長沙地鐵渡線暗挖區(qū)間結(jié)構(gòu)施工安全計(jì)算分析

胡柱奎 （中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，安徽 合肥 230021）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)增長和城市化進(jìn)程的加速，城市交通壓力不斷上升，城市軌道交通建設(shè)的進(jìn)程日益加快。但由于城市施工環(huán)境復(fù)雜，建筑物密集，管線交錯(cuò)，路面交通繁忙，施工空間限制，給地鐵施工帶來了挑戰(zhàn)。同時(shí)對于地鐵停車線、折返線、渡線等大斷面的異形結(jié)構(gòu)，地鐵施工常采用的盾構(gòu)法不再適用，而采用礦山法施工。在城市隧道礦山法施工中，需要借助豎井和橫通道輔助施工，而由于受到臨街建筑物和交通運(yùn)行的影響，需慎重選擇豎井位置和嚴(yán)格控制施工場地大小[1-3]。

為滿足城市地鐵建設(shè)的需要和施工場地的限制，往往出現(xiàn)施工豎井、橫通道、正洞立體正交于一體的結(jié)構(gòu)體系，給施工帶來了極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)給施工技術(shù)也提出了很高的要求。長沙地鐵3號(hào)線侯家塘至東塘站右線渡線暗挖區(qū)間出現(xiàn)了上述情況，即施工豎井、橫通道以及正洞結(jié)構(gòu)立體交叉與一體，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全，在施工前對該立體正交結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行安全計(jì)算分析非常必要，并給出相應(yīng)的安全控制措施。

基于以上背景，本文以長沙地鐵3號(hào)線侯家塘至東塘站右線渡線暗挖區(qū)間豎井、橫通道及正洞立體正交結(jié)構(gòu)施工為依托，運(yùn)用三維數(shù)值計(jì)算方法，對其施工過程進(jìn)行計(jì)算分析，研究成果一方面可以指導(dǎo)長沙地鐵3號(hào)線的施工，另一方面也可為今后類似工程的修建提供借鑒。

1 依托工程概況

1.1 工程概況

長沙地鐵3號(hào)線侯家塘站～東塘站區(qū)間左線為盾構(gòu)區(qū)間，右線分盾構(gòu)區(qū)間段與渡線暗挖區(qū)間段2段，暗挖區(qū)間西端與盾構(gòu)段相接，東端與東塘站相接。暗挖部分設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程YDK19+226.644，終點(diǎn)里程YDK19+449.825，全長223.181m。渡線區(qū)間暗挖段設(shè)計(jì)為馬蹄形斷面結(jié)構(gòu)，復(fù)合式襯砌。

渡線暗挖段在靠近盾構(gòu)、暗挖交接處設(shè)置1座豎井，豎井深度34.1m；豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑1.2m鉆孔樁，鉆孔樁長度37m；圍護(hù)樁豎井凈空尺寸寬5m、長7.5m，冠梁尺寸寬1.2m、高1m，冠梁高出地面20cm兼做擋水墻作用；豎井井深分別在距冠梁7m、14m、18.5m處設(shè)置4道鋼筋混凝土環(huán)梁，環(huán)梁尺寸高1.4m、寬1m；由于場地限制，豎井位置侵占暗挖區(qū)間部分區(qū)域，橫通道較短，總長7.989m，高度11.5m。在橫通道側(cè)壁和豎井側(cè)壁面修建暗挖正洞，正洞采用CRD法施工，使用φ108大管棚作為超前支護(hù)。施工豎井、橫通道及正洞立體正交結(jié)構(gòu)如圖1～圖2所示。

圖1 正交結(jié)構(gòu)體系示意圖

圖2 剖視圖

1.2 地質(zhì)條件

豎井圍護(hù)樁穿越的地層包括沖積粘性土層、沖積圓礫層、沖積卵石層、硬塑狀粉質(zhì)粘土層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。立體交叉段主體結(jié)構(gòu)位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，最小埋深為橫通道拱頂位置，埋深約22.0m；正洞拱頂位置埋深約為23.1m。建筑場地處于湘江三級(jí)階地上，未發(fā)現(xiàn)能引起場地滑移、大的變形和破壞等的不良地質(zhì)作用。立體交叉結(jié)構(gòu)上覆地層中的沖積圓礫層和沖積卵石層是地下水賦存巖層，地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

2 三維數(shù)值計(jì)算說明

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)長沙地鐵3號(hào)線侯家塘站～東塘站實(shí)際情況模擬隧道埋深及隧道開挖，模擬計(jì)算采用FLAC3D有限差分元通用程序[4]。為充分模擬隧道的三維空間效應(yīng)，計(jì)算模型所取范圍是：根據(jù)實(shí)際工程情況沿縱向取100m，沿橫向取140m，沿豎向取150m，模型中豎井圍護(hù)樁的深度按設(shè)計(jì)取37.1m，圍護(hù)樁下方圍巖深度取112.9m；模型中橫通道開挖斷面跨度為9.5m，高度為11.77m，正洞開挖斷面跨度為12m，高度為9.366m；約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計(jì)算中地層采用彈塑性實(shí)體單元模擬，管棚采用彈性結(jié)構(gòu)單元模擬，初期支護(hù)、加強(qiáng)初期支護(hù)、臨時(shí)仰拱采用彈性實(shí)體單元模擬。模型按照實(shí)際土層分界面進(jìn)行建模，選取了土層最厚區(qū)間進(jìn)行計(jì)算。整個(gè)計(jì)算模型采用四面體單元?jiǎng)澐郑Ｐ凸?41600個(gè)節(jié)點(diǎn)、456480個(gè)單元。

圍巖計(jì)算參數(shù)表 表1

材料物理力學(xué)參數(shù)表 表2

2.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)參照《長沙市軌道交通3號(hào)線一期工程KC-1標(biāo)段詳細(xì)勘察階段侯家塘站至東塘站區(qū)間巖土工程勘察》資料選取，襯砌材料的物理力學(xué)指標(biāo)參照《長沙軌道交通3號(hào)線一期工程施工圖設(shè)計(jì)第一分冊礦山法平縱斷面及主體結(jié)構(gòu)變更圖》選取，混凝土材料物理參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，所確定的計(jì)算參數(shù)如表1、表2所示。

2.3 計(jì)算施工步序

①施作鉆孔樁作為豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)，施作冠梁，開挖豎井內(nèi)部巖土體，施作3道環(huán)梁；

②在橫通道曲拱位置施作超前大管棚；

③破除豎井圍護(hù)樁，開挖橫通道；

④施作初期橫通道初期支護(hù)、中隔壁、臨時(shí)仰拱以及橫通道端墻；

⑤施作正洞門架；

⑥施作鋼支撐；

⑦以1m進(jìn)尺開挖渡線正洞并做初期支護(hù)如表1、表2所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 橫通道支護(hù)位移分析

各施工階段橫通道初期支護(hù)最大變形如表3所示。

各施工階段橫通道初期支護(hù)最大變形統(tǒng)計(jì)表 表3

3.2 橫通道初期支護(hù)應(yīng)力分析

各施工階段橫通道初期支護(hù)主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如表4所示。

橫通道初期支護(hù)主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表（MPa） 表4

3.3 正洞初期支護(hù)位移分析

各施工階段正洞初期支護(hù)最大變形統(tǒng)計(jì)如表5所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護(hù)完成后的豎向位移計(jì)算云圖，如圖3。

3.4 正洞初期支護(hù)應(yīng)力分析

各施工階段正洞初期支護(hù)主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如表6所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護(hù)完成后最大壓應(yīng)力計(jì)算云圖，如圖4。

各施工階段正洞初期支護(hù)最大變形統(tǒng)計(jì)表 表5

圖3 正洞下部開挖支護(hù)完成后豎向位移云圖（單位：m）

各施工階段正洞初期支護(hù)主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表（MPa） 表6

圖4 正洞下部開挖支護(hù)完成后最大壓應(yīng)力云圖（單位：Pa）

3.5 豎井圍護(hù)樁位移分析

各施工階段豎井圍護(hù)樁的最大變形統(tǒng)計(jì)如表7所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護(hù)完成后的豎井圍護(hù)樁收斂位移計(jì)算云圖，如圖5。

3.6 豎井圍護(hù)樁應(yīng)力分析

各施工階段豎井圍護(hù)樁主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如表8所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護(hù)完成后豎井圍護(hù)樁最大拉應(yīng)力計(jì)算云圖，如圖6。

圖5 橫通道和正洞下部開挖支護(hù)完成后豎井圍護(hù)樁收斂位移云圖（單位：m）

各施工階段圍護(hù)樁最大變形統(tǒng)計(jì)表 表7

圖6 橫通道和正洞下部開挖支護(hù)完成后豎井圍護(hù)樁最大拉應(yīng)力云圖（單位：Pa）

3.7 豎井底對口撐受力分析

各施工階段豎井底對口撐軸向應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如表9所示；限于篇幅，文中只顯示正洞下部開挖支護(hù)完成后的對口撐軸向應(yīng)力計(jì)算云圖，如圖7。

各施工階段圍護(hù)樁主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表（MPa） 表8

圖7 正洞下部開挖支護(hù)完成后對口撐軸向應(yīng)力云圖（Pa）

綜合以上計(jì)算分析結(jié)果可得，橫通道支護(hù)結(jié)構(gòu)、正洞支護(hù)結(jié)構(gòu)以及豎井圍護(hù)樁的變形均遠(yuǎn)小于《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）的要求[5]；橫通道支護(hù)結(jié)構(gòu)、正洞支護(hù)結(jié)構(gòu)、豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及對口支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平均小于混凝土的極限強(qiáng)度，所有結(jié)構(gòu)安全。

各施工階段對口撐軸向應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表（MPa） 表9

4 結(jié)語

截止目前，長沙地鐵3號(hào)線侯家塘站～東塘站區(qū)間渡線暗挖段的施工豎井及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)、橫通道均施工完畢，已進(jìn)入正洞的施工，東塘方向累計(jì)開挖進(jìn)尺45m，候家塘方向累計(jì)開挖進(jìn)尺15m。在施工過程中，實(shí)時(shí)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、橫通道的變形以及正洞的變形進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）的要求，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系安全可控。

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[4]Junru Zhang、Wenge Qiu、Huijian Zhang，F(xiàn)inite element analyze single shell lining based on contact mechanics，Underground Space，WTC-2007：1355-1359.

[5]GB50911-2013，城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.