复杂环境下地铁暗挖车站双侧壁导坑法支撑体系优化

田利锋

(中铁一局集团第三工程有限公司， 陕西宝鸡　721006)



复杂环境下地铁暗挖车站双侧壁导坑法支撑体系优化

田利锋

(中铁一局集团第三工程有限公司， 陕西宝鸡721006)

摘要：重庆轨道交通10号线工程渝北广场站为大断面暗挖隧道，车站位于重庆市区繁华地段，为保证车站隧道的安全施工以及邻近既有建筑结构的安全，对暗挖隧道开挖施工方案进行优化设计。采用Midas GTS有限元数值软件，对弧形壁(原双侧壁)和直壁法(双侧壁)开挖方案进行全过程动态模拟，结合监控量测数据，综合对比分析隧道变形和支护结构内力。结果表明，本工程地质条件下，采用直壁法施工方案切实可行，研究成果可为类似地质条件中大断面隧道施工方案的优化设计和最终决策提供参考。

关键词：地铁车站；超大断面隧道；软弱围岩；双侧壁法优化；开挖方案；有限元软件

随着我国经济的飞速发展和城市化进程的不断加快，轨道交通等城市地下空间的开发利用势在必行。城市地下轨道交通隧道多为大断面浅埋软弱围岩隧道，工程地质条件和施工环境较为复杂。为了方便国民出行，城市轨道交通隧道多位于城市市区繁华区域，特别是轨道交通车站，周边既有高大建筑和地表行车均较为密集，车站隧道施工难度大[1-3]。因此，复杂环境下车站隧道的安全施工，已成为城市轨道交通建设中的控制性工程[4]。隧道开挖方案的合理选择，亦成为相关学者研究的热点[5-8]。目前，已有研究对于大断面浅埋暗挖车站采用双侧壁法将弧形壁改为直壁的理论研究较少[9-13]。

本文采用Midas GTS有限元软件，建立重庆轨道交通10号线工程渝北广场站超大断面隧道的有限元模型，通过隧道变形和支护结构内力的综合对比分析，对隧道施工开挖方案(弧形壁和直壁法)进行比选，提出较为合理的施工方案，为软岩大断面浅埋暗挖车站隧道的安全、快速施工提供技术支撑。

1工程背景

重庆轨道交通10号线(建新东路—王家庄段)工程渝北广场站位于渝北区两路汽车站下方，车站周边建筑物密集，北侧为渝北区中医院、渝北区环保局及渝航路，车站西侧为老旧居民楼、车站南侧为渝北区农贸市场及重庆百货渝北商场，车站东侧为渝北区政府及渝北广场。

渝北广场站为地下暗挖二层岛式车站，车站全长203.64 m，主体结构标准段宽22.60 m，高18.73 m。开挖跨度25.4 m，属于暗挖大断面隧道。车站为复合式衬砌结构，车站埋深39～50 m。隧道围岩岩性为中风化砂质泥岩夹薄层砂岩，属深埋隧道，围岩级别划定为Ⅳ级，洞顶中等风化基岩厚33.71～51.74 m。

车站施工建议两种开挖方案：(1)弧形壁(原双侧壁)开挖；(2)直壁法(双侧壁)开挖。采用Midas GTS软件，对该两种开挖方案进行分析计算，为方案的优化设计和最终决策提供理论参考依据。

2有限元模型

2.1施工方案

弧形壁(原双侧壁)开挖和直壁法(双侧壁)开挖示意如图1所示。相应的施工开挖步骤如表1所示。

图1　施工方案示意(单位：mm)

①②③④⑤⑥⑦⑧⑨开挖左侧壁上部/支护开挖右侧壁上部/支护开挖左侧壁中部/支护开挖右侧壁中部/支护开挖左侧壁下部/支护开挖右侧壁下部/支护开挖中间上部/支护开挖中间中部/支护开挖中间下部/支护拆除临时支撑

2.2有限元模型

车站隧道为深埋隧道，计算分析时着重考虑自重作用下的初始应力场，选取最大埋深进行分析计算。隧道开挖后的应力和应变，仅在隧道周围距离洞室中心点3～5倍隧道开挖宽度的范围内存在影响[14]。因此模型宽度取223 m，模型高度选择时考虑最大埋深52 m，模型总高为156 m。

图2　有限元模型中初期支护

采用Midas GTS[15]建立的2D有限元模型如图2所示。有限元模型底部边界约束横向、竖向两个方向，其他两边界约束横向。围岩土体采用平面应变单元，支护和临时支撑采用梁单元处理方法，梁截面为型钢，为准确分析临时支撑轴力的变化同时考虑到现场喷射混凝土施工质量，忽略喷射混凝土的作用。

2.3模型参数

有限元模型中材料参数如表2～表4所示。

表2　岩土材料特性值

表3　截面特性

表4　锚杆和喷射混凝土材料参数

2.4荷载释放系数

为了不让由于开挖而发生的不平衡内力一次性加载在施工阶段上，所以使用LDF，即荷载释放系数。开挖阶段荷载释放系数为0.5 ，喷锚支护为0.25 ，喷射混凝土硬化阶段为0.25。

3计算结果分析

弧壁法和直壁法两种方案开挖完成后的数值计算结果见图3～图8和表5。

图3　沉降变形

图4　隧道支护结构轴力

图5　隧道支护结构弯矩

图6　隧道临时支撑轴力

图7　隧道临时支撑剪力

图8　锚杆轴力

对比分析图3～图8和表5中双侧壁弧壁法和直壁法2种开挖方案所得计算结果，可得以下结论。

表5　隧道施工直壁法、弧壁法计算结果对比分析

(1)2种方案围岩的拱顶、水平位移和锚杆轴力差别不大。

(2)与弧壁法方案相比，直壁法方案的初期支护轴力和弯矩均有所减小。直壁法方案的临时支撑轴力略有增大，临时支撑的轴力由1 732.5 kN(弧壁)增大至1 967.9 kN(直壁)，临时支撑的最不利位置均在竖向支撑上部。

(3)临时支撑的最大轴力为1 967.9 kN(直壁)，临时支撑采用I22b型钢+C25混凝土250 mm。施工过程中应重点管控临时支撑上部喷射混凝土的工程质量，确保混凝土受力可靠以及和型钢的共同受力性能，并确保型钢交叉点连接牢固可靠，尤其在拱脚位置。

(4)直壁法临时支撑轴力相比弧壁法增长幅度不大，综合施工工效、开挖进度，采用直壁法方案可行。

4现场监测

为了进一步的验证所提直壁法施工方案的合理性，保障隧道施工过程安全，组织相关人员对车站沉降、隧道拱顶沉降和净空收敛进行现场监控量测。图9为隧道拱顶沉降和净空收敛测点布置示意。

截止2015年08月25日，重庆轨道交通10号线一期工程土建10107标渝北广场站通道均已施工完成，正在进行车站主体施工，右线大里程方向在挖中导坑，左线小里程在挖中导坑。小里程端头正在进行中隔墙拆除工作。

图9　测点布置示意

由表6监测结果可得：(1)车站沉降、隧道拱顶沉降和净空收敛均在安全范围内，且最大拱顶沉降仅为4 mm，净空收敛为4.3 mm，进一步的说明直壁法施工方案是切实可行的。(2)由于忽略喷射混凝土的作用，同时理论分析采用最大埋深以及最差地质，因此理论计算分析结果偏大，进一步说明理论数值分析可以安全有效地指导施工。

表6　监测结果

5结论

以重庆轨道交通10号线工程渝北广场站大断面隧道为研究背景，采用MIDAS GTS软件，对弧壁(原双侧壁)法和直壁法(双侧壁)开挖方案进行对比分析，结论如下。

(1)通过隧道变形和支护结构受力的综合对比分析，直壁法施工方案可行。现场监控量测数据表明，车站沉降、隧道拱顶沉降和净空收敛值均在安全范围。

(2)弧壁法适合自稳性较差、围岩较差的地层，侧壁导坑开挖时较安全，本工程由于围岩较好，结合加固地层、数值分析、监控量测等信息化施工，使得本工程大断面隧道采用直壁法成为可能。

(3)由于车站地铁隧道工程的唯一性和不可重复性，以及复杂的施工环境，使得隧道施工方案的合理选择显得尤为重要。因此，借助数值分析、监控量测等综合手段实现隧道施工方案的优选，已成为保障隧道工程施工安全最为可靠、经济的重要手段之一。研究结果可为类似地质中大断面隧道施工方案的优化设计和最终决策提供参考。

参考文献：

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[3]宋建，樊赟赟.复杂条件下地铁车站施工关键技术[J].现代隧道技术，2012，49(1):143-147.

[4]程志鹏.特大断面超浅埋暗挖地铁车站隧道施工技术研究[D].北京:北京交通大学，2009.

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[16]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[17]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50299—2003地下铁道工程施工及验收规范[S].北京:中国计划出版社，2004.

收稿日期：2015-11-23； 修回日期：2015-12-03

作者简介：田利锋(1975—)，男，高级工程师，2008年毕业于石家庄铁道学院工程管理专业，工学学士，E-mail:tianlifeng721006@163.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0130-04

中图分类号：U231+.4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.030

Support System Optimization of Double-side Wall Excavation Method for Subway Station Tunnel under Complicated Condition

TIAN Li-feng

(The Third Construction Co.， Ltd. of China Railway First Group Co.， Ltd.， Baoji 721006， China)

Abstract：Yubei Square Station on Chongqing rail transit line 10 is an island-platform subway station excavated with underground tunneling method. The station is located in a busy plot of Chongqing with existing buildings around. In order to guarantee the safety of the tunnel and the buildings during construction， the excavation scheme needs to be optimized. In this paper， finite element software Midas GTS is adopted to simulate dynamically the entire processes of the two excavation methods: arch wall (original double-side wall) method and straight wall (double-side wall) method. With reference to the field monitoring data， the comparative analysis of the tunnel deformation and structural internal force shows that the straight wall (double-side wall) method is applicable. The research results may provide references to optimizing the design of similar projects with medium and large cross-section tunneling.

Key words：Subway station; Super large cross-section tunnel; Soft rock; Optimization of double-side wall method; Excavation scheme; Finite element software