施工通道与站台隧道三岔口段施工方法及力学行为研究

2021-11-13王景春张天陆王炳华李晓峰

铁道科学与工程学报 2021年10期

王景春，张天陆，王炳华，李晓峰

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043；2.南宁轨道交通有限责任公司，广西南宁 530029)

随着城市化进程不断推进，各大中城市原有的交通规模已经无法满足城市继续发展需求。地铁受外部环境影响小、运输速度快且不占用城市地面空间资源，修建城市地铁成为解决交通拥堵的有效办法。地铁隧道施工中横通道与主线隧道交叉处三岔口段施工工序复杂，围岩受力转换频繁[1−5]，易出现应力集中现象，因此有必要对三岔口段的施工方法及受力特征进行分析研究。随着地铁隧道的快速发展，三岔口施工技术也随之成熟，按施工特点主要可分为台阶扩挖法、大包法及小包法等[6−8]。借鉴上述施工方法在以往工程中的应用，罗彦斌等[9]以哈尔滨天恒山隧道为工程背景，探究斜交横通道施工对主隧道衬砌结构的影响，结果表明隧道交叉口锐角一侧为衬砌的薄弱点，在施工中要给与重视。焦华喆等[10]针对隧道斜井进主洞断面差距大，施工复杂等问题展开研究，利用ABAQUS有限元软件直观模拟了隧道三岔口段台阶扩挖法施工围岩应力分布情况，并结合监控量测数据预测最终位移值。章剑等[11]以八苏木隧道土卜子斜井施工为依托，模拟小包法施工过程围岩塑性区发展过程及规律，用于指导实际施工支护，使施工过程更安全可靠。李亚勇等[12]以重庆市凤天路地铁车站为依托，对比门形爬坡法和扇形扩挖法施工引起的围岩位移、应力及塑性区分布，发现扇形扩挖法较门形爬坡法更适合隧道转换段施工。史振宇[13]以包家山隧道挑顶施工为工程背景，制定了详细的支护及监测施工方案，为斜井挑顶施工提供了新思路。饶军应等[14]利用弹塑性理论圆形孔口应力计算方法，推导出隧道交叉三岔口处围岩稳定性计算理论，得出了辅助通道修建跨度的安全范围。目前国内外学者对隧道三岔口段施工的研究多聚焦于围岩条件较好的浅埋隧道，针对施工通道和主隧道正交，且处于不良围岩条件下深埋隧道三岔口施工的研究较少，本文以南宁轨道交通3号线青秀山地铁车站为工程背景，分析对比设计中常用的大包法和小包法2种施工方法的优缺点，为今后三岔口施工提供一定的参考依据。

1 工程概况及三岔口段施工方法

1.1 工程概况

青秀山站是南宁轨道交通3号线从北到南的第17个车站，车站起点里程YDK20+044.918，车站终点里程为YDK20+229.618，车站有效站台中心里程YDK20+118.218，总长184.7 m。

青秀山隧道先施工左线站台隧道，施工至里程Y(Z)DK20+143.118处由横通道转向右线站台隧道。站台隧道与横通道埋深约47 m，属深埋隧道，埋置的主要岩层为泥质粉砂岩地层，强度一般，支护要求高，不利于隧道施工。

横通道段按V级围岩支护，横通道断面形式、尺寸及支护参数如图1所示，采用超前注浆小导管和自进式大管棚进行超前支护，初期支护参数为：厚度350 mm C25喷射混凝土；Φ8钢筋网，间距150 mm×150 mm，Φ25中空注浆锚杆14根(环0.5 m×纵1.0 m)，梅花形布置；格栅钢架间距1.0 m/榀；站台隧道段和横通道段支护形式一致，站台隧道断面形式、尺寸及支护参数如图2所示。

图1 横通道衬砌断面Fig.1 Cross-section of the lining of the cross passage

图2 站台隧道衬砌断面Fig.2 Cross-section of the lining of the station tunnel

1.2 三岔口段施工方法

由于大包法三岔口施工在工程中已十分普遍[15]，故主要说明小包法施工过程。小包法是在大包法基础上改进形成的一种施工方法，大包法小导洞的开挖高度与开挖长度均大于站台隧道的开挖轮廓线，在小包法施工中，小导洞开挖只需上包站台隧道上台阶，在保证工程安全的情况下简化了施工步骤，加快施工进度。小包法具体施工步骤如下：

1)横通道上台阶掌子面施工至距正线开挖轮廓线1～2 m位置时，及开挖图3所示的第①部分，准备挑顶施工，隧道挑顶进洞前需先进行超前支护，打设双排小导管跨过正线隧道拱顶上方约1 m位置。横通道与站台隧道相交处需密排5榀格栅架进行锁固加强支护。

2)垂直正洞进行导洞施工，开挖图3所示的第②部分，采用约12%的坡度施做先行导洞，爬高至正线隧道拱顶以上1 m高位置，再降低导洞高度，施做至正线隧道边墙。导洞宽度3.0 m，开挖时预留核心土，每次开挖0.6 m，采用I18工字钢门式钢架进行支护，导洞拱顶采取圆弧形式上挑以利于支护结构的稳定性，导洞底部采用混凝土铺底，门式钢架脚部需打设锁脚锚杆。导洞施做至正线隧道边墙后，需采用喷射混凝土或者临时钢架封闭掌子面，保证掌子面的稳定。

3)开挖完成施工导洞，架设正线隧道钢架，与横通道钢架搭接成整体，完成拱架体系转换。正线隧道打设超前注浆小导管，小导洞与钢架焊接成整体，完成正线隧道三台阶法开挖的超前支护措施施工。

4)开挖横通道中下台阶，即开挖图3所示的第③部分，使横通道钢架密闭成环，保证结构的稳定性。

5)割除小导洞侧壁钢架，沿大、小里程方向同时开挖主线隧道上台阶。当主线隧道上部施工一定距离之后再开挖正线隧道下台阶，即开挖图3所示的第④部分，使初期支护封闭成环。

图3 小包法施工Fig.3 Part-envelope construction method

2 隧道施工过程模拟

2.1 三维有限元模型建立

选取横通道进右线隧道交叉处三岔口段作为主要研究区域，利用三维有限元软件Midas-GTS建立三岔口施工方法的数值模拟模型，如图4所示，为减少边界对计算结果的影响，根据经验主线隧道及横通道两侧应留出3倍开挖洞径以上的距离，故模型计算尺寸为88.5 m×70 m×100 m(长×宽×高)，模型上表面定义为自由面，其余各面施加均法向位移约束。

图4 三维有限元整体模型Fig.4 Three-dimensional numerical model

2.2 计算参数

根据地质勘探报告，将模型中土层简化为填土层、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩4层，横通道和站台隧道均位于泥质粉砂岩土层中，数值模拟中岩土体采用莫尔-库伦本构模型，模型中土体和管棚加固区采用3D实体单元进行模拟；初衬选用厚度为350 mm的C25混凝土，采用2D板单元进行模拟；锚杆直径25 mm，采用1D植入式桁架进行模拟，上述材料均采用各向同性本构模型。隧道二衬为安全强度储备，数值模拟中不予考虑。模型中所用到材料的物理、力学参数如表1所示。

表1 围岩与支护结构物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass and supporting structures

2.3 隧道开挖支护步骤

模型中隧道断面开挖均采用三台阶法，每次开挖进尺为1 m，三岔口处小导洞每次开挖进尺为0.6 m，上、中、下台阶间滞后距离均为3 m，开挖后随即施做初期支护并打设锚杆。车站隧道开挖顺序为先开挖左线站台隧道。左线站台隧道施工完成后经破洞转而施工横通道，当横通道上台阶距右线隧道开挖轮廓线1～2 m时开始进行三岔口施工。三岔口段分别根据大包法和小包法中施工，施工完成后沿大里程和小里程方向同时对右线站台隧道进行施工。

图5 车站隧道三岔口有限元模型Fig.5 Finite element model of fork road

3 三岔口施工方法对比分析

将大包法和小包法2种隧道挑顶施工方法进行对比分析，着重对比2种开挖方式产生的围岩位移、应力以及塑性区范围，判断2种施工方法隧道及围岩的稳定性。

3.1 目标断面的选取

根据隧道实际施工过程对三岔口处围岩产生的影响，选取右线隧道与横通道中线交叉面为目标断面，针对施工全过程进行力学行为分析。

3.2 隧道变形对比

大包法、小包法2种三岔口段施工方法竖向位移云图如图6所示。由图可知，三岔口段施工完成后，大包法施工对拱顶围岩扰动范围要大于小包法施工，且整体上围岩沉降大包法大于小包法。

图6 三岔口段竖向位移云图Fig.6 Three-fork section vertical displacement cloud

从表2中可知，小包法施工引起的三岔口处拱顶沉降量为7.0 mm，大包法施工引起的三岔口拱顶沉降量为7.6 mm，小包法施工竖向位移均小于大包法施工。分析认为大包法小导洞施工开挖轮廓线较大，施工对围岩产生扰动也更多，从控制转换段围岩变形的角度出发，小包法更有利于控制隧道围岩的稳定性。

3.3 围岩应力对比

围岩应力分布规律可反映围岩的稳定状态。将2种施工方法计算得到的隧道拱顶、拱肩、拱脚、拱底处围岩最大、最小主应力进行对比分析。由表2可知，大包法开挖引起的围岩应力要普遍大于小包法。其中拱顶、拱底主应力相差较大而拱肩、拱脚主应力相差较小，2种三岔口施工方法中拱肩最小主应力比值最小达1.15，拱底最大主应力比值最大达到1.97，从控制围岩应力角度来看小包法要优于大包法。

表2 特征点位移Table 2 Displacement of feature point mm

3.4 围岩塑性区对比

从表4中可知三岔口段施工完成后围岩塑性区主要集中在拱肩位置，大包法与小包法塑性区半径分别为5.2 m和4.3 m，该位置塑性区范围最广，围岩变形较大，应采取有效措施防止此处隧道围岩产生大变形破坏。在拱脚处大包法与小包法塑性区半径分别为4.8 m和3.5 m，整体来说小包法相比大包法有效的控制了围岩塑性区的发展。

表4 围岩塑性区半径Table 4 Radius of plastic zones m

表3 围岩应力对比Table 3 Stress of surrounding rock masses kPa

4 小包法施工行为动态分析

前一节对大包法和小包法2种隧道三岔口处挑顶施工方法进行了对比分析，小包法在受力及施工时间等方面均优于大包法施工，为进一步了解小包法施工过程中围岩位移及应力的变化情况，进行以下分析。

4.1 拱顶沉降分析

如图7所示，拱顶沉降曲线呈“s”型增长，隧道掌子面施工至三岔口处前，拱顶沉降增长缓慢。随着隧道进一步施工，施工掌子面到达目标断面，拱顶围岩应力得到释放，使拱顶沉降曲线出现第1次跳跃式增长，由于施工前已对围岩进行了超前支护，并控制开挖进尺使此阶段施工对目标断面处围岩产生扰动较小，拱顶总沉降达到1.7 mm。施工至121～130步时拱顶竖向位移变形速率急剧增大，拱顶沉降曲线出现第2次跳跃式增长，分析因为第121步割除了小导洞竖向钢架，使支护体系产生应力体系转换，并且向断面两侧进行扩挖，断面拱顶产生较大沉降，总沉降至6.1 mm。最后沿大、小里程方向开挖右线隧道，最终目标断面总的拱顶沉降稳定在7.0 mm处。

图7 拱顶沉降Fig.7 Tunnel vault settlement

4.2 围岩应力

隧道施工完成后，三岔口段隧道拱顶处围岩应力小，易产生拉应力，拱脚处围岩应力最大，最大主应力能反映围岩破坏面方向，横通道进主隧道拱顶处部分区域出现拉应力，可能产生张拉破坏。

4.2.1 最大主应力

图8～9为监测断面最大主应力变化曲线，由图可知：1)监测断面所有特征点围岩最大主应力都是掌子面经过监测断面产生突变，最大主应力稳定后，拱顶处最大主应力最大，其次是拱肩、拱底，拱脚处最大主应力最小。2)拱顶和拱底围岩应力释放明显，其中拱顶处最大主应力峰值达−65 kPa，围岩易产生拉应力，应提前施做预支护。3)拱肩处最大主应力在121施工步时出现跳跃变化，是因为121步割除了小导洞竖向钢架使支护体系产生应力体系转换，因此，要针对阶段施工对围岩进行预加固，并采取快挖、快支、快闭合的施工方法重点防护。4)在拱脚位置压应力最大，且达到稳定的时间最长达−572 kPa，应保证喷射混凝土的初期强度，必要时提高喷射混凝土的强度，并加强锁脚锚杆控制拱脚变形。

图8 拱顶、拱底最大主应力Fig.8 Maximum principal stress diagram of arch crown and arch bottom

4.2.2 最小主应力

图10～11为监测断面最小主应力变化曲线，由图可知：1)监测断面最小主应力稳定后，拱底处最小主应力最大，其次是拱顶、拱脚，拱肩处最小主应力最小。2)围岩应力释放规律可反映围岩稳定性，拱顶处应力变化复杂，围岩易受施工扰动导致出现塑性破坏。

图9 拱肩、拱脚最大主应力Fig.9 Maximum principal stress diagram of arch shoulder and arch foot

图10 拱顶、拱底最小主应力Fig.10 Maximum principal stress diagram of arch crown and arch bottom

4.3 有效性验证

为验证上述模拟分析的可靠性，隧道施工过程中在KGD92-2位置处布置一组监测断面，利用全站仪来监测隧道拱顶沉降，如图12所示，拱顶沉降监测值曲线与模拟值曲线趋势大致相同，最终其拱顶沉降监测值为−8.6 mm，较数值模拟的结果−7.3 mm略大，断面KGD92-2拱顶沉降监测值与拱顶沉降模拟值相差为1.3 mm，差值较小且趋势大致相同。可以认为数值模拟的结果是可靠的。