深埋地鐵車站出入口交叉段施工力學特性的數值分析

龍 杰, 張潤東, 張 路, 張福麟, 張 創

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川成都 610031)

隨著城市淺層地下空間的開發日趨緊張，使越來越多的地鐵車站朝著大深度地層進行設置。深埋地鐵車站出入口交叉段屬于交叉隧道的一種特殊結構。因出入口交叉段結構受力復雜，對其開挖方法、圍巖加固以及監控量測等均具有特殊要求[1-4]。國內外學者對此開展了眾多的研究。靳曉光等[5]以分離式隧道中的橫通道為研究對象，分析了不同施工方案動態施工過程中主隧道圍巖與初支結構的力學行為。王先義等[6]通過數值模擬的方法，分析得出大跨度地鐵車站出入口通道施工過程對交叉口拱頂和底部位移影響較大。游步上等[7]采用FLAC3D軟件分析不同側壓力系數、不同巖石強度與不同覆土深度條件下聯絡通道開挖前后主隧道的力學行為。張志強等[8]針對高速公路主隧道與車行橫通道組成空間結構，采用現場實測以及三維有限元數值模擬的研究手段，進行了結構施工力學效應研究。

目前的研究主要集中在淺埋和小跨徑隧道的交叉段[9-12]，而對深埋大跨徑隧道出入口交叉段施工工法、施工時機以及施工過程中圍巖和支護結構力學行為的研究較少。本文以重慶軌道交通10號線某深埋地鐵車站為依托，采用數值模擬的方法，對比2種不同施工方案下車站出入口施工過程中深埋地鐵車站出入口段圍巖和初期支護結構的力學行為，為類似工程施工提供參考。

1 數值模擬

1.1 模型的建立

車站埋置深度約40 m，總長216 m，采用導式站臺、單拱雙層結構。站廳層側墻共設有4個出入口，對稱分布。出入口和車站均為復合襯砌結構，采用暗挖法施工。車站所處地層以砂質泥巖為主，局部夾雜砂巖，厚度為61.7 m，圍巖為Ⅳ級，上覆第四系殘積層，主要為粉質黏土，厚度約3.3 m，下臥地層為砂巖，圍巖為Ⅲ級。車站主體斷面大，出入口埋設深度深，交叉口段施工工序復雜。為此，采用數值模擬的方法，對交叉口段施工過程中圍巖和初期支護結構的力學行為進行分析。

為便于數值計算，首先采用ANSYS建立車站及其出入口段的三維計算模型，然后再導入FLAC3D進行車站和出入口段施工過程的模擬計算。為了減小邊界條件對計算結果的影響，模型寬度取為160 m(隧道左右兩側取2.6倍洞徑)，上部取至地表，距離隧道拱頂38.2 m(不考慮地表地勢起伏)，底部邊界至隧道底部取為41 m(約為2倍隧道洞高)，模型縱向計算長度取為60 m。所建立的車站和出入口計算模型及其尺寸如圖1所示。模型共有126 424個單元，133 399個節點，模型上部表面定義為自由面，其余各面施加法向位移約束。

(a)有限元模型

(b)三維有限元模型圖1 車站和出入口計算模型

1.2 材料參數

數值模型中以Mohr-Coulomb準則來模擬圍巖的本構關系。采用實體單元加以模擬。隧道的初期支護只考慮噴射混凝土支護，采用各向同性的彈性本構模型，以殼單元來模擬。隧道的二次襯砌在圍巖初期支護變形穩定后施做，并采用各向同性的彈性本構模型，用實體單元加以模擬。數值計算中所采用的圍巖和初期支護的物理、力學參數如表1所示。

表1 圍巖與支護結構物理力學參數

1.3 隧道開挖方案

地鐵車站主體采用雙側壁導坑法進行開挖，其開挖的工序如圖2所示，即先分別開挖兩側的1、2、3部分，預留中間的核心巖體，隨后依次開挖 4、5、6部分。每個施工步開挖進尺1.5 m，開挖后隨即施做初期支護，各部分開挖間隔四個施工步。出入口通道采用全斷面開挖，每次開挖步模擬的開挖進尺為3 m，開挖后隨即進行初期支護的施做。擬定的開挖方案有兩個，方案Ⅰ：先采用雙側壁導坑法開挖完成車站的隧道部分，然后再進行出入口部位的開挖。方案Ⅱ：采用雙側壁導坑法開挖車站隧道部分至出入口部位時，隨即開挖橫通道。

2 數值分析結果

為了研究在上述2個施工方案下車站出入段圍巖在車站施工期間發生的位移和應力變化狀況，在該段選取了一個監測斷面，并在斷面內設置8個監測特征點(圖3)。通過對上述2種不同施工方案數值計算中各特征點位移和應力變化狀況的比較，分析不同開挖方案對車站圍巖穩定性和初期支護安全性的影響，進而確定合理的開挖方案。所得結果分析如下。

圖2 模擬計算的車站開挖工序

圖3 監測斷面內特征點示意

2.1 位移分析

2.1.1 豎向位移

計算得到的各特征點豎向位移的變化狀況見表2。從表2可以看出，出入口的開挖對車站交叉部位圍巖產生了一定的影響，出入口側車站邊墻圍巖位移變化量相對出入口對側圍巖區域較大。2種方案產生的影響差別較小，采用方案Ⅱ開挖時，特征點的位移最大正、負變化量分別為1.70 mm(位于交叉口拱底7號點)和-1.40 mm(位于交叉口拱頂8號點)。出入口開挖時，該側通道圍巖應力釋放，出入口側交叉部位圍巖豎向位移均向出入口通道徑向移動。

表2 特征點豎向位移 mm

注：表中的“Ⅰ”和“Ⅱ”分別代表方案Ⅰ和方案Ⅱ，余下各表相同。

選取出入口開挖車站交叉部位豎向位移變化較大的特征點7、8，分析其豎向位移在施工過程中的變化狀況，其在不同開挖步時的位移如圖4所示。方案Ⅰ、Ⅱ分別在第57步和27步時開始對出入口部位的巖體進行開挖。2種施工方案的最終豎向位移相接近，只是中間變化過程不同，這是由于車站所處圍巖巖性比較好。但從開挖的工序而言，采取方案Ⅱ所需要的開挖步序要少于方案Ⅰ的步序，因而可以提前完成對出口段的開挖。

圖4 特征點豎向位移變化曲線

2.1.2 水平位移

通過數值計算得到兩種方案下各特征點的豎向位移如表3所示。由表3可知，出入口開挖對車站交叉部分圍巖水平位移的影響較小，變化量相對較大的點位為交叉口拱頂和拱底。交叉口拱頂的位移向出入口通道方向變化，拱底位移背向出入口變化。分析原因，出入口開挖時，通道處圍巖應力釋放，整個交叉環口變成了單軸受力狀態，交叉口拱頂區域受側向應力降低，向出入口通道方向變形。車站拱形圍巖壓力對交叉口底部作用不明顯，圍巖壓力釋放后向車站內徑向變形。方案Ⅱ與方案Ⅰ最大差別點位位于交叉口拱底(7號點)，由于方案Ⅱ出入口開挖時間早，對圍巖擾動次數少、支護及時，限制了圍巖變形的發展。從控制出入口段圍巖變形的角度出發，方案Ⅱ更有利于控制圍巖的發生變形和維護圍巖的穩定性。

表3 特征點水平位移 mm

2.2 圍巖應力分析

隨著出入口的開挖，對圍巖產生了再次擾動，導致此部位圍巖內應力狀態不斷發生改變?，F將2種方案施工時車站交叉口典型位置圍巖應力對比分析如下。

(1)最大主應力，通過數值計算得到兩種方案下圍巖內的最大主應力如表4所示。由表4可知圍巖的最大主應力出現在車站側墻，其數值變化范圍為-1 880～-2 659 kPa；而在拱頂和拱底處相對較小。車站出入口的開挖對車站交叉口側圍巖應力影響比交叉口對側大。方案Ⅰ中，交叉口拱底最大主應力由出入口未開挖時的-2 304 kPa降低為-1 101 kPa，減少52.2 %；拱頂最大主應力由出入口未開挖時的-1 895 kPa降低為-935 kPa，減少50.7 %。方案Ⅱ中，交叉口拱底最大主應力降低為-1 065 kPa，減少53.8 %；拱頂最大主應力降低為-825 kPa，減少56.5 %。對比2種施工方案，方案Ⅱ中車站交叉口圍巖的最大主應力較方案Ⅰ更小，從控制圍巖應力及安全性的角度出發，方案Ⅱ要優于方案Ⅰ。

表4 特征點最大主應力 kPa

(2)最小主應力，計算得到的圍巖最小主應力如表5所示，車站圍巖在拱底出現拉應力，最小主應力值為5 kPa。出入口開挖導致車站交叉口側的應力明顯發生變化，最小主應力由壓應力狀態轉為拉應力狀態。在方案Ⅰ中，交叉口拱底最小主應力增量為221 kPa，增量百分比為174.0 %；拱頂最小主應力增量為151 kPa，增量百分比為59.2 %。方案Ⅱ中，交叉口拱底最小主應力增量為260 kPa，增量百分比為204.7 %；拱頂最小主應力增量為286 kPa，增量百分比為112.2 %。采取方案Ⅱ施工，交叉口段圍巖最小主應力增幅較大。2種方案施工都應注意出入口交叉段的保護，避免圍巖出現受拉破壞。

表5 特征點最小主應力 kPa

選取出入口開挖時車站交叉部位主應力變化較大的特征點7、8，分析其主應力在施工過程中的變化，結果如圖5所示。可以看出出入口開挖對車站交叉段主應力影響顯著。2種施工方案對圍巖主應力變化過程影響不同，變化趨勢相同。

(a)最大主應力

(b)最小主應力圖5 特征點主應力

2.3 初期支護結構應力

初期支護作為隧道施工期間維護圍巖穩定性的結構，對隧道開挖過程中圍巖的穩定性起著至關重要的作用。對比2種方案施工所引起的初期支護結構內主應力大小和應力集中程度，從而可以判斷施工方案的可行性。

表6列出了車站交叉口處及未受影響斷面(距交叉口10 m斷面)支護結構應力。從表6中可以看出，方案Ⅰ和方案Ⅱ施工所引起的車站出入口段初期支護結構的最大主應力分別為-21.92 MPa和-23.35 MPa，采用方案Ⅱ時所引起的最大主應力比方案Ⅰ大7 %，但2種施工方案所引起的最大主應力均小于混凝土的抗壓強度25.0 MPa。2種施工方案所引起的車站出入口段應力集中系數均超過2，說明出入口開挖引起的交叉段支護結構應力集中比較大，施工過程中應加強該段支護措施。最小主應力均表現為拉應力，分別為4.41 MPa和3.37 MPa，方案Ⅱ所引起的最小主應力比方案Ⅰ小24 %。最小主應力均超過混凝土的抗拉強度1.27 MPa，說明出入口交叉段支護結構傾向于發生張拉破壞。

表6 初期支護結構內主應力 MPa

注：k=交叉口最大主應力/未受影響斷面最大主應力。

通過模擬計算得到采用2種施工方案時初期支護結構的主應力云圖如圖6所示。由圖6可以看出，出入口開挖在車站交叉側拱腳和拱肩附近引起的支護結構最大主應力明顯集中，最小主應力在交叉口拱底附近表現為拉應力，應力分布規律大致相同。

圖6 支護結構主應力云圖

從上述對比可以看出方案Ⅱ引起的初期支護結構最小主應力要小于方案Ⅰ，最大主應力只有略微增加?？紤]到入口段易發生的是張拉破壞，從控制隧道支護結構應力，提高支護結構安全性的角度出發，提前開挖入口通道的方案Ⅱ更優于方案Ⅰ。

3 結論

(1)出入口開挖對車站交叉口側圍巖的豎向位移和水平位移比交叉口對側影響大。圍巖的位移變化過程受施工方案影響較大，由于圍巖巖性較好，2種方案最終位移基本相同。方案Ⅱ具有可行性。

(2)出入口開挖對車站交叉段圍巖應力影響較大。出入口段圍巖最大主應力，方案Ⅰ比方案Ⅱ大，最小主應力則相反。采用2種方案施工時要注意入口交叉段的保護，避免圍巖出現受拉破壞。

(3)出入口開挖引起車站交叉段初期支護結構的應力明顯集中。采用方案Ⅱ施工所引起的出入口段初期支護結構最小主應力小于方案Ⅰ，從控制初期支護結構應力的角度而言，方案Ⅱ要優于方案Ⅰ。最小主應力均為拉應力，且超過混凝土的抗拉強度，應提高該段初期支護結構的抗拉強度，避免支護結構張拉破壞。

(4)采用方案Ⅱ施工時可以保證車站與出入口交叉段圍巖的穩定性和初期支護結構的連續性，同時還可減少施工的工序，節約工期，具有一定的優勢。