長沙地鐵渡線暗挖區間結構施工安全計算分析

胡柱奎 （中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽 合肥 230021）

0 前言

隨著我國經濟增長和城市化進程的加速，城市交通壓力不斷上升，城市軌道交通建設的進程日益加快。但由于城市施工環境復雜，建筑物密集，管線交錯，路面交通繁忙，施工空間限制，給地鐵施工帶來了挑戰。同時對于地鐵停車線、折返線、渡線等大斷面的異形結構，地鐵施工常采用的盾構法不再適用，而采用礦山法施工。在城市隧道礦山法施工中，需要借助豎井和橫通道輔助施工，而由于受到臨街建筑物和交通運行的影響，需慎重選擇豎井位置和嚴格控制施工場地大小[1-3]。

為滿足城市地鐵建設的需要和施工場地的限制，往往出現施工豎井、橫通道、正洞立體正交于一體的結構體系，給施工帶來了極大的安全風險，同時給施工技術也提出了很高的要求。長沙地鐵3號線侯家塘至東塘站右線渡線暗挖區間出現了上述情況，即施工豎井、橫通道以及正洞結構立體交叉與一體，為降低施工風險，確保施工安全，在施工前對該立體正交結構體系進行安全計算分析非常必要，并給出相應的安全控制措施。

基于以上背景，本文以長沙地鐵3號線侯家塘至東塘站右線渡線暗挖區間豎井、橫通道及正洞立體正交結構施工為依托，運用三維數值計算方法，對其施工過程進行計算分析，研究成果一方面可以指導長沙地鐵3號線的施工，另一方面也可為今后類似工程的修建提供借鑒。

1 依托工程概況

1.1 工程概況

長沙地鐵3號線侯家塘站～東塘站區間左線為盾構區間，右線分盾構區間段與渡線暗挖區間段2段，暗挖區間西端與盾構段相接，東端與東塘站相接。暗挖部分設計起點里程YDK19+226.644，終點里程YDK19+449.825，全長223.181m。渡線區間暗挖段設計為馬蹄形斷面結構，復合式襯砌。

渡線暗挖段在靠近盾構、暗挖交接處設置1座豎井，豎井深度34.1m；豎井圍護結構采用直徑1.2m鉆孔樁，鉆孔樁長度37m；圍護樁豎井凈空尺寸寬5m、長7.5m，冠梁尺寸寬1.2m、高1m，冠梁高出地面20cm兼做擋水墻作用；豎井井深分別在距冠梁7m、14m、18.5m處設置4道鋼筋混凝土環梁，環梁尺寸高1.4m、寬1m；由于場地限制，豎井位置侵占暗挖區間部分區域，橫通道較短，總長7.989m，高度11.5m。在橫通道側壁和豎井側壁面修建暗挖正洞，正洞采用CRD法施工，使用φ108大管棚作為超前支護。施工豎井、橫通道及正洞立體正交結構如圖1～圖2所示。

圖1 正交結構體系示意圖

圖2 剖視圖

1.2 地質條件

豎井圍護樁穿越的地層包括沖積粘性土層、沖積圓礫層、沖積卵石層、硬塑狀粉質粘土層、強風化泥質粉砂巖、中風化粉砂質泥巖。立體交叉段主體結構位于強風化泥質粉砂巖中，最小埋深為橫通道拱頂位置，埋深約22.0m；正洞拱頂位置埋深約為23.1m。建筑場地處于湘江三級階地上，未發現能引起場地滑移、大的變形和破壞等的不良地質作用。立體交叉結構上覆地層中的沖積圓礫層和沖積卵石層是地下水賦存巖層，地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

2 三維數值計算說明

2.1 計算模型

根據長沙地鐵3號線侯家塘站～東塘站實際情況模擬隧道埋深及隧道開挖，模擬計算采用FLAC3D有限差分元通用程序[4]。為充分模擬隧道的三維空間效應，計算模型所取范圍是：根據實際工程情況沿縱向取100m，沿橫向取140m，沿豎向取150m，模型中豎井圍護樁的深度按設計取37.1m，圍護樁下方圍巖深度取112.9m；模型中橫通道開挖斷面跨度為9.5m，高度為11.77m，正洞開挖斷面跨度為12m，高度為9.366m；約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計算中地層采用彈塑性實體單元模擬，管棚采用彈性結構單元模擬，初期支護、加強初期支護、臨時仰拱采用彈性實體單元模擬。模型按照實際土層分界面進行建模，選取了土層最厚區間進行計算。整個計算模型采用四面體單元劃分，模型共641600個節點、456480個單元。

圍巖計算參數表 表1

材料物理力學參數表 表2

2.2 計算參數

圍巖的物理力學指標參照《長沙市軌道交通3號線一期工程KC-1標段詳細勘察階段侯家塘站至東塘站區間巖土工程勘察》資料選取，襯砌材料的物理力學指標參照《長沙軌道交通3號線一期工程施工圖設計第一分冊礦山法平縱斷面及主體結構變更圖》選取，混凝土材料物理參數根據《鐵路隧道設計規范》選取，所確定的計算參數如表1、表2所示。

2.3 計算施工步序

①施作鉆孔樁作為豎井圍護結構，施作冠梁，開挖豎井內部巖土體，施作3道環梁；

②在橫通道曲拱位置施作超前大管棚；

③破除豎井圍護樁，開挖橫通道；

④施作初期橫通道初期支護、中隔壁、臨時仰拱以及橫通道端墻；

⑤施作正洞門架；

⑥施作鋼支撐；

⑦以1m進尺開挖渡線正洞并做初期支護如表1、表2所示。

3 計算結果及分析

3.1 橫通道支護位移分析

各施工階段橫通道初期支護最大變形如表3所示。

各施工階段橫通道初期支護最大變形統計表 表3

3.2 橫通道初期支護應力分析

各施工階段橫通道初期支護主應力統計如表4所示。

橫通道初期支護主應力統計表（MPa） 表4

3.3 正洞初期支護位移分析

各施工階段正洞初期支護最大變形統計如表5所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護完成后的豎向位移計算云圖，如圖3。

3.4 正洞初期支護應力分析

各施工階段正洞初期支護主應力統計如表6所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護完成后最大壓應力計算云圖，如圖4。

各施工階段正洞初期支護最大變形統計表 表5

圖3 正洞下部開挖支護完成后豎向位移云圖（單位：m）

各施工階段正洞初期支護主應力統計表（MPa） 表6

圖4 正洞下部開挖支護完成后最大壓應力云圖（單位：Pa）

3.5 豎井圍護樁位移分析

各施工階段豎井圍護樁的最大變形統計如表7所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護完成后的豎井圍護樁收斂位移計算云圖，如圖5。

3.6 豎井圍護樁應力分析

各施工階段豎井圍護樁主應力統計如表8所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護完成后豎井圍護樁最大拉應力計算云圖，如圖6。

圖5 橫通道和正洞下部開挖支護完成后豎井圍護樁收斂位移云圖（單位：m）

各施工階段圍護樁最大變形統計表 表7

圖6 橫通道和正洞下部開挖支護完成后豎井圍護樁最大拉應力云圖（單位：Pa）

3.7 豎井底對口撐受力分析

各施工階段豎井底對口撐軸向應力統計如表9所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護完成后的對口撐軸向應力計算云圖，如圖7。

各施工階段圍護樁主應力統計表（MPa） 表8

圖7 正洞下部開挖支護完成后對口撐軸向應力云圖（Pa）

綜合以上計算分析結果可得，橫通道支護結構、正洞支護結構以及豎井圍護樁的變形均遠小于《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB50911-2013）的要求[5]；橫通道支護結構、正洞支護結構、豎井圍護結構以及對口支撐結構的應力水平均小于混凝土的極限強度，所有結構安全。

各施工階段對口撐軸向應力統計表（MPa） 表9

4 結語

截止目前，長沙地鐵3號線侯家塘站～東塘站區間渡線暗挖段的施工豎井及內支撐結構、橫通道均施工完畢，已進入正洞的施工，東塘方向累計開挖進尺45m，候家塘方向累計開挖進尺15m。在施工過程中，實時對圍護結構的變形、橫通道的變形以及正洞的變形進行了現場監測，監測數據均滿足《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB50911-2013）的要求，整個結構體系安全可控。

[1]HE Chuan，WANG Bo.Research progress and development trends of highway tunnels in China[J].Journal of modern transportation，2013，21(4):209-223.

[2]黃宏偉.城市隧道與地下工程的發展與展望[J].地下空間，2001，21（4）：311-317.

[3]劉寶琛.急待深入研究的地鐵建設中的巖土力學課題[J].鐵道建筑技術，2000，22（3）：1-3.

[4]Junru Zhang、Wenge Qiu、Huijian Zhang，Finite element analyze single shell lining based on contact mechanics，Underground Space，WTC-2007：1355-1359.

[5]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.