新建換乘通道密貼下穿既有地鐵車站施工工序優(yōu)化*

有智慧 苗龍剛 農(nóng)興中 江永旺 郭宏博 章慧健

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)院股份有限公司，510010，廣州；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都 ∥ 第一作者，高級工程師)

隨著城市軌道交通線網(wǎng)的不斷加密，新建地鐵線路穿越既有線路的交叉換乘問題越來越多[1]。目前，無論是單一隧道施工還是隧道鄰近既有結(jié)構(gòu)物施工，對于采用多分部開挖的隧道工程，施工工序均是重難點(diǎn)問題之一。文獻(xiàn)[2]以深圳地鐵3號線紅嶺中路站—老街站區(qū)間重疊盾構(gòu)隧道為背景，對該區(qū)間隧道的施工工序進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并根據(jù)現(xiàn)場具體施工情況得出了優(yōu)選工法。文獻(xiàn)[3]對采用CRD(交叉中隔墻)法施工的大跨度連拱隧道施工工序進(jìn)行了研究，根據(jù)洞內(nèi)位移控制效果與支護(hù)承載情況比選出最優(yōu)施工工序。文獻(xiàn)[4]采用FLAC3D軟件對某新建地鐵淺埋暗挖矩形隧道各導(dǎo)洞不同開挖順序的施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比分析地表沉降、隧道拱頂沉降、底板隆起位移、初期支護(hù)內(nèi)力等指標(biāo)，選出最優(yōu)施工方案。文獻(xiàn)[5]根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)化原理，以地表沉降作為目標(biāo)函數(shù)，對每個(gè)開挖階段的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行比較分析，從而選出最優(yōu)施工工序。文獻(xiàn)[6-11]對近距離穿越既有地鐵線路進(jìn)行了研究。

上述研究成果中隧道施工工序優(yōu)化主要集中在單一洞室，而針對近接施工的新建工程工序優(yōu)化方面的成果則較少，且因地質(zhì)差異以及近接方式和近接程度的不同，既有成果也未必能被簡單套用。本文以成都地鐵8號線(以下簡為“8號線”)倪家橋站換乘通道在砂卵石地層中大跨度、零距離密貼下穿既有地鐵1號線(以下簡為“1號線”)倪家橋站為工程背景，采用數(shù)值模擬方法對比分析了新建換乘通道采用的不同開挖順序?qū)扔熊囌尽⑿陆üこ碳皣鷰r介質(zhì)的影響。

1 工程概況

1.1 新建換乘通道和既有地鐵車站的相對位置關(guān)系

圖1 新建8號線倪家橋站換乘通道與既有1號線倪家橋站的相對位置關(guān)系

1.2 支護(hù)參數(shù)

新建8號線倪家橋站換乘通道采用平頂直墻、多分部暗挖施工，在下穿暗挖段起訖處施作馬頭門；初期支護(hù)采用H型鋼+鋼筋網(wǎng)+噴射C25混凝土；二次襯砌采用模筑C35鋼筋混凝土。既有1號線倪家橋站的墻、板、梁均為C30鋼筋混凝土，中柱為C40鋼筋混凝土。詳細(xì)支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 既有車站和新建換乘通道支護(hù)參數(shù)

1.3 施工工序

新建8號線倪家橋站換乘通道采用分層分塊的多部開挖法，擬定如圖2所示的3種不同施工工序進(jìn)行對比研究?？傮w而言，3種工況下?lián)Q乘通道均分為5條帶，每一條帶又分為上、下兩個(gè)臺階，臺階長度均為18 m，開挖步距為1 m。每一步開挖后及時(shí)施作初期支護(hù)，初期支護(hù)施作完成后，整體施作二次襯砌，最后拆除中隔壁。

圖2 新建 8號線倪家橋站換乘通道開挖工況

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型如圖3所示。計(jì)算范圍為：沿暗挖方向模型寬度取21.0 m，縱向長度取125.0 m，豎向自結(jié)構(gòu)底部取36.6 m，頂部取至地表。模型前、后、左、右邊界施加相應(yīng)方向的水平約束，下邊界施加豎向約束，上邊界為自由面。初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場的影響。圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，分別服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和彈性準(zhǔn)則。

圖3 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中的地層分布自上而下依次為：雜填土、細(xì)砂、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化泥巖。土層厚度及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

既有地鐵車站和新建換乘通道的支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表3所示。需要說明的是：初期支護(hù)中的鋼拱架(H型鋼)作用按其彈性模量折算成噴射混凝土考慮。具體計(jì)算方法為：

表3 既有1號線倪家橋站和新建8號線倪家橋站換乘通道計(jì)算參數(shù)

(1)

式中：

E——折算后的混凝土彈性模量；

提高煙葉質(zhì)量安全是促進(jìn)黔東南州煙草產(chǎn)業(yè)持續(xù)、健康、穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。保障煙草質(zhì)量安全需要從源頭抓起，科學(xué)合理地使用甚至不使用農(nóng)藥，減少煙葉的農(nóng)藥殘留量。為此，該研究提出了增強(qiáng)煙農(nóng)整體素質(zhì)，大力開展綠色防控技術(shù)，強(qiáng)化技術(shù)指導(dǎo)，通過試驗(yàn)篩選出高效低毒低殘留的農(nóng)藥，廣泛開展農(nóng)藥殘留量檢測等建議。

E0——原混凝土彈性模量；

Sg——鋼拱架截面積；

Eg——鋼材彈性模量；

Sc——混凝土截面積。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 既有地鐵車站底板沉降

以距離開挖起點(diǎn)5.15 m的斷面為考察斷面，提取每一個(gè)導(dǎo)洞通過該斷面后引起的既有車站底板沉降值，如圖4所示。

由圖4可知：①工況1下，當(dāng)導(dǎo)洞4-2開挖至5.15 m時(shí)，既有車站底板出現(xiàn)上抬現(xiàn)象，最大上抬值為0.35 mm；工況2和工況3下，當(dāng)導(dǎo)洞3-2開挖至5.15 m時(shí)，既有車站底板亦出現(xiàn)上抬趨勢，最大上抬值分別為0.61 mm和0.39 mm。②換乘通道施工完成后，既有車站底板沉降呈非對稱分布，最大沉降值發(fā)生在換乘通道中心線左側(cè)。③工況1下，既有車站底板最大沉降值為4.72 mm；工況2和工況3下，既有車站底板最大沉降值分別為4.90 mm和4.86 mm。

圖4 既有1號線倪家橋站底板沉降曲線

導(dǎo)洞開挖期間，工況1、2、3下既有車站底板的最大沉降值分別為3.33 mm、3.84 mm、3.54 mm，占總沉降值的比例均在70%以上。由此可見，換乘通道施工引起的既有車站底板沉降大部分發(fā)生在導(dǎo)洞開挖期間，故工況1對控制既有車站底板沉降更具優(yōu)勢。

2.3.2 新建換乘通道初期支護(hù)變形

以距離開挖起點(diǎn)5.15 m的斷面為考察斷面，在換乘通道施工完成后，提取換乘通道初期支護(hù)的變形量，如圖5所示。

由圖5可知，換乘通道初期支護(hù)頂板沉降基本均勻分布，工況1下頂板的最大沉降值為4.66 mm，工況2和工況3下頂板的最大沉降值分別為4.74 mm和4.61 mm，由此可見，3種工況下?lián)Q乘通道頂板的沉降值相差不大；各工況下底板隆起分布基本一致，在初期支護(hù)中隔壁附近，底板隆起量明顯小于各導(dǎo)洞跨中的隆起量；工況1下底板最大隆起量為9.04 mm，工況2和工況3下底板最大隆起量分別為9.83 mm和9.20 mm，由此可知，工況1下底板最大隆起量分別為工況2和工況3下的92.0%和98.3%；換乘通道初期支護(hù)左右側(cè)墻的水平位移均較小，左側(cè)墻的水平位移大于右側(cè)墻的水平位移。由此可見，對于換乘通道初期支護(hù)變形控制而言，工況1更具優(yōu)勢。

圖5 新建8號線倪家橋站換乘通道初期支護(hù)橫斷面變形圖

2.3.3 圍巖塑性區(qū)分布

圖6為距開挖起點(diǎn)5.15 m處換乘通道橫斷面方向的圍巖塑性區(qū)分布圖。由圖6可知，換乘通道開挖后，圍巖塑性區(qū)主要表現(xiàn)為剪切變形，且分布在換乘通道兩側(cè)墻外的圍巖中；換乘通道底板下部圍巖塑性區(qū)主要表現(xiàn)為拉伸變形。統(tǒng)計(jì)3種工況下圍巖塑性區(qū)范圍，如表4所示。

圖6 圍巖塑性區(qū)

表4 圍巖塑性區(qū)體積 單位:m3

由表4可知，工況1下，圍巖剪切塑性區(qū)體積為1 089.03 m3；工況2和工況3下，圍巖的剪切塑性區(qū)體積分別為1 213.10 m3和1 134.93 m3，工況1下的剪切塑性區(qū)體積分別為工況2和工況3下的89.8%和96.0%；工況1下圍巖總的塑性區(qū)體積為1 718.07 m3，工況2和工況3下圍巖總的塑性區(qū)體積分別為1 823.37 m3和1 758.94 m3，工況1的總塑性區(qū)體積分別為工況2和工況3下的94.2%和97.7%。由此可見，工況1下由新建換乘通道施工產(chǎn)生的圍巖塑性區(qū)體積最小。

3 結(jié)論

1) 從既有車站底板附加變形指標(biāo)來看，3種工況下既有車站底板沉降呈非對稱分布，工況1下的底板最大沉降值為4.72 mm，工況2和工況3下的底板最大沉降值分別為4.90 mm和4.86 mm，工況1對既有車站底板的沉降控制更具優(yōu)勢。

2) 從新建換乘通道初期支護(hù)變形指標(biāo)來看，頂板沉降值相差不大；底板隆起分布基本一致，在中隔壁附近的底板隆起量小于各導(dǎo)洞跨中的隆起量；工況1下底板的最大隆起量為9.04 mm，工況2和工況3下底板的最大隆起量分別為9.83 mm和9.20 mm，工況1下底板的最大隆起量分別占工況2和工況3下的92.0%和98.3%；工況1下?lián)Q乘通道初期支護(hù)變形更小。

3) 從圍巖塑性區(qū)來看，3種工況下圍巖塑性區(qū)分布基本一致，兩側(cè)壁外側(cè)主要為圍巖剪切塑性區(qū)，底板下部主要為圍巖拉伸塑性區(qū)。從量值上看，采用工況1施工產(chǎn)生的圍巖塑性區(qū)體積在3種工況中最小，分別為工況2和工況3下的94.2%和97.7%。

4) 3種工況均能滿足施工安全需求，工況1相對最優(yōu)。