地鐵渡線段工法轉換施工變形特性研究

張 旭

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

地鐵隧道建設過程中會遇到渡線段。渡線段的斷面一般大于標準斷面，因此存在標準斷面向大斷面施工轉換的情況。不同斷面相互轉換過程中，存在施工工序復雜、結構受力轉換多變、易導致出現異于常規的圍巖松動圈、對地表和周圍建筑物造成影響等問題，工程措施若有疏忽，便會造成不可估量的損失。針對以上問題，很多學者針對工法轉換力學特性開展相關研究[1-8]，即依托實際工程，采用數值分析與現場測試的方法探究臺階法、CRD法、雙側壁導坑法之間工法轉換時的施工力學特性；但研究多從工法轉換角度考慮，設置工況較為單一，本文對此進行加強。

1 工程概述

1.1 工程概況

西安地鐵9號線一期工程田洪區間，自田王站起沿田洪正街到達洪慶站。區間隧道有長約138.64 m的渡線段，該渡線段以E斷面為中心對稱。A、B、C、D均為馬蹄形斷面，其中A斷面采用臺階預留核心土法施工；B斷面采用CRD法施工。渡線段區間隧道平面布置如圖1所示。

圖1 平面布置

1.2 施工方案

1.2.1 A斷面施工方案

A型斷面尺寸為7.25 m×7.49 m，初支厚度300 mm，二襯厚度400 mm。A型斷面標準斷面均采用預留核心土法開挖，隧道分為上下臺階，錯開開挖，上臺階預留核心土。斷面循環開挖長度為0.5 m，臺階長度為4 m，核心土根據現場施工確定留置長度。

1.2.2 B斷面施工方案

B斷面的尺寸為9.440 m×7.978 m，初支厚度為350 mm，二襯厚度為500 mm。B型斷面采用CRD法施工，隧道分成4個洞室開挖，采用人工配合機械施工。渡線段B斷面每循環開挖長度為0.5 m，臺階長度為4 m。

2 數值分析

2.1 模型建立

計算模型中，地層與二襯結構采用的是三維實體單元，初期支護結構采用的是板單元。土體采用修正摩爾-庫倫本構模型；初支、二襯與臨時支撐采用彈性本構模型。模型底部豎向位移約束，模型兩側水平位移約束。部分模型如圖2所示。

圖2 突變形式有限元模型

根據現場的地質勘察報告與結構設計參數，具體圍巖及結構的物理力學參數如表1所示。

表1 地層及支護結構物理力學參數

臺階法應用于A斷面，CRD法應用于B斷面。依據資料建立相關模型：漸變斷面轉換形式下的漸變模型A型斷面臺階預留核心土法區段共長20 m，包含4 m的漸變段；B型斷面CRD法區段共長18 m。突變斷面轉換形式下的突變模型A型斷面臺階預留核心土法區段共長18 m；B型斷面CRD法區段共長20 m。依據現場施工情況設立工況：采用漸變形式由A到B，采用突變形式由B到A。為探究斷面轉換形式的合理性，在實際工況的基礎上設立對比組：采用突變形式由A到B，采用漸變形式由B到A。計算工況如圖3所示。

圖3 A、B斷面施工工況

2.2 A斷面到B斷面數值分析

2.2.1 地表沉降分析

由小斷面向大斷面施工時，兩種斷面轉換形式下地表沉降情況如圖4～圖6所示。

圖4 隧道貫通后地表豎向變形云圖

圖5 縱向地表豎向變形云圖

圖6 地表沉降曲線

斷面轉換漸變形式下地表沉降最大值為-25.8 mm，位置在渡線段臺階法起始施工加固土體的拱頂位置。斷面轉換突變形式下地表沉降最大值為-30.8 mm，位置在渡線段臺階法起始施工加固土體的拱頂位置。漸變形式下模型橫向0～9 m最大范圍內的地表沉降值為-2.5 mm；突變形式下模型橫向0～9 m最大范圍內的地表沉降值為-6.0 mm。

橫向地表沉降曲線沉降槽隨著左右側隧道施工發生移動，漸變形式下地表沉降最大值為-12.6 mm；突變形式下地表沉降最大值為-15.3 mm；突變形式下地表沉降影響范圍要大于漸變形式?？v向漸變形式下地表沉降最大值為-14.1 mm，突變形式下地表沉降最大值為-17.0 mm?？v向地表沉降變化主要依據各施工區段的施工。

2.2.2 結構變形分析

(1)兩種斷面轉換形式下拱頂沉降如圖7所示。

由圖7可知：①突變形式下拱頂沉降最大值為-22.7 mm，漸變形式下拱頂沉降最大值為-20.4 mm。②漸變形式下對于拱頂沉降的控制是要優于突變形式的。但突變形式下在斷面轉換位置處拱頂沉降突然變小到-12.8 mm，后期隨之又不斷增加。漸變形式下在渡線段的臺階預留核心土法區段拱頂沉降不斷減小到-11.3 mm。突變形式下在斷面轉換附近數值變動比較大，漸變形式下要相對平緩一些。

圖7 拱頂沉降

(2)兩種斷面轉換形式下水平位移如圖8所示。由圖8可知：①突變形式下水平位移最大值為-3.8 mm，漸變形式下水平位移最大值為-4.2 mm。②由于A型斷面到B型斷面的渡線段與標準段之間沒有設置加固土體，可以看出隧道左、右側水平位移呈對稱形式。③兩種斷面形式下左右側水平位移基本相同，隧道結構受擠壓向左側發生形變。

圖8 隧道水平位移

2.3 B斷面到A斷面數值分析

2.3.1 地表沉降分析

突變形式下地表沉降最大值為-30.2 mm；漸變形式下地表沉降最大值為-26.9 mm，其最大值均出現在CRD區段末尾的加固土體位置。由大斷面到小斷面施工時，突變形式下對地表沉降的影響范圍也很大.相較漸變形式差別不大。①橫向地表沉降槽隨著施工不同隧道發生移動，突變形式下橫向地表沉降最大值為-16.6 mm，漸變形式下橫向地表沉降最大值為-13.7 mm。②縱向地表沉降隨著施工不同工法區段的隧道而增加，突變形式下縱向地表沉降最大值為-18.4 mm；漸變形式下橫向地表沉降最大值為-15.2 mm。③當從大斷面向小斷面施工時，兩種斷面形式下，在控制地表沉降方面漸變形式是優于突變形式的。

2.3.2 結構變形分析

(1)兩種斷面轉換形式下拱頂沉降如圖9所示。

圖9 渡線段拱頂沉降

突變形式下拱頂沉降的最大值為-22.7 mm；漸變形式下拱頂沉降的最大值-23.4 mm。

在臺階法區段突變形式下的拱頂沉降是要大于漸變形式下的，在斷面轉換區段漸變形式下的拱頂沉降是大于突變形式下的，進入CRD法區段后兩種斷面轉換形式的拱頂沉降基本相同。

(2)兩種斷面轉換形式下水平位移如圖10所示。

圖10 渡線段水平位移

由圖10可知：①突變形式下水平位移最大值為2.8 mm；漸變形式下水平位移最大值為-7.1 mm。②漸變形式下水平位移的值要大于突變形式下的，在施工斷面轉換位置之后突變形式下的隧道右側由x軸負向變成正向，左右兩側向內擠壓。③漸變形式下在斷面轉換區段之后左右兩側位移值發生正負變化，在CRD工法區段隧道左右側向內擠壓，等轉到臺階預留核心土法區段時隧道左右兩側開始向外擠壓。

3 斷面轉換施工技術

3.1 渡線段A斷面向B斷面漸變過渡

渡線段A型斷面斷施工至最后4 m時開始采取8榀漸變過渡至A斷面，成喇叭型外擴；渡線段A型斷面開挖尺寸7 250 mm×7 400 mm，B型斷面開挖尺寸9 400 mm×7 978 mm；考慮保護層等，渡線段A斷面到B斷面漸變過渡段每榀格柵鋼架每側比前一榀鋼架擴大，每榀步距0.5 m，鋼架之間通過“L”型加強筋和縱向連接筋將每榀鋼架連接為整體，每側鎖腳處打設兩根注漿錨管，將鎖腳錨管與格柵鋼架焊接為整體，利于整體受力，經過8榀連續漸變至B型斷面。渡線段A型斷面向B斷面漸變過渡段采用CRD法施工；二襯施工時設置堵頭墻直接變化至B型斷面。斷面轉換示意圖如圖11所示。

圖11 A、B斷面轉換施工方案

3.2 渡線段B斷面向A斷面突變變化

渡線段B型斷面向A型斷面變化時依據設計和監控量測穩定的情況下，可直接采用大斷面變至小斷面，在大小斷面間設置堵頭墻，即采用型鋼和鋼筋網片封堵，二襯施工時直接采用鋼筋混凝土澆筑。

4 結論

(1)在A斷面向B斷面施工時采用漸變斷面轉換形式要優于突變；在B斷面向A斷面施工時可采用突變的斷面轉換形式，方便施工。

(2)當A斷面向B斷面采用漸變的斷面轉換形式施工時，地表沉降最大值為12.6 mm，其最大值位置為雙線隧道中間部位上方土體；隧道結構拱頂沉降最大值為20.4 mm，水平位移最大值為-4.1 mm，其最大值位置均發生在臺階法起始段位置。

(3)當B斷面向A斷面采用突變的斷面轉換形式施工時，地表沉降最大值為16.6 mm，其最大值位置為渡線段上方土體；隧道結構拱頂沉降最大值為22.7 mm，水平位移最大值為2.8 mm，其最大值位置均出現在臺階法起始段位置。

(4)兩種工法轉換施工順序下的地表沉降與隧道結構變形均符合設計要求，現場測試結果也表明以上施工的安全性。類似工程建議當大斷面向小斷面施工時可以采用突變的斷面轉換形式；當小斷面向大斷面施工時可以采用漸變的斷面轉換形式。