深埋地铁车站通风井分层开挖法施工力学分析

2018-03-27王明均郭志强崔文辉

西部探矿工程 2018年3期

王明均，齐伟，姚杰，郭志强，崔文辉

（1.中铁六局集团有限公司，北京100036；2.重庆大学土木工程学院，重庆400045）

1 概述

深埋地铁车站通风结构施工，空间结构受力复杂，交叉段应力集中，是结构的薄弱环节，同时又是施工的咽喉。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，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。以往关于地铁车站通风井施工的数值模拟研究中，大部分专家学者研究的多是浅埋车站通风结构的施工[1-6]，并取得了较多研究成果，但对于深埋地铁车站通风结构施工的建设情况、相关开挖技术以及衬砌应力等方面的研究并不深入。因此，对采用分层开挖法的深埋地铁车站通风井交叉段的变形行为与衬砌应力等方面的内容进行深入的研究，对促进该类型工程的发展具有十分重要的作用。

本文依托重庆市轨道交通十号线红土地车站隧道工程，利用三维有限元分析软件Midas-GTS(NX)，对地铁车站通风井交叉段的复杂力学行为进行研究，为深埋地铁风井分层开挖施工的施工方案优化和支护设计及安全控制提供科学依据。

2 数值分析模型的建立

分层开挖是风井开挖的一种常用方法，它的简要程序为：首先从上而下开挖并支护风井至风井最底部，然后施工开挖并支护通风道，最后完成通风道和风井交叉部分的开挖和支护。数值模拟所建立的模型也遵循这一基本程序。

由于该工程的复杂性和地层结构的不确定性，为了数值模拟计算顺利有效地进行，在满足工程精度要求的前提下，做如下假定：

（1）忽略地表和各岩层和土层的起伏和不均匀性，假定地表和各岩土层呈均质水平层状分布；

（2）假定围岩为各向同性、连续的弹塑性材料；

（3）只考虑岩土体的自重应力，忽略构造应力。

2.1 模型及边界条件

根据红土地车站的勘察设计资料，此次计算将通风井影响范围内的地层简化为6层，从上到下分别为素填土、中风化砂岩、中风化砂质泥岩、砂岩、砂质泥岩和砂岩，厚度分别为4.0m、3.0m、16.0m、20.0m、44.0m和79.0m。模型固定左右边界和前后边界上法向的位移，固定底面X、Y、Z方向的位移，模型顶面为自由面，不设置任何约束。建立的数值模型范围为：左边界取隧道外边缘侧80m；右边界取隧道外边缘侧50m；下边界取隧道下边缘75m；上边界为地表面；沿隧道前进方向取166m，建立的数值模型划分网格之后共有161243个单元，45833个节点，建立的数值分析模型如图1所示。

2.2 材料参数

数值模拟采用的岩石材料参数如表1所示。

初期支护结构喷射混凝土参数为：弹性模量E=3.0×107kPa，泊松比μ=0.2。支护锚杆力学参数为：弹性模量E=2.05×109kPa。

图1 数值分析模型

3 数值分析结果

为分析通风道与风井交叉段应力及变形情况，特选取交叉处风道拱顶特征断面作为分析对象，通过分析研究断面的围岩和支护结构的位移、应力等参数指标随施工开挖的推进的变化规律和最值来判断围岩和支护结构的稳定性，分析断面特征点分布如图2所示。

图2 分析断面位移特征点分布图

3.1 围岩位移

（1）围岩竖向位移。根据模拟结果可知，风道上部围岩的竖向位移为负即发生向下的沉降，最大沉降值约为3.15mm，发生在风道拱顶处；风道下部围岩的竖向位移为正即发生向上的隆起，最大的隆起值约为6.32mm，发生在风道的仰拱中心的位置。风井的竖向位移较小，以正向位移为主，即发生向上的隆起，最大的竖向隆起值为5.12mm，发生在风井底部中心的位置。提取通风道和风井交叉断面（分析断面）风井收敛值随施工开挖步距的推进而发生的变化规律如图3所示。

由图3可知，随着风井的开挖，特征点由于开挖卸荷的作用发生向上的隆起，距离点位越近向上隆起速度越快，最大的隆起位移为1.72mm；当风井开挖到特征点位时，竖向位移发生突变，由向上的隆起变为向下的沉降，但总体位移方向依旧向上；当通风道开挖到风井附近时时，测点a位移发生突变，向下沉降量迅速增大，而其他测点位移变化不明显，风井和通风道全部开挖完成后测点a的沉降值为2.1mm。

表1 岩体材料参数

图3 特征点围岩竖向位移随施工步变化曲线

（2）围岩水平位移。风井和通风道全部开挖完成后，通风道内最大的水平正向位移为2.98mm，发生在通风道转弯后不远断面的拱腰位置，最大负向位移为2.22mm，发生在通风道与风井交叉断面拱腰位置。风井短边的水平位移只出现在风井中下部分，而且符号相反，即发生向内的净空收敛，其中最大的正向位移为1.59mm；最大负向位移为1.79mm，风井短边的最大净空收敛值为3.28mm。在风井施工过程中，风井长边方向的净空收敛随着开挖深度的增加而增大，其中通风道和风井交叉处断面水平正向位移为2.64mm，负向位移为3.67mm，水平净空收敛为6.31mm。

3.2 围岩及支护结构应力

围岩的主应力对围岩稳定性有重大影响，主应力的大小与围岩是否由弹性状态进入弹塑性状态密切相关。而支护结构的应力也直接决定了支护结构的稳定性和安全性，若应力过大那么支护结构就会出现开裂、变形过大等破坏形式，严重影响隧道的安全性和正常使用。

（1）围岩主应力。围岩的最大主应力在该断面的拱脚处相对较大，而在其他部位相对较小。其中拱脚处的围岩最大主应力值为4.91MPa（压应力），所以在实际施工过程中应加强对拱脚的保护和监测，避免出现挤压破坏的情况。风井和通风道交叉断面处的围岩最小主应力有拉应力也有压应力，除拱顶及少数仰拱部位围岩出现拉应力外，其他部分均为压应力。最大拉应力发生在拱顶处为0.37MPa，所以在施工过程中应注意保护拱顶，避免其出现拉裂破坏。

（2）支护结构主应力。

①支护结构最大主应力。施工完成后初期支护结构的最大主应力以压应力为主，在通风道与风井交叉的部位和通风道的转弯处有应力集中现象，其中主应力最大压应力为16.98MPa，出现在通风道与风井交叉截面的拱脚处；最大拉应力为1.41MPa，发生在通风道转角断面的仰拱中心位置。初期支护采用的混凝土抗拉强度为1.27MPa，而主应力的最大拉应力已经超过混凝土的抗拉强度，所以在施工过程中应更加重视通风道和风井交叉段和通风道转弯处的施工，以免由于应力集中而产生不良后果。

当特征点位断面支护结构施工完成后时，其最大主应力均迅速增大，变化曲线斜率陡增，随施工的进行而又迅速趋于稳定。在风道开挖前期特征点变化量很小，而当风道开挖至交叉断面时，特征点a最大主应力发生突变，由拉应力转变为压应力，应力值迅速增大随后又趋于稳定，最终的稳定值为2.0MPa（压应力）。当风道开挖至交叉断面时，特征点c、d变化曲线斜率增大，应力值逐渐减小后又趋于稳定，最终稳定值为2.1MPa（压应力）。风道施工对特征点b处的最大主应力的影响较小。

②支护结构最小主应力。特征点处支护结构最小主应力随施工步序的变化曲线如图4所示。

初期支护结构的最小主应力以拉应力为主，其中最大拉应力为7.62MPa，发生在通风道的转角断面的拱腰位置，而在通风道与风井的交叉部分最大的拉应力也达到7.54MPa，均超过混凝土的抗拉强度，所以在施工过程中应足够重视应力集中的影响，加强防范。最小主应力的压应力一般分部在通风道外侧，最大值为2.37MPa，不会引起支护结构的破坏。

当特征点位断面支护结构施工完成后时，其最小主应力均迅速增大，变化曲线斜率陡增，随施工的进行而又迅速趋于稳定。随着风道的逐步开挖，特征点位的最小主应力均缓慢减小，当风道开挖至交叉断面时，特征点a应力值发生突变，其值迅速增大随后又趋于稳定，最终的稳定值为5.0MPa（拉应力）。当风道开挖至交叉断面时，特征点c、d变化曲线斜率增大，应力值逐渐减小后又趋于稳定，最终稳定值为2.5MPa（拉应力）。风道施工对特征点b处的最大主应力的影响较小。4个点位的应力值均已经超过混凝土的抗拉极限强度，混凝土有被拉裂破坏的可能，所以在施工过程中应特别注意避免交叉断面应力集中带来的不良后果。