分离岛式地铁车站交叉洞群施工的周边环境效应分析

阮艳妹, 李进, 袁炳祥, 凌程坤, 罗旭, 吴朋波, 赵津

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司, 广州 510030; 2.中铁十局集团城市轨道交通工程有限公司, 广州 510000;3.广东工业大学土木与交通工程学院, 广州 510006)

随着地铁建设的深入,较多地铁车站需要建设在城市中心城区。传统的地铁车站设计会受到已有建筑物基础的影响,在这种情况下可以采用分离岛式的站台形式以适应已有建筑物的设计要求。这种车站形式将车站纵向一分为二,中间通过联络通道来实现两分离站台之间的客流连接和换乘[1]。由于三洞分离,隧道洞间土体在受到施工开挖的多次扰动下极易塑化。因此需要对分离岛式车站的施工过程进行研究分析,确保施工安全。

分离岛式车站的结构设计较为复杂,三洞的复杂力学问题仍未得到较好的解答,目前对于分离岛式车站的研究方法主要有现场监测和数值模拟分析等。现场监测可以反映实际的工程状况,通过对监测数据进行分析,得到现场实际变形规律并给出针对性施工控制措施。现场监测主要集中在对变形的监测,对群洞暗挖施工来说,土体变形不仅受自身施工状况的影响,还受周边隧道施工的影响。通过对相邻隧道的拱顶下沉、净空收敛和地表沉降等现场监测数据进行分析,可以得出土体变形与群洞间间距、施工顺序、开挖方式等有很大关系,其中群洞间间距更是相互影响的关键因素[2]。同时,相邻隧道并行施工也是群洞暗挖施工的重难点,并行施工会对周围土体造成多次扰动,后行隧道还会对先行隧道产生侧向卸荷作用,导致先行隧道发生净空扩容,影响先行隧道结构的稳定性[3]。后行隧道的围岩压力由于先行隧道的影响会呈现左右不对称分布的现象,最大围岩压力出现在拱腰处[4]。

现场监测的方法虽然更加真实准确,但是无法对未施工部分进行预测,同时监测设备可能会受到周围环境的干扰,而数值模拟这一方法很好地弥补了这一缺点[5-7]。通过数值模拟可对施工方案进行模拟验证,对土体应力及位移的变化进行预测,以保证施工的安全进行。另外,通过对不同的施工工艺进行模拟修改,可以得到经济效益和安全系数较高的施工方案[8-9]。数值模拟主要围绕群洞施工、支护力学特征和地表变形规律这几方面进行研究。何家成等[10]、王柯等[11]和田瑞忠[12]通过对地铁洞室群的施工方案进行数值模拟,分析地铁隧道群洞施工引起的地表沉降、应力响应、拱顶变形规律,探索最不利阶段对隧道整体稳定性的影响;黄清飞等[13]和段兆林等[14]对交叉隧道支护的力学特征进行数值模拟研究,得出隧道与横通道的接口区域应力集中明显,是结构安全的薄弱环节;王渭明等[15-16]、邱明明等[17]和师刚等[18]基于Peck公式研究双线隧道间距的近远距界定、相互影响机制及其对地层变形的影响规律,分析表明双线隧道的地表沉降曲线分布主要表现为W形;除了数值模拟,王忠昶等[19]和胡聪等[20]通过室内模型试验研究双线隧道的地层变形规律,同样发现双线隧道开挖会不断对重叠区造成扰动,地面沉降曲线呈现W形。李剑光等[21]通过室内模型试验得出软弱夹层是影响岩体稳定性的重要薄层,洞室开挖过程中需要采取加固措施控制软弱夹层对地下洞室稳定性的影响。以上研究主要集中在隧道两洞,未对多洞施工之间的相互影响进行深入研究,且周围岩层均为同一岩性地层,未对分离岛式车站隧道群穿越复杂地层时,多洞施工对围岩产生的扰动进行分析。

现以广州市某地铁车站暗挖隧道为工程背景,采用数值模拟和现场检测相结合的方法,对分离岛式车站的联络通道和站台横通道开挖施工进行稳定性研究,保证洞室施工方案的安全,为今后类似工程条件下城市地铁隧道施工提供参考。

1 工程概况

地铁车站位于黄埔大道西与石牌西站交叉路口东侧,沿黄埔大道西呈东西走向,西端靠近规划的石牌南综合交通枢纽。车站为分离岛式站台车站,全长266.6 m,有效站台中心里程为DK26+690.000,设计起终点里程为ZDK26+569.100～835.700。暗挖隧道区间总平面如图1所示。

图1 暗挖隧道区间总平面图

所选分析区域位于ZDK26+680.783～800.983,隧道群结构包括左右线隧道,3#、4#联络通道和站台横通道。区间隧道为矿山法施工的马蹄形隧道,正线隧道标准段宽为11.25 m,高10.3 m。联络通道长23.3 m,宽7.6 m,高8.54 m。站台横通道长55 m,宽8.6 m,高7.1 m。隧道与站台横通道位置关系如图2所示。施工顺序为先进行左右两线隧道施工,隧道施工完成后进行3#、4#联络通道的施工,最后进行站台横通道的施工。施工顺序图如图3所示。

图2 隧道与站台横通道位置关系图

图3 暗挖隧道洞群施工顺序图

2 有限元模型

2.1 计算模型与边界条件

为模拟左右线隧道不同的地层情况,模型地层为不均匀地层,从上至下依次为素填土、冲洪积可塑状粉质黏土层、冲洪积粉细砂层、可塑状红层残积土层、泥质粉砂岩强风化层、泥质粉砂岩中风化层、粗砂岩中风化层、粗砂岩微风化层,如图4所示。左线隧道所在地层为泥质粉砂岩中风化层和粗砂岩微风化层,上覆地层为粉砂岩中风化层;右线隧道所在地层为粉砂岩中风化层、粗砂岩中风化层和粗砂岩微风化层,上覆地层为泥质粉砂岩强风化层。

图4 地层情况

隧道左右侧洞、联络通道侧洞和站台横通道中洞之间呈现出复杂的群洞状态。洞群所在土层为粉砂岩中风化层和粗砂岩微风化层的交界处。为减小边界效应的影响,模型尺寸为110 m×180 m×67.7 m(X×Y×Z)。计算模型共140 639个单元,主隧道模型如图5所示。

图5 主隧道模型

2.2 材料参数

本文计算模型中的隧道所在地层主要为粉砂岩和粗砂岩,因此选用适用于松散和胶结颗粒状材料的摩尔-库伦本构模型作为岩土体破坏的强度准则,支护结构采用弹性本构模型[22]。隧道和联络通道的初期支护为格栅钢架喷混凝土形式,采用刚度等效的方法计算初期支护的弹性模量。根据广东省建筑设计研究院编制的《岩土工程勘察报告》,各材料物理力学参数如表1所示。

表1 材料物理力学参数

2.3 数值模拟步骤

本次数值模拟计算中,开挖步按照1 m考虑;按照先开挖左右线隧道,再开挖联络通道,最后开挖站台横通道的顺序进行数值模拟,具体模拟步骤如下,其中S表示施工步。

(1)初始应力场分析(I.S.):激活数值模型中原本存在的地层、重力以及边界条件并进行位移清零,模拟隧道未开挖时的状态。

(2)钝化左右线隧道土体并激活相应支护结构(S1)。

(3)钝化前后两个联络通道的上导洞土体(S2),滞后一个施工步激活支护结构;在上导洞施工5 m时钝化前后两个联络通道的下导洞土体(S6),滞后一个施工步激活支护结构;重复以上步骤至联络通道施工完成(S2～S29)。

(4)钝化站台横通道两端土体(S30),滞后一个施工步激活支护结构。

重复以上步骤至施工完成,一共包含61个施工步。

3 数值模拟结果分析

3.1 地表变形规律

横向地表位移如图6所示。双线隧道施工引起的地表沉降是两条单线隧道地表沉降的叠合,呈W形,且两边隧道地表土体沉降不一致,呈现非对称特征。隧道施工完成时左线隧道地表沉降为13.40 mm,右线地表沉降为11.78 mm,左线地表沉降比右线大1.62 mm,说明左线地层岩性更差。在后续施工中,相比于联络通道,站台横通道施工对地表沉降影响更大,尤其是中间地表,这是因为站台横通道位于两隧道中间,因此施工会对中间地表产生更大的影响。左右线隧道和中间地表沉降分别增加了7.38%、9.46%和28.02%。

图6 横向地表位移

纵向地表位移如图7所示。纵向地表沉降呈现对称特征,隧道施工对地表沉降产生的影响最大,沉降最大值为10.19 mm;联络通道施工会对其上方地表产生更大沉降,地表沉降曲线呈W形,两端地表最大沉降值为12.17 mm,中间地表沉降为10.99 mm,两端地表沉降比中间地表大10.74%;相比于联络通道,站台横通道施工对地表整体的沉降都有较大影响,尤其是中间地表,施工完成时两端地表沉降最大值为14.4 mm,中间地表沉降值为13.87 mm,两端地表沉降增加了18.32%,中间地表沉降增加了26.21%。

图7 纵向地表位移

按图8所示的监测点提取地表位移数据,点1为右线地表,点2为站台横通道地表,点3为联络通道地表,组成的地表沉降时程曲线如图9所示。由于正线隧道最先施工,因此在刚开始施工时点1沉降最大,为11.69 mm;点3靠近左线隧道,受隧道影响比点2大,因此点3沉降只比点1略小一些,为11.61 mm;点2位于两隧道中间位置,隧道施工对其影响最小,因此在刚开始施工时沉降最小,为10.19 mm。由点1可知隧道地表沉降规律如下:联络通道施工对隧道地表沉降影响较小,施工完毕时地表沉降值为12.6 mm,比隧道施工完成时增加了7.78%。站台横通道施工在施工面靠近监测点的过程中,沉降速率逐渐加大,并在施工面到达监测点时达到最大,施工面经过监测点后沉降速率减小,最终隧道地表沉降值为14.16 mm。点2地表沉降规律与点1相同,不同点是站台横通道开挖对点2影响更大,地表沉降从11.06 mm下降到14.05 mm,增加了27.03%。点3沉降规律如下:在开挖联络通道时施工面不断接近监测点,沉降速率逐渐加大,并在到达监测点时达到最大,随后开挖面离开监测点后沉降速率减小,施工完成时沉降值为13.53 mm。施工站台横通道时施工面是逐渐远离监测点的,因此在刚开始施工时沉降速率最大,随后逐渐减小。站台横通道施工完成时沉降值为15.09 mm。

图8 隧道监测点位布置图

图9 地表沉降时程曲线

3.2 围岩最大主应力

围岩最大主应力平面图如图10所示,由图10可知,隧道底部围岩处于受拉状态,且左线所受拉应力大于右线,最大拉应力位于左线隧道底部,为467.21 kPa。隧道开挖后底部靠近开挖面的围岩少了上部约束,会向上隆起,而下部的土体受自重和上部围岩压力的影响不会向上隆起,因此靠近开挖面的围岩处于受拉状态。图11为围岩最大主应力剖面图,由图11可知,左线受拉围岩范围比右线大,原因是左线底部围岩是粗砂岩微风化层,开挖后释放的围岩压力会比右线底部的粗砂岩中风化层大,因此左线底部拉应力更大,影响范围也更大。

图10 围岩最大主应力平面图

图11 围岩最大主应力剖面图

隧道和站台横通道中间的围岩处于受压状态,且靠近站台横通道的围岩所受压应力更大,最大压应力位于左线隧道与站台横通道中间的围岩处,为430.2 kPa。站台横通道开挖后,由于应力重分布,围岩会向开挖区域挤压,由于上覆围岩压力比水平围岩压力更大,因此中间岩体会向两侧挤压,从而导致中间围岩受到压应力,且应力大小随着离站台横通道距离的增加而减小。

3.3 围岩塑性区

图12为围岩塑性区分布图,由图12可知,隧道施工会引起围岩应力重分布,交叉洞群开挖扰动使得隧道拱肩和拱腰部分超过了极限应变进入了塑性状态,围岩自承能力下降,最大塑性区半径为3 m,但是多洞施工的多次扰动并未使得塑性区贯通,保证了施工的稳定。

图12 围岩塑性区分布

3.4 正线隧道横向变形

按图13所示的监测点提取隧道初期支护的横向位移值,监测面位于Y=90 m处。为了研究后续洞室施工对隧道支护的位移影响,对所提取的数据进行位移清零处理,处理后的横向位移时程曲线如图14所示。由图14可知,正线隧道的横向变形主要发生在站台横通道施工期间。由于在站台横通道施工期间中间围岩会向两侧挤压,因此左右两线隧道支护会产生向两侧的位移,且位移大小随着离站台横通道距离的增加而减小。在施工面接近监测点的过程中,横向位移逐渐加大,并在站台横通道上导洞贯通时达到最大,为1.7 mm,对应位置为左线隧道支护内侧。当站台横通道上导洞贯通后,横向位移增加量会减小。

图13 隧道支护横向位移监测点

图14 开挖引起的隧道支护横向位移时程曲线

3.5 既有隧道支护应力

图15是隧道支护最大主应力云图。由图15可知,隧道支护最大主应力主要集中在右线隧道和联络通道接口处,离交叉段越远,隧道支护应力值越小,因此确保交叉段的安全稳定是交叉隧道施工稳定性的关键[23]。选取右线隧道的第一个洞口处的支护进行分析,所选取的支护最大主应力时程曲线如图16所示。由图16可知,破除右线隧道支护为联络通道施工的第一步,此时洞口周围支护应力会迅速上升,因此破除右线隧道支护为联络通道施工中的关键步骤,需要加强监测。在联络通道开挖8 m后应力增加速率放缓,此时右线支护最大主应力值为8 332.42 kPa。左线隧道支护在前期施工所受影响不大。破除左线隧道支护为联络通道施工的最后一步,破除支护后洞口周围支护应力会稍微上升,最大主应力值为3 137.44 kPa,上升幅度没有右线大,原因是左线支护破除后联络通道已贯通,后续施工对左线支护的扰动影响较小。站台横通道的施工对左右线隧道支护应力的影响都不大。

图15 整体支护结构最大主应力云图

图16 隧道接口处支护最大主应力时程曲线

4 现场监测与数值结果对比

按图17所示监测点提取地表沉降值,其中地表沉降时程曲线的现场监测点为DBC26714-7,横向地表位移的现场监测点为DBC26734-1～14,纵向地表位移的现场监测点为DBC26674-4～DBC26794-4。提取的地表沉降值组成的对比曲线如图18所示。由图18可知,数值模拟和现场监测地表沉降值的数值与规律大致相同,现场监测的地表沉降略小于数值模拟结果,但均在合理范围之内,说明数值模拟的准确性是比较高的。

图18 现场监测与数值模拟地表沉降对比

5 结论

对近距离施工横通道引起的既有隧道变形进行有限元模拟研究,分别从地表沉降、围岩应力和塑性区、隧道变形受荷方面进行了详实的分析获得以下结论。

(1)双线隧道施工引起的地表沉降是两条单线隧道地表沉降的叠合,呈W形。由于两线隧道所处地层不一样,因此地表沉降呈非对称分布。隧道中间的站台横通道施工会使中间地表产生较大沉降,地表沉降曲线的W形逐渐变得平缓。

(2)站台横通道施工时底部围岩处于受拉状态,且左线隧道底部围岩所受拉应力大于右线。而中间的围岩由于受到上覆围岩的压力会向两侧挤压,从而导致围岩处于受压状态,且压应力大小随着离站台横通道距离的增加而减小。同样中间围岩向两侧的挤压会导致左右线隧道支护结构产生向两侧位移,当站台横通道上断面贯通后,横向位移增加量会减小。

(3)站台横通道施工会使隧道拱肩和拱腰部分超过了极限应变进入了塑性状态,但是多洞施工的多次扰动并未使得塑性区贯通,保证了施工的稳定。

(4)隧道支护最大主应力主要集中在右线隧道和联络通道接口处,离交叉段越远,隧道支护应力值越小。破除右线隧道支护后洞口周围支护应力会迅速上升,因此破除右线隧道支护为联络通道施工的关键步骤,需要加强监测。而破除左线隧道支护后联络通道已贯通,后续施工对左线隧道支护扰动较小,因此破除左线隧道支护的施工较为安全。站台横通道的施工对左右线隧道支护应力的影响都不大。