖向下傳遞釋放應(yīng)力相對(duì)較小，因此，位移量較小[4-5]。后行洞在穿越六號(hào)線車站正下方位置后區(qū)域，位移較先行洞小，因?yàn)橄刃卸撮_挖使得六號(hào)線兩幫應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力得到釋放。

圖5 十號(hào)線下穿段洞頂位移曲線

4.2 應(yīng)力分析

（1）最大主應(yīng)力

圖6為十號(hào)線下穿施工完畢后，六號(hào)線支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力云圖，可知在洞頂與洞底部位存在應(yīng)力集中特征[6]。而在隧洞兩幫具有一定的壓應(yīng)力。在六號(hào)線變形速率較大的區(qū)域，即十號(hào)線正上方，因受下方隧洞開挖影響，其壓應(yīng)力與兩側(cè)壓應(yīng)力規(guī)律相比，有明顯向下錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)[7-8]。根據(jù)局部放大的二襯支護(hù)結(jié)構(gòu)截面最大主應(yīng)力云圖可見，六號(hào)線下方十號(hào)線先、后行洞之間預(yù)留的巖柱因兩側(cè)洞子開挖而承受的壓應(yīng)力[9]。洞底處最大主應(yīng)力最大，其最大值為310kPa。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力

（2）最小主應(yīng)力

十號(hào)線下穿施工完畢后，分別以先（后）行洞間軸對(duì)稱線、先（后）行洞的軸線兩個(gè)剖面上的圍巖及其支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力變化如圖7所示?？梢娧亓?hào)線軸線方向最小主應(yīng)力變化并不大，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)兩幫的最小主應(yīng)力最小，拱底處最小主應(yīng)力最大，為200 kPa。

圖7 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于有限差分法研究十號(hào)線采用側(cè)壁導(dǎo)洞施工方法下穿六號(hào)線車站，對(duì)隧道圍巖及六號(hào)線結(jié)構(gòu)的影響。通過計(jì)算分析表明，側(cè)壁導(dǎo)洞法施工引起的洞底沉降值較小，引起的擾動(dòng)程度較弱，受擾動(dòng)后的圍巖能夠更快地進(jìn)入穩(wěn)定階段。下穿段隧道采用側(cè)壁導(dǎo)洞施工方法，對(duì)上部六號(hào)線車站隧道洞頂變形、洞底變形都能起到較好好的控制效果。

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