地铁车站多工法施工的地层变形研究

周相识

(湖南路桥建设集团有限责任公司,湖南 长沙,411004)

地铁车站多工法施工的地层变形研究

周相识

(湖南路桥建设集团有限责任公司,湖南 长沙,411004)

以重庆交通轨道环线冉家坝地铁车站为工程依托,采用现场监控量测方法研究了双侧壁导坑法开挖、侧洞法开挖及明挖法施工下的地层变形规律。结果表明:3种工法下明挖法引起的地表沉降变形最小,双侧壁导坑法开挖次之,侧洞法引起的沉降变形最大;2种暗挖施工下初次开挖扰动引起的地层变形最大,占总沉降量的50%以上。分析隧道拱顶变形发现,变形过程可分为左导洞开挖后的快速沉降阶段、左右导洞开挖及时支护后的过渡变形阶段和临时支撑拆除后稳定变形阶段,且2种暗挖工法下的拱顶变形曲线均可由指数函数拟合。

隧道工程;双侧壁导坑法;侧洞法;地表沉降;监控量测

地铁车站常位于城市中心地带,通常有埋深浅、断面大、地质条件复杂且变形要求高等特点。因此车站有时被迫采用多种工法进行施工。各工法施工的相互影响、围岩的多次扰动以及其稳定性成为学者们关注的焦点[1-6]。关于城市地铁施工对地层变形的影响,国内外学者做了大量研究。李淑等[7]通过对北京地铁 30个明挖车站引起的地表变形进行研究,认为北京城区地表变形模式为“凹槽形”;田利锋[8]结合有限元方法和现场监测数据对弧形壁和双侧壁开挖方案进行研究,对比分析了隧道变形和支护结构内力;周倩[9]基于 FLAC3D软件和监测数据对比研究了侧洞法和洞柱法施工所引起的地层变形和支护结构力学特性;黄明利等[10]基于现场地层变形监测数据调整隧道支护参数,实现了施工及设计方案优化。本文将对重庆轨道交通环线冉家坝地铁车站的3种不同工法施工条件下地层变形进行研究,通过现场监测数据分析各工法下的地表沉降和拱顶沉降变形规律,为隧道的安全施工提供保障。

1 工程概况

冉家坝站位于龙山一路与龙山大道交叉口下方,与 5、6号线换乘。5、6号线在上沿龙山大道南北向布置,平行换乘。环线位于5、6号线下方,沿龙山一路呈东西向布置,与5、6号线十字换乘。环线冉家坝站为侧式站台车站,站台宽度5 m。车站起止里程为CK23+146.502～CK23+391.902,车站总长245.5 m。附属结构包含2座风道及地面风亭(不包含风井开挖,风井作为复合式TBM吊出井)、2个疏散通道及4个站厅至站台通道。具体施工内容及布置见图1,纵剖面及断面见图2～4。

图1 冉家坝站平面布置图

图2 A区断面

图3 B区断面

图4 C区断面

(1)车站主体概况。车站设计分为3个区段,分区位置见图1。车站施工利用两端风井及风道作为施工通道进入车站两端A区(单拱断面,结构为2层)施工,完成后进入B区(连拱断面,单层结构),最后进入预留节点区域C区。C区位于已建6号线结构下方,采用类似明挖掏挖法进行施工,结构与6号线结构底板连接。车站设计详见表1。

(2)车站附属概况。车站共设2座风道及地面风亭(不包含风井开挖)、2个疏散通道、4个站厅至站台通道。1、2号风道及风亭位于车站两端北侧,作为车站施工通道及两端区间复合式TBM吊出井;4个站厅至站台通道分别位于车站B区南北侧,自站台层连接站厅层已建通道;1、2号疏散通道分别位于东、西段B区北侧,通过竖井至地面。

表1 冉家坝站主体结构设计

2 监控量测分析

结合设计要求及工程特点对该工程进行监控量测。监测的项目主要有:地下管线变形、重庆广电中心高层建筑物及临近建筑物的变形、爆破振动、地表沉降、拱顶下沉及侧面收敛量测等。其中地表沉降A区、B区于开挖上方每5～20 m布置一组断面,每组断面5～10个测点,测点间距5～10 m;C区于基坑四周布设测点,测点间距10 m。沉降设计控制值为地面隆起+10 mm,地面沉降-30 mm。

2.1 监测数据分析方法

监测数据的稳定沉降是反应隧道围岩稳定的主要手段之一。通过对现场监测数据进行回归分析,预测地层及围岩变形速率及最终稳定变形值,进而为后续施工提供指导。目前最常用的回归方程主要有3种:(1)对数函数y=a+b/ln(1+x);(2)指数函数y=a(1-e−bx);(3)双曲线函数y=x/(a+bx)。式中,a,b为拟合常数。

2.2 地表沉降结果分析

选取双侧壁导坑法施工下的CK23+200断面及侧洞法开挖下CK23+295断面监测结果,对不同工法下地层变形规律进行分析。2种工法施工下的地表累计沉降曲线如图5所示。由图5可知,双侧壁导坑法施工条件下,地表最大沉降发生在隧道中线附近的#1测点,沉降值为25.75 mm;侧洞法施工条件下地表最大沉降发生在左洞中线上方的#1测点,最大值达31.46 mm,大于设计控制值30 mm。进一步绘制双侧壁导坑法和侧洞法下地表沉降随时间变化曲线如图6所示。由图6可发现,隧道的初次扰动(左导洞的开挖)对地层变形影响最大,其中左导洞的开挖引起 A区地表沉降达-16.45 mm,占总沉降量的58.9%;引起B区沉降达-19.17 mm,占总沉降量的50%。而右导洞开挖引起A、B区的地表沉降分别占29.5%和25.3%。C区明挖法下地表日沉降曲线如图7所示。由图7可知,在基坑四周形成有效支护结构后,明挖法施工引起的地表沉降变形较小,且日沉降曲线中出现地表隆起现象。

图5 A区和B区地表累计沉降

图6 A区和B区地表沉降曲线

选取双侧壁导坑法断面CK23+200和侧洞法断面CK23+295围岩变形进行分析,绘制不同工法下拱顶沉降随时间变化曲线如图8所示。由图8可知,采用双侧壁导坑法施工时,该断面的拱顶沉降变形累计沉降量为25.69 mm,小于该断面最大地表沉降值;侧洞法施工下拱顶沉降累计值为34.71 mm,稍大于地表沉降值。2种工法下变形过程均可分为3个阶段:(1)快速变形阶段,对应于隧道左导洞开挖后的沉降变形;(2)变形过渡阶段,该阶段对应于左右导洞开挖后并及时支护时产生的沉降;(3)变形稳定阶段,对应于临时支撑拆除后各围岩应力重新达到平衡后产生的沉降变形。对比图6与图8发现,拱顶沉降变化曲线的3个阶段与地表沉降变形较为一致。采用前述常用的3种回归方程分别对2工法下拱顶数据进行回归分析。拟合结果显示指数函数为2种工况下的拱顶沉降与时间曲线的最佳拟合函数。A区 CK23+200拟合结果为y=39.8(1-e-0.03x),相关系数R2=0.975;B区 CK23+295拟合结果为y=29.4(1-e-0.028x),相关系数R2=0.976。

图7 C区地表监测沉降—时间曲线

图8 拱顶沉降曲线

3 结论

本文对重庆轨道交通环线冉家坝地铁车站的双侧壁导坑法开挖、侧洞法开挖及明挖法施工下的3种工法施工条件下地层变形进行了研究。通过冉家坝地铁车站现场监测数据分析各工法下的地表沉降和拱顶沉降变形规律发现:不同工法对地表变形影响不同,其中明挖法对地表沉降影响最弱,侧洞法开挖影响最大;隧道的初次开挖扰动对地层变形影响最大,其影响可达50%以上;暗挖施工下的隧道拱顶沉降曲线可用指数函数进行较好地拟合,因此,暗挖施工时可采用指数函数进行拱顶沉降预测。

[1]金鑫,朱文岳.复杂条件下大断面隧道双侧壁导坑法施工稳定性分析[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2011,13(2):104-107.

[2]周艺,何川,邹育麟,等.破碎千枚岩隧道施工工法比选试验研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(3):537-548.

[3]王伟锋,毕俊丽.软岩浅埋隧道施工工法比选[J].岩土力学,2007,28(z1):430-436.

[4]史超凡,马石城.隧道开挖对既有管线沉降的影响[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2015,27(3):62-67.

[5]李享松.紧邻建筑物浅埋暗挖车站的施工技术[J].湖南文理学院学报(自然科学版),2016,28(2):54-59.

[6]丁雄,王超林,余熠,等.某隧道塌方前后的监控量测及数据分析[J].采矿技术,2014(6):33-35.

[7]李淑,张顶立,房倩,等.北京地铁车站深基坑地表变形特性研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(1):189-198.

[8]田利锋.复杂环境下地铁暗挖车站双侧壁导坑法支撑体系优化[J].铁道标准设计,2016,60(7):130-133.

[9]周倩.暗挖大断面地铁车站侧洞法和洞柱法施工力学转换机理对比研究[D].北京:北京交通大学,2008.

[10]黄明利,徐飞,伍志勇.城市环境下 TBM 施工对围岩稳定性影响的监测分析及支护参数优化[J].岩石力学与工程学报,2012,31(7):1 325-1 333.

(责任编校:江河)

Research on deformation of surrounding rock of subway station multimethod construction

Zhou Xiangshi
(Hunan Road and Bridge Construction Group Co Ltd,Changsha 411004,China)

As an example of a certain constructing Ranjiaba subway station of Chongqing transit circle line,by site monitoring method,the deformation characteristics of surrounding rock affected by the subway station with multi method construction are studied.The results show that the deformation induced by open cut method induces is smaller than the deformation induced by the double side drift method and side drifts-support method,and the first stratum deformation caused by the two kinds of underground construction is more than 50% of the total settlement.Also,cures of crown settlement ts obtained by in-situ convergence deformation measurement can be characterized into three phase:rapid deformation phase after the left tunneling,transition phase,due to the working of preliminary bracing;and stable convergence phase after the temporary support dismantled.Regression analysis was carried out on the deformation of surrounding rock,and the results show that exponential function fit the dates obtained from in-situ monitoring better than other functions.

Tunnel engineering;double side drift method;side drifts-support method;surface subsidence;Monitoring

U 25

A

1672-6146(2017)02-0073-04

周相识,asan600@126.com。

2016-12-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2017.02.017