側壁導洞施工方法在隧道下穿既有地鐵車站應用分析

姚杰 崔文輝 于金龍

中鐵六局集團有限公司 北京 100036

前言

近年來，我國隧道、地鐵迅速發展，城市地鐵建設中常出現隧道下穿既有地鐵車站、地下商場等復雜問題。在受地形空間等限制下，常出現兩個相鄰隧道最小凈距超出規范要求的現象。因此，城市地鐵常采用大斷面小凈距隧道結構形式。小凈距隧道相比普通隧道，施工難度大、工期長，施工過程中左右洞和中間巖柱的相互影響，圍巖穩定性差，結構受力十分復雜，存在許多關鍵問題需要解決[1]。當小凈距隧道下穿已有地下工程，圍巖受力變形則更復雜多變[2]。側壁導洞施工方法在對地面沉降要求嚴格時較為常用。本文采用有限差分計算方法，分析研究側壁導洞施工方法在小凈距隧道下穿既有車站中的應用，揭示位移、內力規律。

1 工程概況

本文依托重慶市軌道十號線下穿軌道六號線紅土地車站工程。軌道六號線紅土地站為已建工程，呈東西向布置，正常運營。新建重慶軌道交通十號線紅土地站呈南北向布置，主體采用暗挖法施工，為復合式襯砌結構。兩車站平面上呈十字相交（如圖1所示）；在豎直方向上，軌道六號線紅土地站位于十號線紅土地車站上方，為減小十號線下穿施洞室開挖對上部車站的影響，將大跨度單洞隧道分成兩個分離的單洞雙層拱形結構（如圖2所示）。

圖1 下穿地鐵隧道平面關系圖

圖2 下穿地鐵隧道立面圖

2 數值模型建立及控制

側壁導洞開挖通常在對地面沉降要求嚴格時使用。一般將隧道斷面從中間分成4～6部分，使上、下臺階左右各分成2～3部分，每一部分開挖并支護后形成獨立的閉合單元，各部分開挖時，縱向間隔的距離可根據具體情況按臺階法確定[3]。每步的臺階長度都應控制，一般為5～7m，為穩定工作面，往往與預注漿等輔助施工措施配合使用，采用人工或機械開挖方式。本次施工順序如圖3所示。開挖過程采用先開挖一側先行洞，再開挖另一側后行洞，開挖過程如圖3所示。側壁導洞開挖：開挖支護順序先開挖①部，然后開挖②部，最后開挖③部，再開挖④⑤⑥部。④⑤⑥部開挖順序同①②③部。三種施工方案均每步開挖3m，上臺階先行下臺階3m，每步開挖后開挖后立即進行噴射混凝土支護，二襯支護緊跟開挖工作面。

圖3 側壁導洞開挖方式

十號線隧道下穿段為35m，為消除邊界影響，兩側分別再取12.5m長的大斷面，最終長度60m；六號線隧道長度取160m；巖土體厚110m，按地質條件劃分為三層，上部為砂質泥巖，中部為砂巖，下部為砂質泥石，均為緩傾巖層。巖土體結構采用實體單元，已建六號線車站襯砌采用實體單元模擬；擬建十號線下穿段隧道初襯采用殼結構單元模擬，支護錨桿采用錨索單元模擬，二襯采用實體單元模擬。采用摩爾-庫倫本構模型，物理力學參數如下表1。

表1 巖土體物理力學參數

4 計算結果分析

4.1 變形分析

（1）六號線車站結構變形

隨著十號線下穿段施工的不斷推進，其周邊圍巖受到擾動，發生應力重分布，致使六號線圍巖位移場也發生改變，沿施工導洞方向偏移，且數值逐步增加。六號線車站最大位移出現在洞底，位移值逐漸向隧道兩側和洞頂擴展減小。十號線側壁導洞開挖完畢后，六號線總位移云圖如圖4所示，十號線正上方的六號線總位移約有4.3～4.4mm。

圖4 六線號隧道位移

（2）十號線下穿段圍巖變形

圖5為十號線下穿段洞頂位移曲線圖，沿十號線下穿段中部，位移較小，沿兩側位移先出增大趨勢，隨后減小。在兩側位移峰值處（約±12.5m位置處）正位于六號線車站兩幫下部，此處為六號線車站應力集中區，十號線開挖使得該處應力向下傳遞并釋放，使得該處位移量較大；而下穿段中部（約0m位置）為六號線車站底板正下方，六號線開挖建成后，此處地應力較小，十號線開挖向下傳遞釋放應力相對較小，因此，位移量較小[4-5]。后行洞在穿越六號線車站正下方位置后區域，位移較先行洞小，因為先行洞開挖使得六號線兩幫應力集中區應力得到釋放。

圖5 十號線下穿段洞頂位移曲線

4.2 應力分析

（1）最大主應力

圖6為十號線下穿施工完畢后，六號線支護結構的最大主應力云圖，可知在洞頂與洞底部位存在應力集中特征[6]。而在隧洞兩幫具有一定的壓應力。在六號線變形速率較大的區域，即十號線正上方，因受下方隧洞開挖影響，其壓應力與兩側壓應力規律相比，有明顯向下錯動趨勢[7-8]。根據局部放大的二襯支護結構截面最大主應力云圖可見，六號線下方十號線先、后行洞之間預留的巖柱因兩側洞子開挖而承受的壓應力[9]。洞底處最大主應力最大，其最大值為310kPa。

圖6 支護結構最大主應力

（2）最小主應力

十號線下穿施工完畢后，分別以先（后）行洞間軸對稱線、先（后）行洞的軸線兩個剖面上的圍巖及其支護結構最小主應力變化如圖7所示。可見沿六號線軸線方向最小主應力變化并不大，隧道支護結構兩幫的最小主應力最小，拱底處最小主應力最大，為200 kPa。

圖7 圍巖及支護結構最小主應力

5 結束語

本文基于有限差分法研究十號線采用側壁導洞施工方法下穿六號線車站，對隧道圍巖及六號線結構的影響。通過計算分析表明，側壁導洞法施工引起的洞底沉降值較小，引起的擾動程度較弱，受擾動后的圍巖能夠更快地進入穩定階段。下穿段隧道采用側壁導洞施工方法，對上部六號線車站隧道洞頂變形、洞底變形都能起到較好好的控制效果。

參考文獻

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