地铁车站交叉通道与主隧道转换段施工方法优化

兰少波

(北京铁城建设监理有限责任公司,北京 100000)

1 项目概况

地铁2号线是一条重要交通线路。2号线一期工程为地下工程,全长27.4 km,包括24个车站。其长度约1 107.46 m,造价4.07亿元,计划工期28个月。

研究的站位于交叉口下方,车站由北向南,里程为ZDK35+945.357～ZDK36+125.357,全长180 m。受河流影响,本站轨面埋深33.3～42 m。车站隧道采用五中心圆形马蹄形断面,弧形墙、仰拱,结构型式为单拱双层。隧道拱顶覆盖着约17.5～20.5 m厚的土壤,其中岩石厚度为3.5～12.5 m。两个通风井被用作施工竖井,以进入此站的交叉通道。然后,它从交叉通道切换到主隧道,以形成用于地下开挖的工作面。车站隧道最大开挖段宽22.16 m,高19.21 m。

2 转运段开挖方案的数值模型

2.1 三维地质模型和边界条件

根据项目的地质条件,地层被简化为均质和水平。图1A是转换段的三维地质模型,图1B是横通道和主隧道的模型。X轴的负方向是横通道的掘进方向,Y轴的正方向是主隧道的大里程方向,Z轴的正向是垂直向上,见图1。

图1 有限元模型和施工步骤

从模型左右边界到主隧道左右侧壁的距离为69 m(约为隧道宽度的三倍)。从底部边界到主隧道仰拱的距离为58 m(约为隧道高度的三倍),从上部边界到隧道拱顶的距离为23 m。该模型在X、Y和Z三个方向上的尺寸为160 m×80 m×100 m,共有110 515个单元和20 846个节点。土壤和岩石由固体单元模拟。永久应用于隧道边界周围的主要支护由厚度为300 mm的板单元模拟。临时支护应用于每个导坑周围,并将在临时支护封闭成环后移除,临时支护则由厚度为200 mm的板单元进行模拟。

模型的上表面为自由表面,底部边界采用垂直位移约束,其他四个边界采用水平位移约束。

2.2 三维本构模型和计算参数

根据勘探部门提供的地铁站勘察资料,土壤物理力学参数。通过莫尔柱模型模拟土壤的本构模型,弹性模量可以根据公式(1)计算

(1)

式中:E是主支撑的等效弹性模量;E0是喷射混凝土的弹性模量;Eg是钢的弹性模量、Sg是钢筋的横截面积;S0是混凝土的横截面面积。

3 施工方法和步骤

为了确定交叉通道与主隧道之间的转换段的施工方案,模拟了三种不同的施工方法,即双孔间隔柱法、扇形扩张法和闸门爬升法。通过对比,确定了最佳施工方法,包括围岩和支护系统的应力和位移,以及不同方法引起的围岩塑性区分布。

在双孔间隔柱法中,横通道和主隧道分别采用台阶法和双侧导坑法开挖。该方法的主要施工步骤见图1C。

(1)主隧道右侧的上导洞和中导洞向大里程方向开挖,并在完成横向通道上部台阶开挖后形成支护。见图1C,步骤①。

(2)在主隧道的上导洞开挖至4D(D为横向通道的宽度)后,将中央核心土的上导坑和中导坑开挖至主隧道左侧,并形成和支撑连接主隧道左右导洞的内部通道。见图1C,步骤②。

(3)向大里程方向开挖主隧道右侧靠近转换段的上、中导洞。同时,对主隧道左侧靠近小里程内部通道的上、中导洞进行开挖和支护。见图1C,步骤③。

(4)从内部通道开始,主隧道左侧向小里程方向和右侧向大里程方向的上导洞和中导洞进行开挖和支护。见图1C,步骤④。

(5)当步骤④的开挖距离达到12 m时,横向通道的下导洞和主隧道的两侧被开挖和支撑。见图1C,步骤⑤→⑥→⑦→⑧。

(6)从内部通道到大小里程的中心芯土进行开挖和支撑。见图1C,步骤⑨→⑩。

在扇形扩张开挖法中,转移段的岩石由多个扇形开挖体开挖,见图1D。具体步骤如下:①当横通道的上部台阶开挖至横通道与主隧道的交界处时,在横通道中架设门拱。②转移段开挖,转移段上部台阶分为三个扇形开挖体。开挖宽度等于横向通道的宽度,开挖后立即安装门拱和主支撑。③交叉通道的下台阶和主隧道按上述顺序开挖。④沿主隧道架设环形钢支架,通过多次扩挖将车站上拱封闭成环形,完成换乘段施工。

闸门爬升法是一种在过渡段施工期间沿横向通道开挖方向以12%的坡度开挖主隧道的方法。然后使用反向开挖方法开挖转移段的岩石,见图1E。具体步骤如下:①对穿越断面进行全断面开挖。当开挖至连接部分时,在交叉通道和主隧道之间的连接处架设三个门拱。②转换段沿横通道开挖方向向上开挖,坡度为12%,开挖部分宽度与横通道宽度相同,开挖至主洞另一侧轮廓线。③转运段共分为八个部分进行开挖。然后立即安装门拱和主支架。④沿主隧道顶部轮廓线的环形钢支架在每一步开挖后安装。最后,钢支撑闭合成环,转移段的施工完成。

为了比较不同方法对横通道主隧道支护结构和围岩的影响,即区段1(传送区段的中心)和区段2和3(分别从距离传送区段20 m和30 m的位置)。三个选定部分的位置见图1B。

4 不同施工方法的比较

4.1 地面沉降对比

图2显示了三种方法施工后与第1段位置相对应的地面沉降曲线。从图中可以看出三种方法引起的沉降槽宽度相对相似,均在60 m左右,和(3)闸门爬升法引起的最大地面沉降最大,为5.05 mm,扇形扩张法为3.72 mm,最小的是双孔间隔柱法,为3.32 mm。因此,可以得出结论,双孔间隔桩法比其他两种方法更有利于控制地面沉降,见图2。

图2 地面沉降的比较

4.2 马头闸门变形和应变的比较

根据分析,转移段是支撑围岩结构应变最集中的位置。因此,对三种施工方法下的转换段位移和马头闸门支护围岩结构的应变状态进行了对比分析。可以看出,三种方法下的位移非常接近。每种方法引起的各种位移的位置都是相同的。每种位移的位置如下:由这三种方法引起的X方向的最大位移都发生在主隧道的左侧;由这三个方法引起的沿X方向的最小位移都发生于主隧道的右侧;由这三种方法引起的沿Y方向的最大位移都发生在马头闸门的左壁处;由这三个方法引起的Y方向的最小位移都出现在马头门的右壁处;以及由这三种方法引起的Z方向上的最小位移都发生在主隧道的右拱顶处。

可以得出结论:(1)双孔间隔柱法引起的最大主应变值最大,最大主应变出现在马头门的拱脚处,而其他两种方法的最大主应变发生在主隧道拱底。(2)爬门法引起的最小主应变发生在马头门的拱脚处,而其他两种方法的最小主应力发生在马头门的拱肩处。双孔间隔柱法引起的最小主应变值最大。双孔间隔柱法引起的最大剪切应变发生在马头门的拱肩处,而其他两种方法发生在马头门的拱脚处。扇形膨胀法引起的最大剪切应变最大。因此,一般而言,双孔间隔柱法引起的支撑结构应变值较大。

4.3 围岩应变区和塑性区对比

塑性区是隧道掘进时判断围岩稳定性的重要指标。总之,尽管双孔间隔柱法引起的支护结构应变值较大,但它在控制地面沉降和围岩塑性区范围方面具有优势。此外,与其他两种方法相比,双孔间隔柱法可以用于转移段的施工,以降低施工风险,因为它可以通过避免脚手架的架设来防止高空作业。同时,该方法具有多个工作空间,可以同时操作,可以缩短工期,降低施工成本。因此,通过对数值模拟结果和施工技术的综合分析,推荐采用双孔间隔柱法施工转换段。

5 施工监测

根据数值分析结果,采用双孔间隔柱法进行了换乘段的施工。

为了确保转换段的施工安全,在施工过程中对地面沉降和主隧道的内部变形进行了跟踪和监测。

5.1 监测结果分析

(1)地面沉降

由于现场布置了大量监测点,因此仅选择对应的地面沉降监测点DBC35990-03、DBC36010-03和DBC36020-03的沉降数据进行分析。

施工开始时,进行横向通道的开挖。该点的沉降增加到0.6 mm;17 d后,开挖转移段,随着施工面接近监测点,沉降迅速增加至2.2 mm。在监测的第27 d,随着转换段的施工完成,主隧道开始向大里程方向开挖,地面沉降缓慢增加至3.1 mm;在监测的第60 d,完成了左右导洞的施工,并开挖了中心芯土。因此,地面沉降显著增加,最终沉降稳定在6.4 mm。

在监测的初始阶段,由于施工面远离监测点,沉降很小,并缓慢增加至0.9 mm。在监测过程的第30 d,施工面逐渐到达第2段的位置。受此影响,沉降迅速增加,达到2.4 mm。第60 d,开挖中心核心土。因此,地面沉降速度显著增加,最终沉降稳定在5.3 mm。

在监测的初始阶段,由于施工面远离监测点,沉降很小,并缓慢增加到0.6 mm。在监测过程的第40 d,内部通道开始开挖。此时,施工面靠近监测点,该点的沉降速度增加,最终地面沉降迅速增加至2.1 mm。在第50 d,由于左侧和右侧导坑的开挖对该点的影响较小,地面沉降速度降低并缓慢增加至2.5 mm。在第60 d,中心核心土的开挖已经开始,地面沉降显著增加,最终沉降稳定在4.8 mm。

(2)拱顶沉降和水平变形

监测点在监测的初始阶段,由于该段的支撑刚刚完成,拱顶沉降略有增加,达到1.3 mm。然后,随着主隧道左右导洞的开挖,沉降逐渐增加至3.2 mm。随着监测进度达到第60 d,中心核心土壤被挖掘。拱顶沉降显著增加,最终沉降稳定在9.1 mm。对于监测点SDJ36000-1,前60 d水平变形速度稳定。在监测过程的第60 d之前,水平变形增加到3.2 mm。然后,随着中心芯土的开挖,水平变形显著增加,最终变形稳定在6.1 mm。

在主隧道左右导洞开挖期间,拱顶沉降速度稳定,沉降逐渐增加至3.2 mm。在监测过程的第50 d,中心核心土壤的开挖已经开始。拱顶沉降速度显著增加,最终沉降稳定在8.8 mm。监测点SDJ36010-1的水平变形速度在整个施工过程中保持稳定,最终稳定在5.4 mm。

监测点GDC36020-1和SDJ36020-1的变形在第3段支护施工完成后进行监测。对于监测点GDC36020-1,在监测的初始阶段,由于内部通道的支撑结构刚刚完成,拱顶沉降显示出小幅快速增加至2.1 mm。然后,随着主隧道左右导洞的开挖,拱顶沉降有一段波动期,并增加到3.1 mm。在监测进度的第40 d,中心核心土被开挖,拱顶沉降速度显著增加。最终沉降稳定在8.6 mm。监测点SDJ36020-1的变形规律与断面2相似。监测点SDJ36020-1的水平变形速度在整个施工过程中是稳定的,最终稳定在5.2 mm。

5.2 数值模拟结果与监测结果的比较

数值模拟计算小于每个点的监测变形。这主要是由于以下两个原因:(1)为了简化,在数值计算中假设土壤是均质和各向同性的连续介质,而实际土壤是非均质和各向异性的不连续介质,因此数值模拟结果较小。(2)转运通道的围岩在施工过程中多次受到施工扰动。围岩中的软弱结构面和裂隙在扰动后进一步开裂,导致围岩力学性状逐渐劣化。模拟中没有考虑施工扰动后围岩力学性状的恶化,这也使得数值模拟结果偏小。

尽管数值模拟结果与实测结果存在一定差异,但总体而言,监测地面沉降比控制值小30 mm,隧道内监测水平位移也比控制值低20 mm。因此,采用双孔间隔柱法施工换乘段是安全可行的。

6 结束语

(1)在三种方法中,局部应力集中发生在转移段的马头闸门位置。最大地表沉降没有发生在主隧道拱顶上方,而是出现在与主隧道与交叉通道相接的马头门相对应的地表上。因此,马头门是施工加固的关键位置。

(2)双孔间隔柱法引起的地表沉降、隧道位移和塑性区最小,可降低施工风险、缩短工期、降低工程成本。因此,采用双孔间隔柱法是一种较好的转换段施工方法。

(3)将监测变形数据与双孔间隔柱法的数值模拟结果进行比较,结果表明,数值结果小于监测结果。有两个原因。一方面,在数值模拟过程中,假设土壤是均质、各向同性和连续介质。另一方面,数值模拟无法模拟施工扰动后围岩力学性状的恶化。

(4)尽管数值模拟结果与每个点的监测变形不同,但双孔间隔柱法引起的地面沉降小于地面沉降控制值。隧道的地面沉降和水平位移分别比控制值小30和20 mm。因此,采用双孔间隔柱法施工地铁2号线换乘段是可行的。