深埋地铁车站出入口交叉段施工力学特性的数值分析

2018-04-11张润东张福麟

四川建筑 2018年5期

龙杰, 张润东, 张路, 张福麟, 张创

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 四川成都 610031)

随着城市浅层地下空间的开发日趋紧张，使越来越多的地铁车站朝着大深度地层进行设置。深埋地铁车站出入口交叉段属于交叉隧道的一种特殊结构。因出入口交叉段结构受力复杂，对其开挖方法、围岩加固以及监控量测等均具有特殊要求[1-4]。国内外学者对此开展了众多的研究。靳晓光等[5]以分离式隧道中的横通道为研究对象，分析了不同施工方案动态施工过程中主隧道围岩与初支结构的力学行为。王先义等[6]通过数值模拟的方法，分析得出大跨度地铁车站出入口通道施工过程对交叉口拱顶和底部位移影响较大。游步上等[7]采用FLAC3D软件分析不同侧压力系数、不同岩石强度与不同覆土深度条件下联络通道开挖前后主隧道的力学行为。张志强等[8]针对高速公路主隧道与车行横通道组成空间结构，采用现场实测以及三维有限元数值模拟的研究手段，进行了结构施工力学效应研究。

目前的研究主要集中在浅埋和小跨径隧道的交叉段[9-12]，而对深埋大跨径隧道出入口交叉段施工工法、施工时机以及施工过程中围岩和支护结构力学行为的研究较少。本文以重庆轨道交通10号线某深埋地铁车站为依托，采用数值模拟的方法，对比2种不同施工方案下车站出入口施工过程中深埋地铁车站出入口段围岩和初期支护结构的力学行为，为类似工程施工提供参考。

1 数值模拟

1.1 模型的建立

车站埋置深度约40 m，总长216 m，采用导式站台、单拱双层结构。站厅层侧墙共设有4个出入口，对称分布。出入口和车站均为复合衬砌结构，采用暗挖法施工。车站所处地层以砂质泥岩为主，局部夹杂砂岩，厚度为61.7 m，围岩为Ⅳ级，上覆第四系残积层，主要为粉质黏土，厚度约3.3 m，下卧地层为砂岩，围岩为Ⅲ级。车站主体断面大，出入口埋设深度深，交叉口段施工工序复杂。为此，采用数值模拟的方法，对交叉口段施工过程中围岩和初期支护结构的力学行为进行分析。

为便于数值计算，首先采用ANSYS建立车站及其出入口段的三维计算模型，然后再导入FLAC3D进行车站和出入口段施工过程的模拟计算。为了减小边界条件对计算结果的影响，模型宽度取为160 m(隧道左右两侧取2.6倍洞径)，上部取至地表，距离隧道拱顶38.2 m(不考虑地表地势起伏)，底部边界至隧道底部取为41 m(约为2倍隧道洞高)，模型纵向计算长度取为60 m。所建立的车站和出入口计算模型及其尺寸如图1所示。模型共有126 424个单元，133 399个节点，模型上部表面定义为自由面，其余各面施加法向位移约束。

(a)有限元模型

(b)三维有限元模型图1 车站和出入口计算模型

1.2 材料参数

数值模型中以Mohr-Coulomb准则来模拟围岩的本构关系。采用实体单元加以模拟。隧道的初期支护只考虑喷射混凝土支护，采用各向同性的弹性本构模型，以壳单元来模拟。隧道的二次衬砌在围岩初期支护变形稳定后施做，并采用各向同性的弹性本构模型，用实体单元加以模拟。数值计算中所采用的围岩和初期支护的物理、力学参数如表1所示。

表1 围岩与支护结构物理力学参数

1.3 隧道开挖方案

地铁车站主体采用双侧壁导坑法进行开挖，其开挖的工序如图2所示，即先分别开挖两侧的1、2、3部分，预留中间的核心岩体，随后依次开挖 4、5、6部分。每个施工步开挖进尺1.5 m，开挖后随即施做初期支护，各部分开挖间隔四个施工步。出入口通道采用全断面开挖，每次开挖步模拟的开挖进尺为3 m，开挖后随即进行初期支护的施做。拟定的开挖方案有两个，方案Ⅰ：先采用双侧壁导坑法开挖完成车站的隧道部分，然后再进行出入口部位的开挖。方案Ⅱ：采用双侧壁导坑法开挖车站隧道部分至出入口部位时，随即开挖横通道。

2 数值分析结果

为了研究在上述2个施工方案下车站出入段围岩在车站施工期间发生的位移和应力变化状况，在该段选取了一个监测断面，并在断面内设置8个监测特征点(图3)。通过对上述2种不同施工方案数值计算中各特征点位移和应力变化状况的比较，分析不同开挖方案对车站围岩稳定性和初期支护安全性的影响，进而确定合理的开挖方案。所得结果分析如下。

图2 模拟计算的车站开挖工序

图3 监测断面内特征点示意

2.1 位移分析

2.1.1 竖向位移

计算得到的各特征点竖向位移的变化状况见表2。从表2可以看出，出入口的开挖对车站交叉部位围岩产生了一定的影响，出入口侧车站边墙围岩位移变化量相对出入口对侧围岩区域较大。2种方案产生的影响差别较小，采用方案Ⅱ开挖时，特征点的位移最大正、负变化量分别为1.70 mm(位于交叉口拱底7号点)和-1.40 mm(位于交叉口拱顶8号点)。出入口开挖时，该侧通道围岩应力释放，出入口侧交叉部位围岩竖向位移均向出入口通道径向移动。

表2 特征点竖向位移 mm

注：表中的“Ⅰ”和“Ⅱ”分别代表方案Ⅰ和方案Ⅱ，余下各表相同。

选取出入口开挖车站交叉部位竖向位移变化较大的特征点7、8，分析其竖向位移在施工过程中的变化状况，其在不同开挖步时的位移如图4所示。方案Ⅰ、Ⅱ分别在第57步和27步时开始对出入口部位的岩体进行开挖。2种施工方案的最终竖向位移相接近，只是中间变化过程不同，这是由于车站所处围岩岩性比较好。但从开挖的工序而言，采取方案Ⅱ所需要的开挖步序要少于方案Ⅰ的步序，因而可以提前完成对出口段的开挖。

图4 特征点竖向位移变化曲线

2.1.2 水平位移

通过数值计算得到两种方案下各特征点的竖向位移如表3所示。由表3可知，出入口开挖对车站交叉部分围岩水平位移的影响较小，变化量相对较大的点位为交叉口拱顶和拱底。交叉口拱顶的位移向出入口通道方向变化，拱底位移背向出入口变化。分析原因，出入口开挖时，通道处围岩应力释放，整个交叉环口变成了单轴受力状态，交叉口拱顶区域受侧向应力降低，向出入口通道方向变形。车站拱形围岩压力对交叉口底部作用不明显，围岩压力释放后向车站内径向变形。方案Ⅱ与方案Ⅰ最大差别点位位于交叉口拱底(7号点)，由于方案Ⅱ出入口开挖时间早，对围岩扰动次数少、支护及时，限制了围岩变形的发展。从控制出入口段围岩变形的角度出发，方案Ⅱ更有利于控制围岩的发生变形和维护围岩的稳定性。

表3 特征点水平位移 mm

2.2 围岩应力分析

随着出入口的开挖，对围岩产生了再次扰动，导致此部位围岩内应力状态不断发生改变。现将2种方案施工时车站交叉口典型位置围岩应力对比分析如下。

(1)最大主应力，通过数值计算得到两种方案下围岩内的最大主应力如表4所示。由表4可知围岩的最大主应力出现在车站侧墙，其数值变化范围为-1 880～-2 659 kPa；而在拱顶和拱底处相对较小。车站出入口的开挖对车站交叉口侧围岩应力影响比交叉口对侧大。方案Ⅰ中，交叉口拱底最大主应力由出入口未开挖时的-2 304 kPa降低为-1 101 kPa，减少52.2 %；拱顶最大主应力由出入口未开挖时的-1 895 kPa降低为-935 kPa，减少50.7 %。方案Ⅱ中，交叉口拱底最大主应力降低为-1 065 kPa，减少53.8 %；拱顶最大主应力降低为-825 kPa，减少56.5 %。对比2种施工方案，方案Ⅱ中车站交叉口围岩的最大主应力较方案Ⅰ更小，从控制围岩应力及安全性的角度出发，方案Ⅱ要优于方案Ⅰ。

表4 特征点最大主应力 kPa

(2)最小主应力，计算得到的围岩最小主应力如表5所示，车站围岩在拱底出现拉应力，最小主应力值为5 kPa。出入口开挖导致车站交叉口侧的应力明显发生变化，最小主应力由压应力状态转为拉应力状态。在方案Ⅰ中，交叉口拱底最小主应力增量为221 kPa，增量百分比为174.0 %；拱顶最小主应力增量为151 kPa，增量百分比为59.2 %。方案Ⅱ中，交叉口拱底最小主应力增量为260 kPa，增量百分比为204.7 %；拱顶最小主应力增量为286 kPa，增量百分比为112.2 %。采取方案Ⅱ施工，交叉口段围岩最小主应力增幅较大。2种方案施工都应注意出入口交叉段的保护，避免围岩出现受拉破坏。

表5 特征点最小主应力 kPa

选取出入口开挖时车站交叉部位主应力变化较大的特征点7、8，分析其主应力在施工过程中的变化，结果如图5所示。可以看出出入口开挖对车站交叉段主应力影响显著。2种施工方案对围岩主应力变化过程影响不同，变化趋势相同。

(a)最大主应力

(b)最小主应力图5 特征点主应力

2.3 初期支护结构应力

初期支护作为隧道施工期间维护围岩稳定性的结构，对隧道开挖过程中围岩的稳定性起着至关重要的作用。对比2种方案施工所引起的初期支护结构内主应力大小和应力集中程度，从而可以判断施工方案的可行性。

表6列出了车站交叉口处及未受影响断面(距交叉口10 m断面)支护结构应力。从表6中可以看出，方案Ⅰ和方案Ⅱ施工所引起的车站出入口段初期支护结构的最大主应力分别为-21.92 MPa和-23.35 MPa，采用方案Ⅱ时所引起的最大主应力比方案Ⅰ大7 %，但2种施工方案所引起的最大主应力均小于混凝土的抗压强度25.0 MPa。2种施工方案所引起的车站出入口段应力集中系数均超过2，说明出入口开挖引起的交叉段支护结构应力集中比较大，施工过程中应加强该段支护措施。最小主应力均表现为拉应力，分别为4.41 MPa和3.37 MPa，方案Ⅱ所引起的最小主应力比方案Ⅰ小24 %。最小主应力均超过混凝土的抗拉强度1.27 MPa，说明出入口交叉段支护结构倾向于发生张拉破坏。