地鐵車站與風道交叉段施工力學行為數值模擬分析

謝順意,施成華,彭立敏,黃生文

(中南大學土木工程學院,湖南長沙 410004)

隨著我國地鐵的大規模建設,地鐵車站施工技術也不斷進步,提出了許多新的施工方法[1],其中淺埋暗挖洞樁法就是很有代表性的一種,該方法是在傳統地下工程施工技術的基礎上,把地面建筑的施工理念引入到地下工程中,通過小導洞、鉆孔樁、扣拱等成熟技術的有機組合,從而形成一種新的工法[2-4]。

為確保地鐵運營期間的安全,從通風、防火和救援等方面出發,每隔一定距離設置一條風道。地鐵車站與風道交叉部位空間結構受力復雜,開口處應力集中,是結構的薄弱環節,同時又是施工的咽喉[5]。因此,只有充分了解該段結構的受力特征和空間施工力學行為,了解施工中最大地表沉降點的位置和地表沉降變化趨勢,才能選擇合理的施工方法和有效的加強措施,保證施工質量和安全,同時降低造價、提高工效。以往關于地鐵車站施工的數值模擬研究中,大多是針對車站主體結構的力學行為進行分析[6-9]。為確保交叉段施工的安全,采用三維有限元分析方法,對沈陽地鐵2號線沈陽北站站車站與風道立體交叉段工程洞樁法施工過程進行動態模擬,分析交叉段的地表位移和結構主應力變化規律,提出相應的施工建議,為類似工程及相應反分析研究提供參考。

1 工程概況

沈陽地鐵2號線沈陽北站站位于鐵路沈陽北站站前廣場下方,下穿北站路。車站總長155.6 m,設計采用明挖法+暗挖法施工,其中位于廣場部分采取明挖法施工,下穿北站路部分采用洞樁法暗挖施工,車站暗挖段長37.1 m。2號風道位于北站路南側,設計采用明挖法+暗挖法施工,其中明挖段位于市政綠地內,暗挖段位于北站路下方,暗挖風道長15.5 m,與車站主體正交,采用洞樁法施工。車站與風道平面位置關系如圖1所示。

圖1 車站與風道平面位置關系

車站暗挖段覆土厚6.4 m,風道暗挖段覆土厚7.6 m,開挖輪廓上部為雜填土層、中粗砂,開挖斷面內為粉質黏土層、礫砂層,開挖斷面下部為泥礫層。車站暗挖段主體為雙層3跨3聯拱結構,車站標準段寬25.3 m,有效站臺寬度13.9 m,結構高度16.9 m。小導洞寬4 m,高5.4 m,其中車站與風道交叉部分的小導洞截面寬4.7 m,高7.7 m。暗挖風道結構寬10.4 m,高15.3 m,為雙層單跨單拱結構,車站與風道橫斷面分別如圖2、圖3所示。

圖2 車站結構橫斷面(單位：m)

圖3 風道結構橫斷面(單位：m)

結合圖3將單跨洞樁法主要開挖及支護工序敘述如下：①開挖洞室兩側的作業小導洞；②在兩側導洞內施作鉆孔灌注樁；③在邊樁頂部澆筑鋼筋混凝土縱梁；④在導洞內施作拱部初期支護的下部格柵鋼架,回填導洞外側混凝土；⑤對洞室拱部地層進行預加固后進行拱部開挖和支護,并與導洞內已施作好的支護結構連成一體；⑥逐步開挖洞室主體部分,并設置臨時橫撐,最后自下而上澆筑永久襯砌結構。

結合現場施工條件,利用風道進入車站主體暗挖段作業,可以減少主體明挖段與暗挖段的相互干擾,縮短工期。交叉段暗挖施工步驟簡述如下：

(1)先施工2號風道暗挖段的小導洞；

(2)從2號風道暗挖段的小導洞直接施工主體暗挖段的小導洞,通過爬坡和轉折實現風道小導洞和車站主體上層4個小導洞的連接；

(3)施工2號風道和主體暗挖段的小導洞內圍護樁(鉆孔灌注樁)；

(4)施工樁頂冠梁和冠梁上方的部分初支；

(5)從底板位置施工車站主體暗挖段的下層2個小導洞,施工底縱梁；

(6)施工車站主體中柱鋼管樁和頂縱梁,鋼管柱分節安裝；

(7)開挖車站主體中跨土,施工中跨初支與二襯；

(8)開挖車站邊跨土,施工邊跨初支與二襯,完成了暗挖段的封閉支護；

(9)開挖土體到中板位置,土模法施工中板,逆作法施工中板和拱腳之間的側墻；

(10)開挖土體到底板位置,施工底板,逆作法施工底板和中板之間的側墻,交叉段結構施工完成。

2 模型建立

2.1 基本假定

(1)地表和各土體成層均質水平分布,采用Mohr-Coulomb模型計算；

(2)強度準則采用Mohr-Coulomb準則；

(3)沒有考慮地下水滲流在隧道開挖過程中的影響；

(5)結構材料采用線彈性本構關系。

2.2 計算模型

采用MIDAS/GTS有限元分析軟件,建立三維有限元模型對地鐵車站與風道交叉段暗挖洞樁法施工進行分析。整體分析區域x、y、z方向尺寸為70 m×50 m×70 m,計算模型如圖4所示。已知邊界條件均取為位移約束條件,模型兩側面限制x方向位移,正面與背面限制y方向位移,底部限制z方向位移,模型頂面為地表,為自由面。車站與風道斷面形式按實際尺寸建立,有限元模型見圖5。

圖4 計算模型網格(單位：m)

圖5 車站與風道結構有限元模型

2.3 材料參數

根據各材料在施工階段的性質及所起到的作用,有限單元的選擇如下：(1)初期支護采用殼單元模擬；(2) 地層、二襯采用實體單元模擬；(3)以取不同的材料參數模擬超前注漿和預加固措施；(4)通過指定區域材料性能的變化來模擬整個施工過程的進行。

考慮到隧道施工的時間效應,開挖、支護過程中荷載的釋放率：砂性土開挖80%,支護20%。計算中注漿加固地層的力學參數做了適當的提高。圍巖及支護結構計算參數見表1。

表1 數值模擬計算物理力學參數表

3 結果分析

3.1 地表沉降分析

考慮到隧道施工的空間效應,分析地表沉降時,沿與交叉處斷面垂直、平行的斷面(分別記為C1、F1斷面)選取一系列的地表特征點,間距為5 m,平面位置關系如圖6所示。

圖6 地表特征點平面位置關系(單位：m)

各主要施工階段C1、F1斷面中點的沉降值見表2,C1、F1斷面所有特征點的地表沉降曲線分別如圖7、圖8所示。

表2 地表沉降特征點位移統計

圖7 F1斷面各施工步地表沉降曲線

圖8 C1斷面各施工步地表沉降曲線

由以上計算結果可以得出如下結論。

(1)C1、F1斷面中點的沉降規律基本類似,施工完成后,最大沉降值分別為36.01、21.23 mm,即車站中跨拱頂對應地表沉降值較風道大,說明洞室開挖寬度對地表沉降值有一定影響。

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(2)由于小導洞數量多,易產生群洞效應,施工相互干擾較大,拱部初支施工對土體進行大面積開挖,荷載釋放較大,其中小導洞施工階段的影響最大,其次為拱部初襯施工,這2個施工階段引起的地表沉降之和約占總沉降值的60%,施工過程中應予以重視。

(3)拱部初襯完成后至主體結構施作完成,地表沉降僅占總沉降量的40%左右,說明一旦主體結構完成封閉,地表沉降值即趨于穩定,施工過程中支護結構應盡快閉合。

(4)車站與風道施工對土體的擾動范圍大約在開挖中線兩側10 m范圍內,該范圍內地表沉降較大,且從兩側向中間地表沉降值變化速率較大,形成明顯的沉降槽,應對該范圍內土體進行注漿加固。

(5)受風道施工的影響,車站C1斷面的地表沉降曲線不對稱,靠近風道一側地表沉降值明顯大于另一側,說明車站與風道施工有一定的相互干擾,施工過程中應注意間隔施工。

3.2 結構主應力分析

各施工階段交叉處結構主應力分布見表3,施工完成后交叉處結構最大、最小主應力分布云圖分別見圖9、圖10,結構主應力曲線如圖11所示。

表3 交叉處結構應力分布

圖9 交叉處結構最大主應力云圖

圖10 交叉處結構最小主應力云圖

由以上計算結果可知：

(1)風道與車站交叉處結構主應力隨施工進行基本呈遞增趨勢,拱頂拉應力在負二層土開挖時達到最大值,特別是拱頂結構出現上下截面整體受拉的不利受力情形,施工時應注意對交叉處結構及周邊圍巖做好加固措施。

(2)施工完成后結構最大拉應力值為0.72 MPa,出現在交叉處結構中心拱頂,由交叉處沿水平和垂直方向向外的結構主應力都逐漸減小。曲線左側有起伏,說明車站各跨拱頂拉應力較大,頂縱梁附近結構承受的拉應力較小。

(3)交叉處結構出現較大范圍的拉應力區,曲線右側逐漸遞減,說明離交叉處中心距離越遠,結構主應力值越小。交叉處結構中心最大主應力值為非交叉斷面處的2～4倍。

(4)由于交叉處結構的復雜性,交叉處小導洞高度變化引起結構剛度變化,拱頂和拱腳部位出現明顯的應力集中,施工時應適當加厚交叉處結構混凝土的厚度并增加配筋量。

圖11 結構最大主應力曲線

4 結論

(1)風道與車站小導洞施工階段對地表沉降影響最大,其次為拱部初襯施工階段,其沉降量之和占地表總沉降的60%左右,為交叉段施工的關鍵工序。

(2)受風道施工的影響,車站斷面的地表沉降曲線不對稱,靠近風道一側的特征點沉降值較大,對結構變形的影響范圍主要集中在交叉處兩側10 m范圍內,需要對該范圍內圍巖進行注漿加固。

(3)風道與車站交叉區域,由于小導洞高度變化,幾何特性引起結構剛度變化,應力應變的峰值出現在交匯區域。離交叉處中心距離越遠,結構主應力值越小。

(4)風道與車站交叉處結構出現明顯的應力集中,交叉處結構中心最大主應力是非交叉斷面處的2～4倍,拱頂結構出現了上下截面整體受拉的不利受力形式,施工過程中應對拱頂和交叉處混凝土結構適當加厚并增加配筋量。

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