地铁车站与风道交叉段施工力学行为数值模拟分析

谢顺意,施成华,彭立敏,黄生文

(中南大学土木工程学院,湖南长沙 410004)

随着我国地铁的大规模建设,地铁车站施工技术也不断进步,提出了许多新的施工方法[1],其中浅埋暗挖洞桩法就是很有代表性的一种,该方法是在传统地下工程施工技术的基础上,把地面建筑的施工理念引入到地下工程中,通过小导洞、钻孔桩、扣拱等成熟技术的有机组合,从而形成一种新的工法[2-4]。

为确保地铁运营期间的安全,从通风、防火和救援等方面出发,每隔一定距离设置一条风道。地铁车站与风道交叉部位空间结构受力复杂,开口处应力集中,是结构的薄弱环节,同时又是施工的咽喉[5]。因此,只有充分了解该段结构的受力特征和空间施工力学行为,了解施工中最大地表沉降点的位置和地表沉降变化趋势,才能选择合理的施工方法和有效的加强措施,保证施工质量和安全,同时降低造价、提高工效。以往关于地铁车站施工的数值模拟研究中,大多是针对车站主体结构的力学行为进行分析[6-9]。为确保交叉段施工的安全,采用三维有限元分析方法,对沈阳地铁2号线沈阳北站站车站与风道立体交叉段工程洞桩法施工过程进行动态模拟,分析交叉段的地表位移和结构主应力变化规律,提出相应的施工建议,为类似工程及相应反分析研究提供参考。

1 工程概况

沈阳地铁2号线沈阳北站站位于铁路沈阳北站站前广场下方,下穿北站路。车站总长155.6 m,设计采用明挖法+暗挖法施工,其中位于广场部分采取明挖法施工,下穿北站路部分采用洞桩法暗挖施工,车站暗挖段长37.1 m。2号风道位于北站路南侧,设计采用明挖法+暗挖法施工,其中明挖段位于市政绿地内,暗挖段位于北站路下方,暗挖风道长15.5 m,与车站主体正交,采用洞桩法施工。车站与风道平面位置关系如图1所示。

图1 车站与风道平面位置关系

车站暗挖段覆土厚6.4 m,风道暗挖段覆土厚7.6 m,开挖轮廓上部为杂填土层、中粗砂,开挖断面内为粉质黏土层、砾砂层,开挖断面下部为泥砾层。车站暗挖段主体为双层3跨3联拱结构,车站标准段宽25.3 m,有效站台宽度13.9 m,结构高度16.9 m。小导洞宽4 m,高5.4 m,其中车站与风道交叉部分的小导洞截面宽4.7 m,高7.7 m。暗挖风道结构宽10.4 m,高15.3 m,为双层单跨单拱结构,车站与风道横断面分别如图2、图3所示。

图2 车站结构横断面(单位：m)

图3 风道结构横断面(单位：m)

结合图3将单跨洞桩法主要开挖及支护工序叙述如下：①开挖洞室两侧的作业小导洞；②在两侧导洞内施作钻孔灌注桩；③在边桩顶部浇筑钢筋混凝土纵梁；④在导洞内施作拱部初期支护的下部格栅钢架,回填导洞外侧混凝土；⑤对洞室拱部地层进行预加固后进行拱部开挖和支护,并与导洞内已施作好的支护结构连成一体；⑥逐步开挖洞室主体部分,并设置临时横撑,最后自下而上浇筑永久衬砌结构。

结合现场施工条件,利用风道进入车站主体暗挖段作业,可以减少主体明挖段与暗挖段的相互干扰,缩短工期。交叉段暗挖施工步骤简述如下：

(1)先施工2号风道暗挖段的小导洞；

(2)从2号风道暗挖段的小导洞直接施工主体暗挖段的小导洞,通过爬坡和转折实现风道小导洞和车站主体上层4个小导洞的连接；

(3)施工2号风道和主体暗挖段的小导洞内围护桩(钻孔灌注桩)；

(4)施工桩顶冠梁和冠梁上方的部分初支；

(5)从底板位置施工车站主体暗挖段的下层2个小导洞,施工底纵梁；

(6)施工车站主体中柱钢管桩和顶纵梁,钢管柱分节安装；

(7)开挖车站主体中跨土,施工中跨初支与二衬；

(8)开挖车站边跨土,施工边跨初支与二衬,完成了暗挖段的封闭支护；

(9)开挖土体到中板位置,土模法施工中板,逆作法施工中板和拱脚之间的侧墙；

(10)开挖土体到底板位置,施工底板,逆作法施工底板和中板之间的侧墙,交叉段结构施工完成。

2 模型建立

2.1 基本假定

(1)地表和各土体成层均质水平分布,采用Mohr-Coulomb模型计算；

(2)强度准则采用Mohr-Coulomb准则；

(3)没有考虑地下水渗流在隧道开挖过程中的影响；

(5)结构材料采用线弹性本构关系。

2.2 计算模型

采用MIDAS/GTS有限元分析软件,建立三维有限元模型对地铁车站与风道交叉段暗挖洞桩法施工进行分析。整体分析区域x、y、z方向尺寸为70 m×50 m×70 m,计算模型如图4所示。已知边界条件均取为位移约束条件,模型两侧面限制x方向位移,正面与背面限制y方向位移,底部限制z方向位移,模型顶面为地表,为自由面。车站与风道断面形式按实际尺寸建立,有限元模型见图5。

图4 计算模型网格(单位：m)

图5 车站与风道结构有限元模型

2.3 材料参数

根据各材料在施工阶段的性质及所起到的作用,有限单元的选择如下：(1)初期支护采用壳单元模拟；(2) 地层、二衬采用实体单元模拟；(3)以取不同的材料参数模拟超前注浆和预加固措施；(4)通过指定区域材料性能的变化来模拟整个施工过程的进行。

考虑到隧道施工的时间效应,开挖、支护过程中荷载的释放率：砂性土开挖80%,支护20%。计算中注浆加固地层的力学参数做了适当的提高。围岩及支护结构计算参数见表1。

表1 数值模拟计算物理力学参数表

3 结果分析

3.1 地表沉降分析

考虑到隧道施工的空间效应,分析地表沉降时,沿与交叉处断面垂直、平行的断面(分别记为C1、F1断面)选取一系列的地表特征点,间距为5 m,平面位置关系如图6所示。

图6 地表特征点平面位置关系(单位：m)

各主要施工阶段C1、F1断面中点的沉降值见表2,C1、F1断面所有特征点的地表沉降曲线分别如图7、图8所示。

表2 地表沉降特征点位移统计

图7 F1断面各施工步地表沉降曲线

图8 C1断面各施工步地表沉降曲线

由以上计算结果可以得出如下结论。

(1)C1、F1断面中点的沉降规律基本类似,施工完成后,最大沉降值分别为36.01、21.23 mm,即车站中跨拱顶对应地表沉降值较风道大,说明洞室开挖宽度对地表沉降值有一定影响。

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(2)由于小导洞数量多,易产生群洞效应,施工相互干扰较大,拱部初支施工对土体进行大面积开挖,荷载释放较大,其中小导洞施工阶段的影响最大,其次为拱部初衬施工,这2个施工阶段引起的地表沉降之和约占总沉降值的60%,施工过程中应予以重视。

(3)拱部初衬完成后至主体结构施作完成,地表沉降仅占总沉降量的40%左右,说明一旦主体结构完成封闭,地表沉降值即趋于稳定,施工过程中支护结构应尽快闭合。

(4)车站与风道施工对土体的扰动范围大约在开挖中线两侧10 m范围内,该范围内地表沉降较大,且从两侧向中间地表沉降值变化速率较大,形成明显的沉降槽,应对该范围内土体进行注浆加固。

(5)受风道施工的影响,车站C1断面的地表沉降曲线不对称,靠近风道一侧地表沉降值明显大于另一侧,说明车站与风道施工有一定的相互干扰,施工过程中应注意间隔施工。

3.2 结构主应力分析

各施工阶段交叉处结构主应力分布见表3,施工完成后交叉处结构最大、最小主应力分布云图分别见图9、图10,结构主应力曲线如图11所示。

表3 交叉处结构应力分布

图9 交叉处结构最大主应力云图

图10 交叉处结构最小主应力云图

由以上计算结果可知：

(1)风道与车站交叉处结构主应力随施工进行基本呈递增趋势,拱顶拉应力在负二层土开挖时达到最大值,特别是拱顶结构出现上下截面整体受拉的不利受力情形,施工时应注意对交叉处结构及周边围岩做好加固措施。

(2)施工完成后结构最大拉应力值为0.72 MPa,出现在交叉处结构中心拱顶,由交叉处沿水平和垂直方向向外的结构主应力都逐渐减小。曲线左侧有起伏,说明车站各跨拱顶拉应力较大,顶纵梁附近结构承受的拉应力较小。

(3)交叉处结构出现较大范围的拉应力区,曲线右侧逐渐递减,说明离交叉处中心距离越远,结构主应力值越小。交叉处结构中心最大主应力值为非交叉断面处的2～4倍。

(4)由于交叉处结构的复杂性,交叉处小导洞高度变化引起结构刚度变化,拱顶和拱脚部位出现明显的应力集中,施工时应适当加厚交叉处结构混凝土的厚度并增加配筋量。

图11 结构最大主应力曲线

4 结论

(1)风道与车站小导洞施工阶段对地表沉降影响最大,其次为拱部初衬施工阶段,其沉降量之和占地表总沉降的60%左右,为交叉段施工的关键工序。

(2)受风道施工的影响,车站断面的地表沉降曲线不对称,靠近风道一侧的特征点沉降值较大,对结构变形的影响范围主要集中在交叉处两侧10 m范围内,需要对该范围内围岩进行注浆加固。

(3)风道与车站交叉区域,由于小导洞高度变化,几何特性引起结构刚度变化,应力应变的峰值出现在交汇区域。离交叉处中心距离越远,结构主应力值越小。

(4)风道与车站交叉处结构出现明显的应力集中,交叉处结构中心最大主应力是非交叉断面处的2～4倍,拱顶结构出现了上下截面整体受拉的不利受力形式,施工过程中应对拱顶和交叉处混凝土结构适当加厚并增加配筋量。

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