基于数值分析的区间渡线段隧道变截面施工方案比选

付军恩

（中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300）

1 引言

随着我国城市地铁网的不断完善，各种满足不同使用功能的复杂大跨度地下结构形式，以及合分修设计在城市地铁建设中被越来越多使用［1］。将隧道由原来合修的单洞转换到分开修建的双洞，两段之间必须采用合适的过渡段［2-4］。过渡段一般采用渐变方式，其断面尺寸远大于普通隧道段，结构复杂；且当隧道穿过岩层条件较差的地段时，导致其施工难度及安全风险显著增加。城市地铁隧道施工有严格的变形控制要求［5］，选择合理的施工方案和工程辅助措施尤为重要［6-8］。本文依托沈阳地铁9号线奥体中心站 奥体东站区间渡线段，探讨区间渡线段隧道变截面的施工方案。

沈阳地铁9号线奥体中心站 奥体东站区间右线DK23+655和DK24+163.356处分别设置1、2号施工竖井。其中2号竖井设置在区间渡线处，主要为减小渡线处矿山法大断面施工风险。根据工程设计文件，区间右线自2号横通道向奥体东站走向，渡线隧道自2号横通道向东偏南走向，在隧道向东走向放线延长14.575 m，与区间右线隧道交汇合并成大断面施工。图1给出了2号横通道、渡线隧道和区间隧道的平面位置关系。

图1 工程区间结构平面

如何保障断面转换区间的施工安全与施工质量是本区间工程的重难点［9］。为保障过渡段的施工，必须在施工中重点考虑应力状态的变化及洞室之间的相互影响［10-12］。因此，研究区间渡线段隧道变截面施工方案，对降低施工风险、提高施工效率具有重要意义。

2 渡线段隧道变截面施工分析

该区间段工程施工有两种施工方案。方案一:从2号横通道向奥体东站方向施工；方案二:从奥体东站向2号横通道施工（见图2）。

在从2号横通道向奥体东站施工方案中，区间右线隧道和渡线隧道向东施工，在设计位置交汇，然后向东隧道截面逐步减小施工至奥体东站。该方案区间右线隧道和渡线隧道在逐渐合并过程中，按照计算挑高和坡度逐步放大截面施工，直至设计合并截面处，涉及到4次缩小隧道截面的施工过程。从奥体东站向2号横通道施工，同样涉及到4次隧道扩大截面的施工，直至区间右线和渡线隧道分离处，总体上施工难度较大。

图2 渡线段隧道变截面施工方案

根据区间隧道净跨、所处的地层情况、结构断面形式，暗挖隧道存在11种断面形式，20多处断面变化点，采用三种工法施工，即台阶法、CRD法、双侧壁导坑法。根据工程总体施工部署的施工顺序可知，按大小方向，断面转换分为两类:一类是由大断面向小断面的过渡转换；另一类是由小断面向大断面的过渡转换。根据目前相关研究成果和工程经验，隧道从小截面向大截面施工难度大、施工风险高；在大截面隧道上进行小截面隧道的施工相对容易。因此渡线段隧道变截面施工中，施工方案一经历1次隧道截面小到大、4次隧道截面大到小的施工；施工方案二经历1次隧道截面大到小，4次隧道截面小到大的施工。综合比较可知施工方案二在施工中整体上的实施难度和操作难度大于施工方案一，但是施工方案一在渡线隧道和区间右线隧道合并处涉及到两个小截面隧道合并成一个大截面隧道的问题，是整个渡线段施工的重难点，值得深入研究分析。

3 数值模拟分析

为了更好地研究不同隧道施工方案对围岩和支护结构稳定性的影响，借助数值模拟的手段对两种方案的施工进行仿真分析，并对结果进行对比，进而确定合理的施工方案。

图3 三维有限元模型

3.1 模型建立

采用Midas GTS／NX岩土有限元软件对沈阳地铁9号线十六标段2号横通道渡线段隧道变截面施工进行数值模拟分析。图3为三维有限元模型，其中2号横通道向奥体东站方向为X轴正方向，垂直线路走向为Y轴方向，竖直方向为Z轴方向。模型在X轴、Y轴、Z轴方向上的尺寸分别为27.7 m、50 m、27 m。地层土体材料以摩尔-库伦本构模型进行定义，地层为砂砾复合地层属性，采用3D网格进行划分。竖井、横通道和区间隧道的衬砌（厚度为30 cm）采用板单元进行模拟，2D网格进行划分。模型材料的属性见表1。

表1 模型材料属性参数

3.2 施工步骤模拟

对两种施工方案的施工过程进行数值模拟。施工方案一为从2号横通道向奥体东站施工；施工方案二为从奥体东站向2号横通道施工。施工方案一数值模拟步骤为:

第1步:在地层、竖井和横通道衬砌激活的状态下进行位移清零，模拟施工前地层沉降状态。

第2步:横通道对应区间右线隧道上台阶部分衬砌破除，区间右线隧道的一次开挖进尺为1 m，钝化（杀死）右线隧道第一次开挖的土体单元。

第3步:在上步骤中开挖出的轮廓面上架设型钢钢架并进行初喷支护，即激活对应位置的型钢钢架单元和初衬单元。同时进行第二次土体开挖，即钝化（杀死）右线隧道上台阶的第二次开挖土体单元。

第4步:在右线隧道第二次开挖出的土体轮廓面上架设型钢钢架并进行初喷支护，激活对应位置的型钢钢架单元和初衬单元。同时进行第三次土体开挖，即钝化（杀死）右线隧道的第三次开挖土体单元。

重复以上步骤。当进行到第6步骤时，右线隧道已经开挖5 m，同时开始右线隧道下台阶的施工。

当进行到第11步骤时，开始进行横通道对应渡线隧道部分衬砌的破除并进行渡线隧道上台阶的施工。当施工进行到第16步骤，进行渡线下台阶隧道的施工。

大截面隧道采用双侧壁导坑法进行施工。区间右线隧道上台阶施工至渡线隧道与区间右线隧道设计合并处转右侧壁上导坑施工；区间右线隧道下台阶施工至设计位置转右侧壁下导坑施工。渡线隧道上台阶施工至设计位置转左侧壁上导坑施工；渡线隧道下台阶施工至设计位置转左侧壁下导坑施工。

施工方案二先进行大断面隧道施工，采用双侧壁导坑法，施工工序见图4。当先行导坑施工至变截面设计处转区间右线隧道或渡线隧道的上下台阶施工。

图4 大截面隧洞导坑施工顺序

4 数值模拟结果分析

4.1 衬砌结构沉降位移分析

图5给出了施工方案一和施工方案二施工完成后隧道衬砌的沉降位移云图。根据图5可知施工方案一和施工方案二造成衬砌的最大沉降位置均发生在大截面隧道的拱顶处。施工方案一衬砌产生沉降的区域比施工方案二稍大，但是施工方案二衬砌的最大沉降量为-4.15 mm，大于施工方案一产生的最大沉降量-3.63 mm。施工方案一和施工方案二均会造成大截面隧道仰拱产生一定量的隆起，隆起量分别为3.25 mm和3.20 mm，相差不大。对比衬砌沉降位移云图可知，施工方案二中仰拱的隆起主要发生在中导坑下台阶处；而施工方案一中双侧壁下导坑的仰拱也产生一定量的隆起。

图5 隧道衬砌沉降位移云图

对大截面隧道的拱顶提取测点测量值进行沉降位移分析。测点提取位置见图6所示。图7给出了施工方案一和施工方案二中测点的沉降趋势图。根据图7可知，在施工方案一和施工方案二中，中导坑上台阶的施工造成的沉降占据了仰拱沉降的大部分；施工方案二中由于导坑的施工和右线隧道或渡线隧道一起施工的原因造成的沉降比施工方案一大。

图6 测点提取位置

图7 测点沉降趋势图

4.2 夹土层围岩位移变形分析

渡线隧道和区间右线隧道在合并施工的过程中，两隧道间距越来越小，隧道间软弱夹土层的稳定性受到影响。图8为两种施工方案完成后隧道围岩的位移变形云图。

图8 隧道围岩位移变形云图

根据图8对比分析可知，横通道和大截面隧道间围岩上部发生的沉降变形较小，下部围岩发生的变形较大。施工方案一造成夹土层变形量一般在0～2.18 mm之间；施工方案二造成夹土层变形量一般在0～2.49 mm之间，且对于沉降面积，施工方案二大于施工方案一，说明施工方案二造成夹土层的变形影响较大。

图9给出了施工方案一和施工方案二相同塑性指标下的塑性区分布。根据图9可知施工方案二的围岩塑性区明显大于施工方案一的围岩塑性区，施工方案二的右线隧道和左线隧道间的软弱夹土层的变形区域比施工方案一大，由此说明施工方案一能更好地保持隧道间软弱夹土层的稳定。

图9 围岩塑性区分布

4.3 衬砌结构应力分析

图10和图11分别给出了施工方案一和施工方案二施工完成后衬砌的主应力分布云图。根据图10和图11对比可知，施工方案一和施工方案二造成衬砌的最大主应力分别为3.722 MPa和4.495 MPa，最大主应力均分布在变截面处大截面隧道拱顶位置。施工方案一和施工方案二的最小主应力分别为-6.977 MPa和-6.282 MPa，相差不大。施工方案一和施工方案二的右线隧道拱腰位置最小主应力最大。综合分析可知施工方案一和施工方案二造成最大主应力和最小主应力的差别并不大，控制应力分布的大小和位置均较为相似。

图10 施工方案一施工完成衬砌主应力分布云图

图11 施工方案二施工完成衬砌主应力分布云图

综上分析可知施工方案一在对隧道衬砌的沉降控制和围岩变形的控制上均优于施工方案二，即区间右线隧道和渡线隧道合并的过程中，优先选用从横通道向大截面隧道施工的方案。结合大截面隧道4次变截面施工可知，施工方案一需进行4次大转小截面施工；施工方案二需进行4次小转大截面施工。综合比较施工方案一优于施工方案二。

5 结论

本章以沈阳地铁9号线十六标段2号竖井横通道至右线DK24+233.956奥体东站车站中间的单渡线隧道施工为工程背景，通过理论分析和数值模拟，优化了单渡线隧道施工方案，研究了单渡线隧道和区间右线隧道由双线双洞大断面小净距隧道处合并成大截面单洞隧道开启单渡线段隧道的施工对策，得出了以下结论:

（1）针对沈阳地铁9号线十六标段2号竖井横通道至右线DK24+233.956奥体东站车站中间的单渡线隧道的工程概况，提出了施工方案一“从2号横通道向奥体东站方向施工”和施工方案二“从奥体东站向2号横通道施工”两种施工方案。施工方案一经历1次隧道截面小到大、4次隧道截面大到小的施工；施工方案二经历1次隧道截面大到小，4次隧道截面小到大的施工。综合比较可知施工方案二在施工中整体上的实施难度和操作难度大于施工方案一。

（2）通过数值模拟两种施工方案发现，施工方案一和施工方案二造成衬砌的最大沉降位置均发生在大截面隧道的拱顶处，施工方案一产生的最大沉降量-3.63 mm，施工方案二造成衬砌的最大沉降量为-4.15 mm。通过对比两种施工方案引起的围岩变形量发现，采用施工方案一开挖施工时，夹土层最大变形量为2.18 mm，而施工方案二则达到2.49 mm，且施工方案二沉降量大的区域面积大于施工方案一。施工方案一在对隧道衬砌的沉降控制和围岩变形的控制上均优于施工方案二。