復雜環境下地鐵暗挖車站雙側壁導坑法支撐體系優化

田利鋒

(中鐵一局集團第三工程有限公司， 陜西寶雞　721006)

?

復雜環境下地鐵暗挖車站雙側壁導坑法支撐體系優化

田利鋒

(中鐵一局集團第三工程有限公司， 陜西寶雞721006)

摘要：重慶軌道交通10號線工程渝北廣場站為大斷面暗挖隧道，車站位于重慶市區繁華地段，為保證車站隧道的安全施工以及鄰近既有建筑結構的安全，對暗挖隧道開挖施工方案進行優化設計。采用Midas GTS有限元數值軟件，對弧形壁(原雙側壁)和直壁法(雙側壁)開挖方案進行全過程動態模擬，結合監控量測數據，綜合對比分析隧道變形和支護結構內力。結果表明，本工程地質條件下，采用直壁法施工方案切實可行，研究成果可為類似地質條件中大斷面隧道施工方案的優化設計和最終決策提供參考。

關鍵詞：地鐵車站；超大斷面隧道；軟弱圍巖；雙側壁法優化；開挖方案；有限元軟件

隨著我國經濟的飛速發展和城市化進程的不斷加快，軌道交通等城市地下空間的開發利用勢在必行。城市地下軌道交通隧道多為大斷面淺埋軟弱圍巖隧道，工程地質條件和施工環境較為復雜。為了方便國民出行，城市軌道交通隧道多位于城市市區繁華區域，特別是軌道交通車站，周邊既有高大建筑和地表行車均較為密集，車站隧道施工難度大[1-3]。因此，復雜環境下車站隧道的安全施工，已成為城市軌道交通建設中的控制性工程[4]。隧道開挖方案的合理選擇，亦成為相關學者研究的熱點[5-8]。目前，已有研究對于大斷面淺埋暗挖車站采用雙側壁法將弧形壁改為直壁的理論研究較少[9-13]。

本文采用Midas GTS有限元軟件，建立重慶軌道交通10號線工程渝北廣場站超大斷面隧道的有限元模型，通過隧道變形和支護結構內力的綜合對比分析，對隧道施工開挖方案(弧形壁和直壁法)進行比選，提出較為合理的施工方案，為軟巖大斷面淺埋暗挖車站隧道的安全、快速施工提供技術支撐。

1工程背景

重慶軌道交通10號線(建新東路—王家莊段)工程渝北廣場站位于渝北區兩路汽車站下方，車站周邊建筑物密集，北側為渝北區中醫院、渝北區環保局及渝航路，車站西側為老舊居民樓、車站南側為渝北區農貿市場及重慶百貨渝北商場，車站東側為渝北區政府及渝北廣場。

渝北廣場站為地下暗挖二層島式車站，車站全長203.64 m，主體結構標準段寬22.60 m，高18.73 m。開挖跨度25.4 m，屬于暗挖大斷面隧道。車站為復合式襯砌結構，車站埋深39～50 m。隧道圍巖巖性為中風化砂質泥巖夾薄層砂巖，屬深埋隧道，圍巖級別劃定為Ⅳ級，洞頂中等風化基巖厚33.71～51.74 m。

車站施工建議兩種開挖方案：(1)弧形壁(原雙側壁)開挖；(2)直壁法(雙側壁)開挖。采用Midas GTS軟件，對該兩種開挖方案進行分析計算，為方案的優化設計和最終決策提供理論參考依據。

2有限元模型

2.1施工方案

弧形壁(原雙側壁)開挖和直壁法(雙側壁)開挖示意如圖1所示。相應的施工開挖步驟如表1所示。

圖1　施工方案示意(單位：mm)

①②③④⑤⑥⑦⑧⑨開挖左側壁上部/支護開挖右側壁上部/支護開挖左側壁中部/支護開挖右側壁中部/支護開挖左側壁下部/支護開挖右側壁下部/支護開挖中間上部/支護開挖中間中部/支護開挖中間下部/支護拆除臨時支撐

2.2有限元模型

車站隧道為深埋隧道，計算分析時著重考慮自重作用下的初始應力場，選取最大埋深進行分析計算。隧道開挖后的應力和應變，僅在隧道周圍距離洞室中心點3～5倍隧道開挖寬度的范圍內存在影響[14]。因此模型寬度取223 m，模型高度選擇時考慮最大埋深52 m，模型總高為156 m。

圖2　有限元模型中初期支護

采用Midas GTS[15]建立的2D有限元模型如圖2所示。有限元模型底部邊界約束橫向、豎向兩個方向，其他兩邊界約束橫向。圍巖土體采用平面應變單元，支護和臨時支撐采用梁單元處理方法，梁截面為型鋼，為準確分析臨時支撐軸力的變化同時考慮到現場噴射混凝土施工質量，忽略噴射混凝土的作用。

2.3模型參數

有限元模型中材料參數如表2～表4所示。

表2　巖土材料特性值

表3　截面特性

表4　錨桿和噴射混凝土材料參數

2.4荷載釋放系數

為了不讓由于開挖而發生的不平衡內力一次性加載在施工階段上，所以使用LDF，即荷載釋放系數。開挖階段荷載釋放系數為0.5 ，噴錨支護為0.25 ，噴射混凝土硬化階段為0.25。

3計算結果分析

弧壁法和直壁法兩種方案開挖完成后的數值計算結果見圖3～圖8和表5。

圖3　沉降變形

圖4　隧道支護結構軸力

圖5　隧道支護結構彎矩

圖6　隧道臨時支撐軸力

圖7　隧道臨時支撐剪力

圖8　錨桿軸力

對比分析圖3～圖8和表5中雙側壁弧壁法和直壁法2種開挖方案所得計算結果，可得以下結論。

表5　隧道施工直壁法、弧壁法計算結果對比分析

(1)2種方案圍巖的拱頂、水平位移和錨桿軸力差別不大。

(2)與弧壁法方案相比，直壁法方案的初期支護軸力和彎矩均有所減小。直壁法方案的臨時支撐軸力略有增大，臨時支撐的軸力由1 732.5 kN(弧壁)增大至1 967.9 kN(直壁)，臨時支撐的最不利位置均在豎向支撐上部。

(3)臨時支撐的最大軸力為1 967.9 kN(直壁)，臨時支撐采用I22b型鋼+C25混凝土250 mm。施工過程中應重點管控臨時支撐上部噴射混凝土的工程質量，確保混凝土受力可靠以及和型鋼的共同受力性能，并確保型鋼交叉點連接牢固可靠，尤其在拱腳位置。

(4)直壁法臨時支撐軸力相比弧壁法增長幅度不大，綜合施工工效、開挖進度，采用直壁法方案可行。

4現場監測

為了進一步的驗證所提直壁法施工方案的合理性，保障隧道施工過程安全，組織相關人員對車站沉降、隧道拱頂沉降和凈空收斂進行現場監控量測。圖9為隧道拱頂沉降和凈空收斂測點布置示意。

截止2015年08月25日，重慶軌道交通10號線一期工程土建10107標渝北廣場站通道均已施工完成，正在進行車站主體施工，右線大里程方向在挖中導坑，左線小里程在挖中導坑。小里程端頭正在進行中隔墻拆除工作。

圖9　測點布置示意

由表6監測結果可得：(1)車站沉降、隧道拱頂沉降和凈空收斂均在安全范圍內，且最大拱頂沉降僅為4 mm，凈空收斂為4.3 mm，進一步的說明直壁法施工方案是切實可行的。(2)由于忽略噴射混凝土的作用，同時理論分析采用最大埋深以及最差地質，因此理論計算分析結果偏大，進一步說明理論數值分析可以安全有效地指導施工。

表6　監測結果

5結論

以重慶軌道交通10號線工程渝北廣場站大斷面隧道為研究背景，采用MIDAS GTS軟件，對弧壁(原雙側壁)法和直壁法(雙側壁)開挖方案進行對比分析，結論如下。

(1)通過隧道變形和支護結構受力的綜合對比分析，直壁法施工方案可行。現場監控量測數據表明，車站沉降、隧道拱頂沉降和凈空收斂值均在安全范圍。

(2)弧壁法適合自穩性較差、圍巖較差的地層，側壁導坑開挖時較安全，本工程由于圍巖較好，結合加固地層、數值分析、監控量測等信息化施工，使得本工程大斷面隧道采用直壁法成為可能。

(3)由于車站地鐵隧道工程的唯一性和不可重復性，以及復雜的施工環境，使得隧道施工方案的合理選擇顯得尤為重要。因此，借助數值分析、監控量測等綜合手段實現隧道施工方案的優選，已成為保障隧道工程施工安全最為可靠、經濟的重要手段之一。研究結果可為類似地質中大斷面隧道施工方案的優化設計和最終決策提供參考。

參考文獻：

[1]陳林杰，梁波，王國喜.淺埋暗挖超大斷面地鐵車站隧道開挖方法研究[J].地下空間與工程學報，2013，9(4):928-933.

[2]朱澤兵.大跨超淺埋輕軌車站隧道施工控制技術研究[D].重慶:重慶大學，2010.

[3]宋建，樊赟赟.復雜條件下地鐵車站施工關鍵技術[J].現代隧道技術，2012，49(1):143-147.

[4]程志鵬.特大斷面超淺埋暗挖地鐵車站隧道施工技術研究[D].北京:北京交通大學，2009.

[5]陳揚勛，喬春生，劉開云.超淺埋大跨暗挖地鐵車站隧道施工方案分析[J].山西建筑，2007，33(34):311-312.

[6]于鶴然，趙巧蘭，郭蘇銳.淺埋礦山法隧道施工對地表建筑物的影響研究[J].鐵道標準設計，2015，59(8):144-149.

[7]高紅兵.大跨徑鐵路車站隧道施工力學特性研究[J].現代隧道技術，2010，47(3):32-38.

[8]張叢峰，宋林，羅承平.改進CRD方案施工過程圍巖安全穩定性分析[J].鐵道標準設計，2013，12(12):87-89.

[9]朱澤兵，劉新榮，張永興.大跨超淺埋輕軌車站隧道開挖方法研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(2):290-295.

[10]王春希.暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施[J].鐵道標準設計，2014，58(6):107-110.

[11]羅章波.南京地鐵一號線南京站車站隧道設計[J].地下空間與工程學報，2007，3(2):237-241.

[12]高海宏.雙側壁導坑法在繁華城區超大斷面硬巖車站隧道施工中的應用[J].隧道建設，2008，28(2):191-196.

[13]李文，王國喜.重慶五路口車站淺埋特大斷面隧道開挖方法比選和優化[J].施工技術，2013，42(13):76-78.

[14]石堅，丁偉，趙寶.隧道開挖過程的數值模擬與分析[J].鐵道建筑，2010，2(2):21-24.

[15]李治.Midas/GTS在巖土工程中應用[M].北京:中國建筑工業出版社，2013.

[16]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50911—2013城市軌道交通工程監測技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2013.

[17]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50299—2003地下鐵道工程施工及驗收規范[S].北京:中國計劃出版社，2004.

收稿日期：2015-11-23； 修回日期：2015-12-03

作者簡介：田利鋒(1975—)，男，高級工程師，2008年畢業于石家莊鐵道學院工程管理專業，工學學士，E-mail:tianlifeng721006@163.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0130-04

中圖分類號：U231+.4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.030

Support System Optimization of Double-side Wall Excavation Method for Subway Station Tunnel under Complicated Condition

TIAN Li-feng

(The Third Construction Co.， Ltd. of China Railway First Group Co.， Ltd.， Baoji 721006， China)

Abstract：Yubei Square Station on Chongqing rail transit line 10 is an island-platform subway station excavated with underground tunneling method. The station is located in a busy plot of Chongqing with existing buildings around. In order to guarantee the safety of the tunnel and the buildings during construction， the excavation scheme needs to be optimized. In this paper， finite element software Midas GTS is adopted to simulate dynamically the entire processes of the two excavation methods: arch wall (original double-side wall) method and straight wall (double-side wall) method. With reference to the field monitoring data， the comparative analysis of the tunnel deformation and structural internal force shows that the straight wall (double-side wall) method is applicable. The research results may provide references to optimizing the design of similar projects with medium and large cross-section tunneling.

Key words：Subway station; Super large cross-section tunnel; Soft rock; Optimization of double-side wall method; Excavation scheme; Finite element software