分離島式地鐵車站交叉洞群施工的周邊環境效應分析

阮艷妹, 李進, 袁炳祥, 凌程坤, 羅旭, 吳朋波, 趙津

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司, 廣州 510030; 2.中鐵十局集團城市軌道交通工程有限公司, 廣州 510000;3.廣東工業大學土木與交通工程學院, 廣州 510006)

隨著地鐵建設的深入,較多地鐵車站需要建設在城市中心城區。傳統的地鐵車站設計會受到已有建筑物基礎的影響,在這種情況下可以采用分離島式的站臺形式以適應已有建筑物的設計要求。這種車站形式將車站縱向一分為二,中間通過聯絡通道來實現兩分離站臺之間的客流連接和換乘[1]。由于三洞分離,隧道洞間土體在受到施工開挖的多次擾動下極易塑化。因此需要對分離島式車站的施工過程進行研究分析,確保施工安全。

分離島式車站的結構設計較為復雜,三洞的復雜力學問題仍未得到較好的解答,目前對于分離島式車站的研究方法主要有現場監測和數值模擬分析等?，F場監測可以反映實際的工程狀況,通過對監測數據進行分析,得到現場實際變形規律并給出針對性施工控制措施?，F場監測主要集中在對變形的監測,對群洞暗挖施工來說,土體變形不僅受自身施工狀況的影響,還受周邊隧道施工的影響。通過對相鄰隧道的拱頂下沉、凈空收斂和地表沉降等現場監測數據進行分析,可以得出土體變形與群洞間間距、施工順序、開挖方式等有很大關系,其中群洞間間距更是相互影響的關鍵因素[2]。同時,相鄰隧道并行施工也是群洞暗挖施工的重難點,并行施工會對周圍土體造成多次擾動,后行隧道還會對先行隧道產生側向卸荷作用,導致先行隧道發生凈空擴容,影響先行隧道結構的穩定性[3]。后行隧道的圍巖壓力由于先行隧道的影響會呈現左右不對稱分布的現象,最大圍巖壓力出現在拱腰處[4]。

現場監測的方法雖然更加真實準確,但是無法對未施工部分進行預測,同時監測設備可能會受到周圍環境的干擾,而數值模擬這一方法很好地彌補了這一缺點[5-7]。通過數值模擬可對施工方案進行模擬驗證,對土體應力及位移的變化進行預測,以保證施工的安全進行。另外,通過對不同的施工工藝進行模擬修改,可以得到經濟效益和安全系數較高的施工方案[8-9]。數值模擬主要圍繞群洞施工、支護力學特征和地表變形規律這幾方面進行研究。何家成等[10]、王柯等[11]和田瑞忠[12]通過對地鐵洞室群的施工方案進行數值模擬,分析地鐵隧道群洞施工引起的地表沉降、應力響應、拱頂變形規律,探索最不利階段對隧道整體穩定性的影響;黃清飛等[13]和段兆林等[14]對交叉隧道支護的力學特征進行數值模擬研究,得出隧道與橫通道的接口區域應力集中明顯,是結構安全的薄弱環節;王渭明等[15-16]、邱明明等[17]和師剛等[18]基于Peck公式研究雙線隧道間距的近遠距界定、相互影響機制及其對地層變形的影響規律,分析表明雙線隧道的地表沉降曲線分布主要表現為W形;除了數值模擬,王忠昶等[19]和胡聰等[20]通過室內模型試驗研究雙線隧道的地層變形規律,同樣發現雙線隧道開挖會不斷對重疊區造成擾動,地面沉降曲線呈現W形。李劍光等[21]通過室內模型試驗得出軟弱夾層是影響巖體穩定性的重要薄層,洞室開挖過程中需要采取加固措施控制軟弱夾層對地下洞室穩定性的影響。以上研究主要集中在隧道兩洞,未對多洞施工之間的相互影響進行深入研究,且周圍巖層均為同一巖性地層,未對分離島式車站隧道群穿越復雜地層時,多洞施工對圍巖產生的擾動進行分析。

現以廣州市某地鐵車站暗挖隧道為工程背景,采用數值模擬和現場檢測相結合的方法,對分離島式車站的聯絡通道和站臺橫通道開挖施工進行穩定性研究,保證洞室施工方案的安全,為今后類似工程條件下城市地鐵隧道施工提供參考。

1 工程概況

地鐵車站位于黃埔大道西與石牌西站交叉路口東側,沿黃埔大道西呈東西走向,西端靠近規劃的石牌南綜合交通樞紐。車站為分離島式站臺車站,全長266.6 m,有效站臺中心里程為DK26+690.000,設計起終點里程為ZDK26+569.100～835.700。暗挖隧道區間總平面如圖1所示。

圖1 暗挖隧道區間總平面圖

所選分析區域位于ZDK26+680.783～800.983,隧道群結構包括左右線隧道,3#、4#聯絡通道和站臺橫通道。區間隧道為礦山法施工的馬蹄形隧道,正線隧道標準段寬為11.25 m,高10.3 m。聯絡通道長23.3 m,寬7.6 m,高8.54 m。站臺橫通道長55 m,寬8.6 m,高7.1 m。隧道與站臺橫通道位置關系如圖2所示。施工順序為先進行左右兩線隧道施工,隧道施工完成后進行3#、4#聯絡通道的施工,最后進行站臺橫通道的施工。施工順序圖如圖3所示。

圖2 隧道與站臺橫通道位置關系圖

圖3 暗挖隧道洞群施工順序圖

2 有限元模型

2.1 計算模型與邊界條件

為模擬左右線隧道不同的地層情況,模型地層為不均勻地層,從上至下依次為素填土、沖洪積可塑狀粉質黏土層、沖洪積粉細砂層、可塑狀紅層殘積土層、泥質粉砂巖強風化層、泥質粉砂巖中風化層、粗砂巖中風化層、粗砂巖微風化層,如圖4所示。左線隧道所在地層為泥質粉砂巖中風化層和粗砂巖微風化層,上覆地層為粉砂巖中風化層;右線隧道所在地層為粉砂巖中風化層、粗砂巖中風化層和粗砂巖微風化層,上覆地層為泥質粉砂巖強風化層。

圖4 地層情況

隧道左右側洞、聯絡通道側洞和站臺橫通道中洞之間呈現出復雜的群洞狀態。洞群所在土層為粉砂巖中風化層和粗砂巖微風化層的交界處。為減小邊界效應的影響,模型尺寸為110 m×180 m×67.7 m(X×Y×Z)。計算模型共140 639個單元,主隧道模型如圖5所示。

圖5 主隧道模型

2.2 材料參數

本文計算模型中的隧道所在地層主要為粉砂巖和粗砂巖,因此選用適用于松散和膠結顆粒狀材料的摩爾-庫倫本構模型作為巖土體破壞的強度準則,支護結構采用彈性本構模型[22]。隧道和聯絡通道的初期支護為格柵鋼架噴混凝土形式,采用剛度等效的方法計算初期支護的彈性模量。根據廣東省建筑設計研究院編制的《巖土工程勘察報告》,各材料物理力學參數如表1所示。

表1 材料物理力學參數

2.3 數值模擬步驟

本次數值模擬計算中,開挖步按照1 m考慮;按照先開挖左右線隧道,再開挖聯絡通道,最后開挖站臺橫通道的順序進行數值模擬,具體模擬步驟如下,其中S表示施工步。

(1)初始應力場分析(I.S.):激活數值模型中原本存在的地層、重力以及邊界條件并進行位移清零,模擬隧道未開挖時的狀態。

(2)鈍化左右線隧道土體并激活相應支護結構(S1)。

(3)鈍化前后兩個聯絡通道的上導洞土體(S2),滯后一個施工步激活支護結構;在上導洞施工5 m時鈍化前后兩個聯絡通道的下導洞土體(S6),滯后一個施工步激活支護結構;重復以上步驟至聯絡通道施工完成(S2～S29)。

(4)鈍化站臺橫通道兩端土體(S30),滯后一個施工步激活支護結構。

重復以上步驟至施工完成,一共包含61個施工步。

3 數值模擬結果分析

3.1 地表變形規律

橫向地表位移如圖6所示。雙線隧道施工引起的地表沉降是兩條單線隧道地表沉降的疊合,呈W形,且兩邊隧道地表土體沉降不一致,呈現非對稱特征。隧道施工完成時左線隧道地表沉降為13.40 mm,右線地表沉降為11.78 mm,左線地表沉降比右線大1.62 mm,說明左線地層巖性更差。在后續施工中,相比于聯絡通道,站臺橫通道施工對地表沉降影響更大,尤其是中間地表,這是因為站臺橫通道位于兩隧道中間,因此施工會對中間地表產生更大的影響。左右線隧道和中間地表沉降分別增加了7.38%、9.46%和28.02%。

圖6 橫向地表位移

縱向地表位移如圖7所示?？v向地表沉降呈現對稱特征,隧道施工對地表沉降產生的影響最大,沉降最大值為10.19 mm;聯絡通道施工會對其上方地表產生更大沉降,地表沉降曲線呈W形,兩端地表最大沉降值為12.17 mm,中間地表沉降為10.99 mm,兩端地表沉降比中間地表大10.74%;相比于聯絡通道,站臺橫通道施工對地表整體的沉降都有較大影響,尤其是中間地表,施工完成時兩端地表沉降最大值為14.4 mm,中間地表沉降值為13.87 mm,兩端地表沉降增加了18.32%,中間地表沉降增加了26.21%。

圖7 縱向地表位移

按圖8所示的監測點提取地表位移數據,點1為右線地表,點2為站臺橫通道地表,點3為聯絡通道地表,組成的地表沉降時程曲線如圖9所示。由于正線隧道最先施工,因此在剛開始施工時點1沉降最大,為11.69 mm;點3靠近左線隧道,受隧道影響比點2大,因此點3沉降只比點1略小一些,為11.61 mm;點2位于兩隧道中間位置,隧道施工對其影響最小,因此在剛開始施工時沉降最小,為10.19 mm。由點1可知隧道地表沉降規律如下:聯絡通道施工對隧道地表沉降影響較小,施工完畢時地表沉降值為12.6 mm,比隧道施工完成時增加了7.78%。站臺橫通道施工在施工面靠近監測點的過程中,沉降速率逐漸加大,并在施工面到達監測點時達到最大,施工面經過監測點后沉降速率減小,最終隧道地表沉降值為14.16 mm。點2地表沉降規律與點1相同,不同點是站臺橫通道開挖對點2影響更大,地表沉降從11.06 mm下降到14.05 mm,增加了27.03%。點3沉降規律如下:在開挖聯絡通道時施工面不斷接近監測點,沉降速率逐漸加大,并在到達監測點時達到最大,隨后開挖面離開監測點后沉降速率減小,施工完成時沉降值為13.53 mm。施工站臺橫通道時施工面是逐漸遠離監測點的,因此在剛開始施工時沉降速率最大,隨后逐漸減小。站臺橫通道施工完成時沉降值為15.09 mm。

圖8 隧道監測點位布置圖

圖9 地表沉降時程曲線

3.2 圍巖最大主應力

圍巖最大主應力平面圖如圖10所示,由圖10可知,隧道底部圍巖處于受拉狀態,且左線所受拉應力大于右線,最大拉應力位于左線隧道底部,為467.21 kPa。隧道開挖后底部靠近開挖面的圍巖少了上部約束,會向上隆起,而下部的土體受自重和上部圍巖壓力的影響不會向上隆起,因此靠近開挖面的圍巖處于受拉狀態。圖11為圍巖最大主應力剖面圖,由圖11可知,左線受拉圍巖范圍比右線大,原因是左線底部圍巖是粗砂巖微風化層,開挖后釋放的圍巖壓力會比右線底部的粗砂巖中風化層大,因此左線底部拉應力更大,影響范圍也更大。

圖10 圍巖最大主應力平面圖

圖11 圍巖最大主應力剖面圖

隧道和站臺橫通道中間的圍巖處于受壓狀態,且靠近站臺橫通道的圍巖所受壓應力更大,最大壓應力位于左線隧道與站臺橫通道中間的圍巖處,為430.2 kPa。站臺橫通道開挖后,由于應力重分布,圍巖會向開挖區域擠壓,由于上覆圍巖壓力比水平圍巖壓力更大,因此中間巖體會向兩側擠壓,從而導致中間圍巖受到壓應力,且應力大小隨著離站臺橫通道距離的增加而減小。

3.3 圍巖塑性區

圖12為圍巖塑性區分布圖,由圖12可知,隧道施工會引起圍巖應力重分布,交叉洞群開挖擾動使得隧道拱肩和拱腰部分超過了極限應變進入了塑性狀態,圍巖自承能力下降,最大塑性區半徑為3 m,但是多洞施工的多次擾動并未使得塑性區貫通,保證了施工的穩定。

圖12 圍巖塑性區分布

3.4 正線隧道橫向變形

按圖13所示的監測點提取隧道初期支護的橫向位移值,監測面位于Y=90 m處。為了研究后續洞室施工對隧道支護的位移影響,對所提取的數據進行位移清零處理,處理后的橫向位移時程曲線如圖14所示。由圖14可知,正線隧道的橫向變形主要發生在站臺橫通道施工期間。由于在站臺橫通道施工期間中間圍巖會向兩側擠壓,因此左右兩線隧道支護會產生向兩側的位移,且位移大小隨著離站臺橫通道距離的增加而減小。在施工面接近監測點的過程中,橫向位移逐漸加大,并在站臺橫通道上導洞貫通時達到最大,為1.7 mm,對應位置為左線隧道支護內側。當站臺橫通道上導洞貫通后,橫向位移增加量會減小。

圖13 隧道支護橫向位移監測點

圖14 開挖引起的隧道支護橫向位移時程曲線

3.5 既有隧道支護應力

圖15是隧道支護最大主應力云圖。由圖15可知,隧道支護最大主應力主要集中在右線隧道和聯絡通道接口處,離交叉段越遠,隧道支護應力值越小,因此確保交叉段的安全穩定是交叉隧道施工穩定性的關鍵[23]。選取右線隧道的第一個洞口處的支護進行分析,所選取的支護最大主應力時程曲線如圖16所示。由圖16可知,破除右線隧道支護為聯絡通道施工的第一步,此時洞口周圍支護應力會迅速上升,因此破除右線隧道支護為聯絡通道施工中的關鍵步驟,需要加強監測。在聯絡通道開挖8 m后應力增加速率放緩,此時右線支護最大主應力值為8 332.42 kPa。左線隧道支護在前期施工所受影響不大。破除左線隧道支護為聯絡通道施工的最后一步,破除支護后洞口周圍支護應力會稍微上升,最大主應力值為3 137.44 kPa,上升幅度沒有右線大,原因是左線支護破除后聯絡通道已貫通,后續施工對左線支護的擾動影響較小。站臺橫通道的施工對左右線隧道支護應力的影響都不大。

圖15 整體支護結構最大主應力云圖

圖16 隧道接口處支護最大主應力時程曲線

4 現場監測與數值結果對比

按圖17所示監測點提取地表沉降值,其中地表沉降時程曲線的現場監測點為DBC26714-7,橫向地表位移的現場監測點為DBC26734-1～14,縱向地表位移的現場監測點為DBC26674-4～DBC26794-4。提取的地表沉降值組成的對比曲線如圖18所示。由圖18可知,數值模擬和現場監測地表沉降值的數值與規律大致相同,現場監測的地表沉降略小于數值模擬結果,但均在合理范圍之內,說明數值模擬的準確性是比較高的。

圖18 現場監測與數值模擬地表沉降對比

5 結論

對近距離施工橫通道引起的既有隧道變形進行有限元模擬研究,分別從地表沉降、圍巖應力和塑性區、隧道變形受荷方面進行了詳實的分析獲得以下結論。

(1)雙線隧道施工引起的地表沉降是兩條單線隧道地表沉降的疊合,呈W形。由于兩線隧道所處地層不一樣,因此地表沉降呈非對稱分布。隧道中間的站臺橫通道施工會使中間地表產生較大沉降,地表沉降曲線的W形逐漸變得平緩。

(2)站臺橫通道施工時底部圍巖處于受拉狀態,且左線隧道底部圍巖所受拉應力大于右線。而中間的圍巖由于受到上覆圍巖的壓力會向兩側擠壓,從而導致圍巖處于受壓狀態,且壓應力大小隨著離站臺橫通道距離的增加而減小。同樣中間圍巖向兩側的擠壓會導致左右線隧道支護結構產生向兩側位移,當站臺橫通道上斷面貫通后,橫向位移增加量會減小。

(3)站臺橫通道施工會使隧道拱肩和拱腰部分超過了極限應變進入了塑性狀態,但是多洞施工的多次擾動并未使得塑性區貫通,保證了施工的穩定。

(4)隧道支護最大主應力主要集中在右線隧道和聯絡通道接口處,離交叉段越遠,隧道支護應力值越小。破除右線隧道支護后洞口周圍支護應力會迅速上升,因此破除右線隧道支護為聯絡通道施工的關鍵步驟,需要加強監測。而破除左線隧道支護后聯絡通道已貫通,后續施工對左線隧道支護擾動較小,因此破除左線隧道支護的施工較為安全。站臺橫通道的施工對左右線隧道支護應力的影響都不大。