深埋地鐵車站通風井分層開挖法施工力學分析

王明均，齊 偉，姚 杰，郭志強，崔文輝

（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

深埋地鐵車站通風結構施工，空間結構受力復雜，交叉段應力集中，是結構的薄弱環節，同時又是施工的咽喉。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，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。以往關于地鐵車站通風井施工的數值模擬研究中，大部分專家學者研究的多是淺埋車站通風結構的施工[1-6]，并取得了較多研究成果，但對于深埋地鐵車站通風結構施工的建設情況、相關開挖技術以及襯砌應力等方面的研究并不深入。因此，對采用分層開挖法的深埋地鐵車站通風井交叉段的變形行為與襯砌應力等方面的內容進行深入的研究，對促進該類型工程的發展具有十分重要的作用。

本文依托重慶市軌道交通十號線紅土地車站隧道工程，利用三維有限元分析軟件Midas-GTS(NX)，對地鐵車站通風井交叉段的復雜力學行為進行研究，為深埋地鐵風井分層開挖施工的施工方案優化和支護設計及安全控制提供科學依據。

2 數值分析模型的建立

分層開挖是風井開挖的一種常用方法，它的簡要程序為：首先從上而下開挖并支護風井至風井最底部，然后施工開挖并支護通風道，最后完成通風道和風井交叉部分的開挖和支護。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地進行，在滿足工程精度要求的前提下，做如下假定：

（1）忽略地表和各巖層和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

根據紅土地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4.0m、3.0m、16.0m、20.0m、44.0m和79.0m。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：左邊界取隧道外邊緣側80m；右邊界取隧道外邊緣側50m；下邊界取隧道下邊緣75m；上邊界為地表面；沿隧道前進方向取166m，建立的數值模型劃分網格之后共有161243個單元，45833個節點，建立的數值分析模型如圖1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。

初期支護結構噴射混凝土參數為：彈性模量E=3.0×107kPa，泊松比μ=0.2。支護錨桿力學參數為：彈性模量E=2.05×109kPa。

圖1 數值分析模型

3 數值分析結果

為分析通風道與風井交叉段應力及變形情況，特選取交叉處風道拱頂特征斷面作為分析對象，通過分析研究斷面的圍巖和支護結構的位移、應力等參數指標隨施工開挖的推進的變化規律和最值來判斷圍巖和支護結構的穩定性，分析斷面特征點分布如圖2所示。

圖2 分析斷面位移特征點分布圖

3.1 圍巖位移

（1）圍巖豎向位移。根據模擬結果可知，風道上部圍巖的豎向位移為負即發生向下的沉降，最大沉降值約為3.15mm，發生在風道拱頂處；風道下部圍巖的豎向位移為正即發生向上的隆起，最大的隆起值約為6.32mm，發生在風道的仰拱中心的位置。風井的豎向位移較小，以正向位移為主，即發生向上的隆起，最大的豎向隆起值為5.12mm，發生在風井底部中心的位置。提取通風道和風井交叉斷面（分析斷面）風井收斂值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，隨著風井的開挖，特征點由于開挖卸荷的作用發生向上的隆起，距離點位越近向上隆起速度越快，最大的隆起位移為1.72mm；當風井開挖到特征點位時，豎向位移發生突變，由向上的隆起變為向下的沉降，但總體位移方向依舊向上；當通風道開挖到風井附近時時，測點a位移發生突變，向下沉降量迅速增大，而其他測點位移變化不明顯，風井和通風道全部開挖完成后測點a的沉降值為2.1mm。

表1 巖體材料參數

圖3 特征點圍巖豎向位移隨施工步變化曲線

（2）圍巖水平位移。風井和通風道全部開挖完成后，通風道內最大的水平正向位移為2.98mm，發生在通風道轉彎后不遠斷面的拱腰位置，最大負向位移為2.22mm，發生在通風道與風井交叉斷面拱腰位置。風井短邊的水平位移只出現在風井中下部分，而且符號相反，即發生向內的凈空收斂，其中最大的正向位移為1.59mm；最大負向位移為1.79mm，風井短邊的最大凈空收斂值為3.28mm。在風井施工過程中，風井長邊方向的凈空收斂隨著開挖深度的增加而增大，其中通風道和風井交叉處斷面水平正向位移為2.64mm，負向位移為3.67mm，水平凈空收斂為6.31mm。

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。

（1）圍巖主應力。圍巖的最大主應力在該斷面的拱腳處相對較大，而在其他部位相對較小。其中拱腳處的圍巖最大主應力值為4.91MPa（壓應力），所以在實際施工過程中應加強對拱腳的保護和監測，避免出現擠壓破壞的情況。風井和通風道交叉斷面處的圍巖最小主應力有拉應力也有壓應力，除拱頂及少數仰拱部位圍巖出現拉應力外，其他部分均為壓應力。最大拉應力發生在拱頂處為0.37MPa，所以在施工過程中應注意保護拱頂，避免其出現拉裂破壞。

（2）支護結構主應力。

①支護結構最大主應力。施工完成后初期支護結構的最大主應力以壓應力為主，在通風道與風井交叉的部位和通風道的轉彎處有應力集中現象，其中主應力最大壓應力為16.98MPa，出現在通風道與風井交叉截面的拱腳處；最大拉應力為1.41MPa，發生在通風道轉角斷面的仰拱中心位置。初期支護采用的混凝土抗拉強度為1.27MPa，而主應力的最大拉應力已經超過混凝土的抗拉強度，所以在施工過程中應更加重視通風道和風井交叉段和通風道轉彎處的施工，以免由于應力集中而產生不良后果。

當特征點位斷面支護結構施工完成后時，其最大主應力均迅速增大，變化曲線斜率陡增，隨施工的進行而又迅速趨于穩定。在風道開挖前期特征點變化量很小，而當風道開挖至交叉斷面時，特征點a最大主應力發生突變，由拉應力轉變為壓應力，應力值迅速增大隨后又趨于穩定，最終的穩定值為2.0MPa（壓應力）。當風道開挖至交叉斷面時，特征點c、d變化曲線斜率增大，應力值逐漸減小后又趨于穩定，最終穩定值為2.1MPa（壓應力）。風道施工對特征點b處的最大主應力的影響較小。

②支護結構最小主應力。特征點處支護結構最小主應力隨施工步序的變化曲線如圖4所示。

初期支護結構的最小主應力以拉應力為主，其中最大拉應力為7.62MPa，發生在通風道的轉角斷面的拱腰位置，而在通風道與風井的交叉部分最大的拉應力也達到7.54MPa，均超過混凝土的抗拉強度，所以在施工過程中應足夠重視應力集中的影響，加強防范。最小主應力的壓應力一般分部在通風道外側，最大值為2.37MPa，不會引起支護結構的破壞。

當特征點位斷面支護結構施工完成后時，其最小主應力均迅速增大，變化曲線斜率陡增，隨施工的進行而又迅速趨于穩定。隨著風道的逐步開挖，特征點位的最小主應力均緩慢減小，當風道開挖至交叉斷面時，特征點a應力值發生突變，其值迅速增大隨后又趨于穩定，最終的穩定值為5.0MPa（拉應力）。當風道開挖至交叉斷面時，特征點c、d變化曲線斜率增大，應力值逐漸減小后又趨于穩定，最終穩定值為2.5MPa（拉應力）。風道施工對特征點b處的最大主應力的影響較小。4個點位的應力值均已經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交叉斷面應力集中帶來的不良后果。

圖4 支護結構最小主應力隨施工步距變化曲線圖

3.3 圍巖塑性區

圍巖塑性區大體分布在通風道和風井的下部，其中通風道與風井的交叉處部分圍巖已經失效，有失穩破壞的可能，通風道轉角處和其他部分有零星圍巖失效，所以在施工過程應減小對交叉處和通風道轉角處圍巖的擾動，加強圍巖的保護，及時施作支護結構。

4 結論

（1）通風道的開挖對交叉段風井的空間位移影響顯著。交叉口處風井水平位移變化量相對較小，而沉降位移變化量較大，應引起足夠重視。

（2）通風道的開挖對風井下部支護結構的最小主應力影響較大，以拉應力為主，其值超過混凝土的抗拉強度，所以在施工過程中應足夠重視應力集中的影響，加強防范。

（3）風井和通風道的交叉斷面處圍巖和支護結構的主應力值均比較大，且塑性區也主要集中在交叉斷面，說明應力集中現象在這斷面較明顯，施工時應特別注意應力集中帶來的不良后果，加強監測和防護。

[1] 瞿萬波，劉新榮，傅晏，等.洞樁法大斷面群洞交叉隧道初襯數值模擬[J].巖土力學，2009，30（9）：2799-2804.

[2] 謝順意，施成華，彭立敏，等.地鐵車站與風道交叉段施工力學行為數值模擬分析[J].鐵道標準設計，2012（6）：93-97.

[3] 胡少斌，張立平，邊寧寧，李曉文，李增光.大跨地鐵風道導洞開挖的地表沉降分布規律研究[J].鐵道標準設計，2017（2）：105-109.

[4]邱品茗.地鐵超淺埋群洞數值模擬及施工相關問題研究[D].西南交通大學，2009.

[5] 羅彥斌，陳建勛，王夢恕.隧道斜交橫通道施工對主隧道襯砌結構的影響研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29（增2）：3792-3798.

[6] 趙則超.立體交叉隧道不同近接距離對圍巖壓力和襯砌結構力學行為的影響[D].西南交通大學，2009.