暗挖地鐵車站施工通道與車站轉換段施工方法研究

李亞勇，鄧怡虎，靳曉光，馮源升

(1.重慶大學 土木工程學院， 重慶 400045；2.中國市政工程西南設計研究總院有限公司， 四川 成都 610081)

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暗挖地鐵車站施工通道與車站轉換段施工方法研究

李亞勇1，鄧怡虎2，靳曉光1，馮源升1

(1.重慶大學 土木工程學院， 重慶 400045；2.中國市政工程西南設計研究總院有限公司， 四川 成都 610081)

暗挖地鐵車站轉換段設計文件中通常采用門形爬坡法，然而由于這種方法轉換步序較多，在實際工程中采用較少。基于已有工程經驗，提出采用扇形擴挖法進行轉換段施工。以重慶市鳳天路地鐵車站為依托，利用數值模擬研究門形爬坡法和扇形擴挖法2種施工方法的優(yōu)缺點。著重對比2種施工方法所引起的圍巖位移、應力分布，支護結構的受力狀態(tài)，以及圍巖的塑性區(qū)分布。研究結果表明：除支護結構最小主應力外，扇形擴挖法所引起的圍巖變形、應力、支護結構應力及塑性區(qū)半徑均小于門形爬坡法。將扇形擴挖法用于鳳天路地鐵車站轉換段施工，轉換段施工所消耗工期為20d較門形爬坡法節(jié)約工期12d，扇形擴挖法較門形爬坡法更有利于控制施工工期。因而，扇形擴挖法較門形爬坡法更適合暗挖地鐵車站轉換段施工。

隧道轉換段；門形爬坡法；扇形擴挖法；施工力學

隨著經濟的快速發(fā)展，我國地鐵建設處于高速發(fā)展時期。在城市繁華區(qū)域、交通要道和人口密集地段，為了不破壞現有的交通條件，不影響工程周邊居民的日常生活，越來越多的地鐵車站采用暗挖法進行施工。暗挖法施工中施工通道與車站隧道轉換段施工工序復雜、結構體系受力轉換頻繁，圍巖變形、應力以及支護結構受力較復雜[1-4]。此外，轉換段施工往往是制約隧道施工工期的關鍵。因而有必要對轉換段施工方法進行研究。

暗挖地鐵車站施工通道與車站轉換段屬于交叉隧道的一種情況，一些學者已經對交叉隧道進行了研究[5-9]。例如，靳曉光等[10]通過有限元數值模擬，研究了分離式隧道中間的橫通道在不同施工方案和動態(tài)施工過程對主隧道圍巖與初支結構力學行為的影響。張志強等[11]針對高速公路主隧道與車行橫通道組成空間結構，采用現場實測以及三維有限元數值模擬的研究手段，進行了結構施工力學效應研究。李玉峰等[12]歸納分析了交叉隧道工程在施工技術、施工力學行為、爆破震動影響、監(jiān)控量測技術以及預加固技術等方面的研究現狀與不足，指出了今后研究的重點和發(fā)展趨勢。

與常規(guī)交叉隧道不同，暗挖地鐵車站轉換段由小斷面施工通道進入大斷面車站隧道，施工通道與車站隧道斷面相差懸殊，導致暗挖地鐵車站轉換段施工方法與常規(guī)交叉隧道有很大區(qū)別。而目前國內外關于暗挖地鐵車站轉換段施工方法的研究還很少。本文以重慶市軌道交通環(huán)線鳳天路車站為依托，利用三維有限元分析軟件MIDAS-GTS分析設計中廣泛采用的門形爬坡法及本文提出的扇形擴挖法兩種施工方法的優(yōu)缺點。基于研究結論，將扇形擴挖法用于鳳天路地鐵車站轉換段施工，對其施工效果進行驗證。研究成果不僅豐富了轉換段施工力學研究的內容，還為轉換段的設計及施工提供了依據。

1　工程概況及轉換段施工方法

1.1工程概況

重慶市軌道交通環(huán)線鳳天路車站為環(huán)線第4座車站，其位于風天大道正下方，呈南北走向。鳳天路車站起點里程為YDK4+974.512m，終點里程為YDK5+183.516m，總長209m。有效站臺中心里程處軌面設計高程為257.017m，車站主體為直線，站前局部為曲線，站后區(qū)間設交叉渡線，車站站臺區(qū)為地下雙層標準島式暗挖車站，采用12m寬的島式站臺。車站主體內部采用單柱和雙柱兩種結構形式，斷面開挖寬度為23.440m，交叉渡線局部加寬24.190m，開挖高度為20.710m，拱頂巖土層厚度20.54～24.98m(中風化巖層厚度為8.59～22.4m)，開挖斷面為直墻圓拱斷面，為淺埋隧道，局部為超淺埋隧道。

1.2轉換段施工方法

1.2.1門形爬坡法

據調查，重慶市暗挖地鐵車站設計文件中大多采用門形爬坡法進行轉換段施工，如二郎車站、鳳天路站以及沙坪壩站等。然而，由于這種方法施工工藝復雜，轉換步序較多，且施工工期較長，實際施工中采用這種施工方法進行轉換段施工的較少。設計中采用的門形爬坡法施工過程如圖1所示，其具體施工過程如下：施工通道采用全斷面開挖，當其開挖至與車站邊界線接口位置時，在施工通道與車站結合部位立三榀門形拱架。由于施工通道斷面小且拱頂標高低于車站拱頂標高，因此在施工通道與車站接口位置挑高通道，按照車站輪廓線向外上挑至拱頂。隨后向上以12%的坡度進行轉換段開挖，開挖寬度與施工通道寬度相同，直至開挖至車站隧道另一側輪廓線位置。轉換段共分為8部分進行開挖，開挖后進行門形拱架及初期支護施做。隨工作面掘進沿車站隧道頂部輪廓線架立環(huán)向鋼支撐，通過多次開挖將車站隧道頂部拱架封閉成環(huán)，轉換段開挖至車站邊界位置，完成轉換段施工。

圖1　門形爬坡法Fig.1 Door type climbing method

1.2.2扇形擴挖法

為了克服門形爬坡法施工工藝復雜，轉換步序多且施工周期長的缺點。基于工程實踐經驗，提出扇形擴挖法進行轉換段施工(如圖2)，其具體施工過程如下：施工通道采用全斷面開挖，施工通道開挖至與車站邊界線接口位置時，在通道架設門形拱架，將施工通道上挑至車站拱頂位置。之后進入轉換部位施工，將轉換部位劃分為3個“扇形擴挖體”進行開挖。轉換段開挖寬度與施工通道寬度相同，開挖后隨即進行門形拱架及初期支護的支護。隨工作面掘進沿車站拱頂輪廓線架立環(huán)向鋼支撐，通過多次擴挖將車站上部拱架封閉成環(huán)，完成轉換段施工。經初步對比可以發(fā)現扇形擴挖法較門形爬坡法具有單次開挖面積大，轉換施工次數少，以及施工對圍巖擾動次數少的優(yōu)點。此外，由圖2可以看出扇形擴挖法沿著施工通道底部進行開挖，避免了施工通道向上沿12%的坡度施工所帶來的施工困難和風險。

圖2　扇形擴挖法Fig.2 Sector expansion method

2　有限元數值模擬

2.1三維有限元模型建立

選取施工通道與車站隧道轉換段作為研究區(qū)域，施工通道與車站隧道斷面尺寸如圖3、圖4所示。利用三維有限元分析軟件Midas-GTS建立兩種轉換段施工方法所對應的有限元分析模型(如圖4所示)。為了減小邊界條件對計算結果的影響，模型寬度取為160m(隧道左右兩側取3倍洞徑)；頂面視工程地勢條件而定，取平均厚度18m；地表上覆土層為素填土和粉質粘土，厚度為0.6～1m，數值模擬中不予考慮；底部邊界至隧道底部取為50m(約為2.5倍隧道洞高)；為反映隧道施工過程對轉換段位移和受力的影響，模型縱向計算長度取為80m。模型上表面定義為自由面，其余各面施加法向位移約束。

2.2計算參數

隧道場地圍巖以砂質泥巖為主，局部夾雜砂巖薄層，圍巖等級為Ⅳ級。數值模擬中巖土體采用莫爾-庫倫本構模型，利用實體單元進行模擬。初期支護采用C25混凝土，厚度為300mm。初期支護和錨桿均采用各向同性彈性本構模型，分別利用平面板單元及一維線單元進行模擬。隧道二次襯砌在施工變形穩(wěn)定后施做，為安全強度儲備，數值模擬中不予考慮。根據地質勘察資料和室內物理、力學試驗結果，計算中所采用材料的物理、力學參數如表1所示。

2.3隧道開挖支護步驟

施工通道采用全斷面開挖，每次開挖進尺4m，開挖后隨即進行初期支護施做，數值模擬中施工階段分為25個施工步進行開挖。施工通道與車站隧道轉換段分別根據圖1和2所示的施工方法進行施工。轉換段施工完成后，利用雙側壁導坑法同時進行車站隧道大里程和小里程方向的施工，將車站隧道劃分為9部分進行開挖(如圖3(a))。車站隧道左側導洞領先右洞10m進行施工，每次掘進長度2m，開挖后隨即進行初期支護施做；上、中、下臺階間滯后距離均為10m。車站隧道中間核心采用臺階法進行破除，臺階之間支護距離為10m。轉換段及車站隧道共分為60個施工步進行模擬。

3　數值模擬有效性驗證

為研究2種施工方法引起的轉換段變形，在轉換段選取5個特征點(如圖5)，數值模擬中對5個特征點位移進行監(jiān)測。在進行兩種施工方法數值模擬對比研究之前，首先通過對比現場監(jiān)控量測數據與數值模擬結果，研究數值模擬模型建立及選取材料參數選取的正確性。

隧道開挖完畢后，隧道轉換段位移云圖如圖6所示，從圖中可以看出施工通道與車站交叉口一側處圍巖變形量均大于遠離交叉口一側。隧道拱頂最大沉降量位于施工通道與車站交叉口處，最大豎向變形量為6.27mm。最大水平位移位于拱腰部位，最大水平位移為2.52mm。

(a)模型正視圖；(b)模型等軸測視圖

(a)門形爬坡法；(b)扇形擴挖法

Fig.4Schematicdiagramofconstructionmethodinconversionsection

表1　圍巖與支護結構物理力學參數

注：按等效剛度原則將格柵鋼拱架的彈性模量折算到初期支護上

圖5　特征點示意圖Fig.5 Arrangement of feature points

圖7為數值模擬中轉換段拱頂點a變形量隨施工步驟的變化曲線圖。為研究模擬結果的可靠性，在鳳天路車站ZDK5+150斷面布置拱頂監(jiān)測點，用全站儀配合激光反射片的方法來監(jiān)測隧道拱頂的沉降位移，拱頂的監(jiān)測數據如圖8。對比圖7和圖8可以發(fā)現，數值模擬所得拱頂沉降變化趨勢與ZDK5+150斷面拱頂沉降曲線變化趨勢基本一致。ZDK5+150斷面拱頂沉降值為5.54mm，較數值模擬的結果6.66mm。經分析，由于隧道拱頂監(jiān)測點于初期支護施做之后布設，因而監(jiān)測數據有一定的損失，導致監(jiān)控量測數據略小于數值模擬結果。但現場監(jiān)控量測數據與數值模擬結果相差較小，僅為1.12mm。因此，可認為數值模擬所建立的模型和選用的材料參數能反映工程的實際情況。

(a)豎向位移；(b)水平位移圖6　轉換段位移云圖Fig.6 Contour of displacement in conversion section

圖7　拱頂沉降有限元計算結果Fig.7 Crown settlement calculated by numerical simulation

圖8　ZDK5+150斷面拱頂沉降現場監(jiān)測數據Fig.8 Field monitoring data of crown settlement

4　計算結果分析

為了對門形爬坡法和扇形轉換擴挖法兩種施工方法進行對比分析，將兩種開挖方式產生的圍巖位移、應力、支護結構應力以及塑性區(qū)范圍進行對比來判斷兩種施工方法下隧道及圍巖的穩(wěn)定性。

4.1隧道變形對比

表2為兩種轉換段施工方法中各個特征點的計算位移。由表2可知，門形爬坡法中個點的位移值均大于扇形擴挖法。門形爬坡法引起的最大沉降量為6.658mm，扇形擴挖法引起的最大沉降量為6.217mm。2種方法變形最大差值為0.542mm。經分析產生這種情況是由于門形爬坡法每次開挖量較小，開挖階段較多，隧道施工對圍巖的擾動次數較多所導致的。從控制轉換段圍巖變形的角度出發(fā)，扇形擴挖法引起的圍巖的整體位移要比門形爬坡法更加均衡，更有利于控制隧道圍巖的穩(wěn)定性。

表2　特征點位移

注：門/扇=門形爬坡法位移/扇形擴挖法位移

4.2圍巖應力對比

圍巖應力分布對施工方法選擇，支護措施選擇起著重要作用。將兩種施工方法計算得到的隧道拱頂、拱底圍巖最大、最小主應力，以及拱腰部位剪應力進行對比分析(如表3)。由表3可知，門形爬坡法開挖引起的圍巖應力要普遍大于扇形擴挖法。轉換段處拱頂最大主應力相差最小，門形爬坡法所引起的拱頂最大主應力較扇形擴挖法大1.6%；拱底最大與最小主應力均相差較大，門形爬坡法所引起的最大主應力較扇形擴挖法大98.4%，所引起的最小主應力(即拉應力)較扇形擴挖法增大267.14%。2種方法引起的隧道拱肩、右拱腳部位剪應力差值相對較小，門形爬坡法在拱肩處的剪應力較扇形擴挖法大15.7%，拱腳處的剪應力較扇形擴挖法大24.5%。以上兩種施工方法的圍巖應力對比分析表明，扇形擴挖法所引起的圍巖應力較門形爬坡法有較大減小，從控制圍巖應力及安全性的角度出發(fā)，扇形擴挖法要優(yōu)于門形爬坡法。

表3　圍巖應力對比

注：門/扇=門形爬坡法應力/扇形擴挖法應力

4.3支護結構主應力對比

隧道支護結構作為隧道的維護結構，對隧道的穩(wěn)定性起著至關重要的作用。通過對比2種施工方法的引起的支護結構主應力及應力集中程度研究兩種施工方法的優(yōu)缺點。表4為轉換段及未受影響斷面(距轉換段20m斷面)支護結構應力。由表4可知，門形爬坡法及扇形擴挖法引起的轉換段支護結構最大主應力分別為-16.05MPa和-13.71MPa，門形爬坡法引起的最大主應力較扇形擴挖法大17.1%，但兩種施工方法引起的最大主應力均遠小于混凝土的抗壓承載能力。門形及扇形兩種施工方法所引起的轉換段應力集中系數分別為3.47和3.17，扇形擴挖法所引起的應力集中程度小于門形爬坡法。轉換段支護結構最大主應力遠大于未受影響斷面的最大主應力，隧道施工中應加強轉換段支護措施。門形和扇形施工方法引起的最小主應力分別為1.62MPa和1.84MPa，兩種施工方法引起的轉換段最小主應力均為拉應力，門形爬坡法引起的最小主應力略小于扇形擴挖法，兩種方法引起的最小主應力均接近支護結構的極限抗拉強度，由此可見，轉換段支護結構傾向于發(fā)生張拉破壞。轉換段施工過程中為了避免轉換段支護結構發(fā)生張拉破壞，施工中需提高轉換段支護結構的抗拉強度。由上述分析可見，除支護結構最小主應力外，扇形擴挖法引起的支護結構應力均小于門形爬坡法引起的應力。從控制隧道支護結構應力提高支護結構安全性的角度出發(fā)，扇形擴挖法更優(yōu)于門形爬坡法。

4.4圍巖塑性區(qū)范圍對比

隧道轉換段施工通道的存在破壞了車站隧道的應力傳遞路徑，這將導致轉換段圍巖應力集中，接近屈服狀態(tài)。表5為2種施工方法所引起的圍巖塑性區(qū)半徑，從表5可以看出2種施工方法在拱腳處引起的塑性區(qū)半徑相同，均為7.45m。在拱腰范處，門形爬坡法及扇形擴挖法引起的塑性區(qū)半徑分比為6.08m和5.22m，門形爬坡法引起的塑性區(qū)半徑要大于扇形擴挖法。從控制圍巖塑性區(qū)范圍確保隧道圍巖穩(wěn)定性的角度出發(fā)，扇形擴挖法要優(yōu)于門形爬坡法。

表4　支護結構主應力對比

注：K=轉換段最大主應力/未受影響斷面最大主應力；門/扇=門形爬坡法應力/扇形擴挖法應力

表5　圍巖塑性區(qū)半徑

5　工程應用

通過上述對比分析可以發(fā)現，扇形擴挖法在控制圍巖位移、應力、支護結構應力，以及塑性區(qū)半徑方面要明顯優(yōu)于門形爬坡法。基于本文的研究結果，將扇形擴挖法用于鳳天路車站轉換段的施工，轉換段施工期間圍巖及支護結構均處于穩(wěn)定狀態(tài)，轉換段施工工期為20d。通過向施工單位咨詢，轉換段若采用門形爬坡法進行施工，施工工期約為32d。轉換段采用扇形擴挖法較門形爬坡法節(jié)約工期12d。由此可見，扇形擴挖法除了在控制圍巖及支護結構穩(wěn)定性方面優(yōu)于門形爬坡法，還有利于控制隧道施工進度，節(jié)約工程造價。

6　結論

1)扇形擴挖法引起的轉換段圍巖位移、位移均小于門形爬坡法，從控制轉換段圍巖穩(wěn)定性的角度，扇形擴挖法優(yōu)于門形爬坡法。

2)除轉換段支護結構最小主應力外，扇形擴挖法引起的轉換段支護結構應力均小于門形擴挖法，從控制支護結構應力的角度，扇形擴挖法由于門形爬坡法。2種施工方法引起的轉換段最小主應力均為拉應力，且接近支護結構的極限抗拉強度。轉換段支護結構傾向于發(fā)生張拉破壞。應提高轉換段支護結構的抗拉強度避免轉換段支護結構的張拉破壞。

3)扇形擴挖法引起的塑性區(qū)半徑小于門形爬坡法。從控制轉換段圍巖、支護結構穩(wěn)定性的角度，扇形擴挖法均優(yōu)于門形爬坡法。

4)鳳天路地鐵車站轉換段采用扇形擴挖法施工工期為20d，若采用門形擴挖法施工工期約為32d。相比門形爬坡法，扇形擴挖法更有利于控制施工進度，節(jié)約工程造價。建議采用扇形擴挖法進行暗挖地鐵車站轉換段施工。

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Construction methods at the intersection betweenConstruction Channel and subway station

LIYayong1,DENGYihu2,JINXiaoguang1,FENGYuansheng1

(1.School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China;2.SouthwestMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteofChina,Chengdu610081,China)

TheDoortypeclimbingmethodisgenerallyadoptedintheconversionsectionbetweenconstructionpassageandsubwaystationindesigndocument.However,itisnotwidelyusedinengineeringpracticeconsideringthecomplexswitchingprocess.Basedonengineeringexperiences,thesectorexpansionmethodwasputforward.FengtianlusubwaystationinChongqing,Chinawasselectedtocomparethesetwoconstructionmethodsthroughnumericalsimulation.Twothree-dimensionalnumericalmodelswereestablishedcorrespondingtodifferentconstructionmethods,andtheeffectivenessoftheestablishednumericalmodelwasvalidatedthroughfieldmonitoringdisplacement.Thenthedisplacementandstressdistributionofsurroundingrockmasses,internalforceofsupportingstructures,andtheradiusofplasticzoneswerehighlighted.Numericalresultsshowthatthedisplacement,stress,internalforceofsupportingstructures,andradiusofplasticzonesinducedbysectorexpansionmethodarealllessthanthatinducedbydoortypeclimbingmethodexceptfortheminimumstressofsupportingstructures.ThesectorexpansionmethodisusedinFengtianlusubwaystation.Consequently,theconstructionperiodis20days,and12daysweresavedcomparedtothedoortypeclimbingmethod.Thesectorexpansionmethodisbetterincontrollingconstructionperiodthanthedoortypeclimbingmethod.Itcanbeconcludedthatthesectorexpansionmethodismoresuitableforconstructionintunnelconversionsectionthanthedoortypeclimbingmethod.

Tunnelconversionsection;Sectorexpansionmethod;Doortypeclimbingexcavation;Constructionmechanics

2015-11-22

國家自然科學基金資助項目(51578091)

靳曉光(1967- )，男，河北東光人，教授，從事隧道及地下工程方面的研究；E-mail:Jxgcqu@163.com

TU91

A

1672-7029(2016)07-1352-07