双洞单圆盾构隧道与横通道结合修建地铁车站施工过程的结构力学分析

2015-03-13张明

铁道建筑 2015年9期

关键词：管片盾构螺栓

张明

(中铁十一局集团有限公司，湖北武汉 430074)

双洞单圆盾构隧道与横通道结合修建地铁车站施工过程的结构力学分析

张明

(中铁十一局集团有限公司，湖北武汉 430074)

为避免车站和区间盾构隧道施工在时空中产生矛盾，充分发挥盾构机的使用效率，达到盾构机掘进经济里程，采用双洞单圆盾构平行掘进过站，先行贯通全线大部分区间隧道，继而在盾构隧道基础上通过横通道扩挖构筑地铁车站。FLAC3D仿真结果表明:施工过程中地层位移和管片应力与应变合理，工程风险可控，可达到缩短工期，节约建设成本的目的。

盾构法盾构过站扩挖地铁车站

随着城市地铁建设的高速发展，盾构法施工技术以其高效、快速、安全的优点，已经成为一种必不可少的城市地铁建设通用施工技术。但在实际施工过程中，由于盾构过站问题，严重影响和制约了这种高效技术的发挥和应用。目前，盾构施工法大多数局限于地铁区间隧道的施工，即盾构机从起点车站端部始发井推进，到达目标车站后，在目标车站端部接收井吊出，转至下一区间隧道的施工。或者在已经创造好过站条件的车站拖拉盾构过站继续施工下一个区间隧道。两种过站方法都必须解体盾构过站，导致车站施工和区间隧道的施工在工期上易产生矛盾，使本来能够大大缩短施工工期的盾构施工技术反而制约了车站施工的工期［1-5］。

盾构先行过站，利用已经建好的盾构隧道结合已经在国内成熟和广泛应用的浅埋暗挖法，扩挖成地铁车站，是一种新型的地铁车站施工方法。能够缩短工期，节约建设成本。本文通过数值模拟浅埋暗挖法在既有盾构隧道的基础上扩挖成车站的施工过程，分析在施工过程中地层的位移和盾构管片的受力与变形，以探讨这种施工方法的合理性和可实施性，为此类工法的施工提供必要的依据和建议。

1 车站概况

北京某地下二层岛式暗挖车站，有效站台长120 m，线间距 23 m。车站断面为椭形大断面，高10.364 m，跨度14.164 m，平均覆土4.3 m左右。根据总体工程筹划，站端两侧区间共计长度约3 km，均采用盾构法掘进。为充分发挥盾构机掘进效率、减少进出井工序，兼顾车站建筑功能要求，采用两台盾构直接掘进过站，继而暗挖联络通道，扩挖构筑塔柱式车站。盾构管片外径6 m，内径5.4 m，管片厚度0.3 m，宽度1.2 m。地层参数见表1。

表1 土层物理力学参数

2 施工过程仿真

2.1 计算范围及单元类型

模型计算范围:左右边界为2.5倍车站宽度，下边界为1.5倍车站高度，上边界到地面，车站纵向取3条横通道，含25环管片。最后确定整个模型宽150 m、高34 m、长30 m，见图1。

盾构隧道由6块管片拼成一环，管片环缝、纵缝及注浆缝采用Interface来模拟，并用梁单元模拟管片间

螺栓、临时钢支撑等。围岩、支护、管片采用实体单元模拟，支撑与管片或衬砌之间的连接方式按铰接处理，本构采用M—C准则。

图1 模型整体示意

施工过程将地下水降至底板以下，故数值模拟按降水后的施工阶段考虑，忽略地下水影响，接触面单元力学参数见表2。

2.2 施工过程仿真

塔柱式地铁车站按图2的施工工序进行施工。

表2 接触面Interface物理力学参数

图2 塔柱式地铁车站施工步骤

2.3 结构动态响应分析

整个车站计算结果取两个典型断面来分析，断面1:2#横通道中间部位，对应第13环管片;断面2:3#塔柱中间部位，对应第17环管片。

2.3.1 地表沉降

两个典型断面在各施工阶段地表最大沉降值都产生在中间大断面隧道中心正上方。以断面1为例，首先，地表沉降最大值－22.3 mm，其中绝大部分沉降是在中间大断面隧道开挖并支护的时候产生，占总沉降量的70.9%;大断面隧道施作二衬时仅产生小部分沉降。其次，横通道的毛洞开挖、拆除管片、施作横通道二衬，共计产生－3.5 mm沉降。因为中间大断面隧道二衬已施作，给地层提供了足够的支护抗力，故横通道施工引起的地表正中沉降不大。

2.3.2 洞周变形

在断面1，2关键部位设置监测点，分布见图3。

垂直位移:断面1因为有横通道开挖的影响，其垂直位移整体上比断面2稍大，且断面1的3#关键点垂直位移最大达到－8.5 mm，比断面2大3.0 mm。因为断面1存在横通道且在其开挖过程中使右侧盾构管片

临空，右侧土压力减为0，导致在拱顶垂直土压力的作用下，拱顶的垂直位移突然增大。

图3 洞周位移记录点(单位:cm)

水平位移:从整体演化规律看，两个典型断面各关键的水平位移在第2和第5施工步时位移减小，即向大断面隧道外侧移动，第1、第3和第4施工步反之，即水平位移变化产生波动。细部规律上，断面1横通道施工时，洞周5#测点水平位移达到10.9 mm，而断面2相同位置的位移仅为7.7 mm。

2.3.3 管片内力分析

横通道开挖前，盾构隧道管片上两侧的压应力大于顶部和底部管片上的压应力，侧部压应力约 2.2 MPa，底部为1.6 MPa，顶部最小为1.4 MPa。管片上的拉应力较小，但是在靠近大隧道一侧的管片接缝处有集中拉应力，约0.12 MPa。

横通道开挖时，盾构隧道靠近大断面隧道一侧临空，管片上的压应力骤减为0.4 MPa，盾构隧道顶部和底部的压应力也相应地略有减小，而远离大断面隧道一侧的管片压应力增大为2.3 MPa。管片拆除和施作横通道二衬时，管片上的压应力变化不大，管片拆除部位出现集中拉应力，约0.4 MPa。

临时支撑的拆除对管片的应力影响比较大。远离大断面隧道一侧管片上压应力增大至2.53 MPa，顶部和底部的压应力变化不大，为1.50 MPa，管片和横通道上下连接处有较大的集中拉应力，约0.90 MPa。

2.3.4 管片错缝位移及螺栓内力分析

图4为第13环管片部分拆除后，环向螺栓位置及测点示意。

图4 螺栓和接缝位置示意

由图4可看出，1#和2#测点处两侧管片接触良好，基本不张开，但相对错动明显，达到1.1 mm;3#接缝两侧管片在隧道内侧紧密接触，在隧道外侧张开，达到0.7 mm;4#接缝两侧管片在隧道内侧有较大张开，达到1.2 mm，在外侧接触良好，同时有0.6 mm错动。依据管片接缝允许张开值公式 δ允许≤BD/(ρmin－0.5D)+δ0+δs=29.1 mm。满足防水功能［6］。

随施工推进，两个断面上的环向螺栓应力均不断增大，尤其是临时支撑拆除工序对4#位置的螺栓内力演化影响最大，最为不利，达到1 078 MPa，超过M10.9高强螺栓屈服强度(抗拉强度1 000 MPa，屈服强度900 MPa)。同时，两个断面相同位置的2#螺栓呈受压状态并由衬垫承受且压力较小，余为受拉，均小于自身屈服强度。