巖石地層地鐵車站雙側壁導坑法施工技術研究

于金龍 李文光 李 滿 黃 林 郭志強

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

1 概述

隨著經濟的快速發展，我國地鐵建設處于高速發展時期。然而，在城市繁華區域、交通要道和人口密集地段，為了不破壞現有的交通條件，不影響工程周邊居民的日常生活，越來越多的地鐵車站采用暗挖法進行施工。而雙側壁導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格的隧道[1,2。王志等[3]通過三維數值模擬分析并結合實際工程，指出雙側壁導坑法對路面及隧道拱頂的沉降有較好的控制作用。高峰等[4]分析了支護封閉快慢對雙側壁導坑法施工隧道的穩定性影響，建議施工中應盡量縮短各開挖面的距離，使支護盡快封閉。謝旭強等通過彈塑性數值模擬探明了雙側壁導坑法施工過程中的圍巖深部位移和襯砌結構的受力特性。操太林經過對多種施工方法的對比研究與工程實踐證明，得出雙側壁導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)，對地鐵車站雙側壁導坑法施工進行研究，定量分析開挖過程中圍巖變形及支護應力特征，以期對類似工程提供技術措施及指導。

2 數值分析模型的建立

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

由于該工程的復雜性和地層結構的不確定性，為了數值模擬計算順利有效的進行，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水平層狀分布；

2)假定圍巖為各向同性、連續的彈塑性材料；

3)只考慮巖土體的自重應力，忽略構造應力。

2.1 模型及邊界條件

根據鯉魚池車站的勘察設計資料，此次計算將通風井影響范圍內的地層簡化為6層，從上到下分別為素填土、中風化砂巖、中風化砂質泥巖、砂巖、砂質泥巖和砂巖，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，不設置任何約束。建立的數值模型范圍為：左、右邊界取隧道外邊緣側80 m；下邊界取隧道下邊緣60 m；上邊界為地表面；沿隧道前進方向取78 m，建立的數值模型劃分網格之后共有15 979個單元，11 561個節點，建立的數值分析模型如圖2所示。

2.2 材料參數

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

表1 巖體材料參數

3 數值分析結果

3.1 圍巖位移

根據模擬結果可知，隧道開挖后圍巖最大橫向位移出現在車站拱腰位置處，最大值為3.00 mm，方向指向車站內部，且核心土的側向位移較為明顯，其最大可達2.5 mm；圍巖最大豎向位移出現在車站拱頂位置處，最大值為9.3 mm。由計算結果可以得出隧道開挖后圍巖豎向位移顯著大于水平位移，應在核心土上臺階開挖后及時做好頂部支護，防止拱頂位移過大產生不良影響。提取車站最大豎向位移斷面(開挖進尺2 m)處各特征點位移隨施工開挖步距的推進而發生的變化規律如圖3所示。

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

3.2 圍巖及支護結構應力

圍巖的主應力對圍巖穩定性有重大影響，主應力的大小與圍巖是否由彈性狀態進入彈塑性狀態密切相關。而支護結構的應力也直接決定了支護結構的穩定性和安全性，若應力過大，那么支護結構就會出現開裂、變形過大等破壞形式，嚴重影響隧道的安全性和正常使用。

3.2.1圍巖主應力

根據模擬結果可知，圍巖的最大主應力在車站導洞及核心土臺階處相對較大，最大值出現在車站核心土臺階前側，其主應力值達到0.52 MPa(拉應力)。在車站拱腳及臺階之間的交接部位出現了明顯的應力集中，其應力值達到1.30 MPa(壓應力)。所以在實際施工過程中應注意核心土下臺階位置，避免出現受拉破壞。圍巖的最小主應力都為壓應力，圍巖的最小主應力在車站的拱腰處相對較大，而在拱頂和仰拱處相對較小，最大值發生在隧道拱腳位置處，其值達到3.10 MPa(壓應力)，所以在實際施工過程中應加強對拱腰和拱腳的保護和監測，避免出現擠壓破壞的情況。

3.2.2支護結構主應力

1)支護結構最大主應力。

初期支護結構的最大主應力以拉應力為主，其中最大拉應力為10.88 MPa，出現在核心土中臺階兩側，而在車站拱頂和拱底位置的拉應力在3.6 MPa～8.8 MPa之間，均超過混凝土的抗拉強度，所以在施工過程中足夠重視拉應力的影響，加強防范。最大主應力的壓應力一般分布在中柱臺階交接部位，有明顯的應力集中現象，最大值為2.97 MPa，不會引起支護結構的破壞。

2)支護結構最小主應力。

施工完成后初期支護結構的最小主應力以壓應力為主，而在車站隧道拱底及上臺階底部處支護出現部分拉應力。在車站中導柱上、中臺階交接部位壓應力值最大，其值達到19.51 MPa；最大拉應力為3.96 MPa，出現在中導洞上臺階下部。初期支護采用的素混凝土的抗拉強度為1.27 MPa，而主應力的最大拉應力值已超過素混凝土的抗拉強度，所以在施工過程中應更加重視中導柱兩側部位支護結構的施工，以免由于拉應力而產生不良后果。

取車站核心土中臺階支護結構兩側兩特征點(見圖1)，提取其最大主應力值，其應力值變化隨施工開挖步距推進規律如圖4所示。

由圖4可知，當特征點斷面支護結構施工完成后時，其最大主應力迅速增大，變化曲線斜率較大，而隨著左右導洞的繼續開挖，其應力值又逐漸減小；當開挖至特征點斷面中導柱上臺階時，應力值迅速增大，其最大主應力值可達5.4 MPa(拉應力)，超過混凝土的抗拉極限強度，混凝土有被拉裂破壞的可能，所以在施工過程中應特別注意避免此處拉應力過大帶來的不良后果。

3.3 圍巖塑性區

車站開挖完畢后，圍巖塑性區的分布情況如圖5所示，灰色的部分代表該點圍巖已經失效破壞，黑色部分代表該點圍巖已經進入塑性狀態。由圖5可知，圍巖塑性區大體分布在拱腰位置處，其中車站拱腳及中導柱部分圍巖已經失效，有失穩破壞的可能，左、右導洞和其他部分有零星圍巖失效，所以在施工過程應減小對中導柱和車站拱腳處圍巖的擾動，加強圍巖的保護，及時施做支護結構。

4 結語

1)車站水平位移相對較小，而沉降位移變化量較大，核心土的開挖對車站豎向位移影響顯著，施工時應及時施作支護結構，使初期支護盡早封閉成環。

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

3)核心土上臺階的施工對其中臺階兩側臨時支護結構影響較大，核心土臺階交接處支護應力集中明顯。車站拱頂和拱底支護結構最大主應力以拉應力為主，局部超過混凝土的抗拉強度，在施工過程中加強防范。

[1] 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.

[2] 余偉健，高 謙，張周平，等．深埋大跨度軟巖硐室讓壓支護設計研究[J].巖土工程學報，2009，31(1)：40-47.

[3] 王 志，杜守繼，張文波，等.淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J].地下空間與工程學報，2009，5(3)：531.

[4] 高 峰，譚緒凱.雙側壁導坑法施工的大斷面隧道的穩定性分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2010，29(3):363.

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[6] 李文江,朱永全,劉志春.淺埋、軟土隧道穿越鐵路站場施工效應分析[J].石家莊鐵道學院學報,2004,17(4):5-8.