大斷面地鐵車站隧道初期支護參數優化研究

徐國， 王猛， 高峰， 吳世偉

(1.重慶交通大學 土木建筑學院， 重慶市 400074； 2.中車建設工程有限公司)

1 引言

城市軌道交通建設由于受復雜環境的限制，修建大斷面淺埋暗挖隧道不可避免，也是現代施工技術面臨的巨大挑戰。近年來，重慶地區建設了大量的超大斷面隧道工程，如重慶輕軌3號線與6號線換乘站紅旗河溝站、輕軌2號線臨江門站工程；其中陳林杰、王國欣等研究了超大斷面淺埋暗挖隧道的開挖方法；蔣樹屏、丁改改等進行了大斷面隧道施工方案的優化研究；李明、王亮對淺埋偏壓大斷面隧道時空效應與支護時機進行了研究；鄭瑞永、金洋洋等對深埋隧道錨桿的支護參數進行了優化研究。這些研究主要在隧道施工方法、支護的時空效應和深埋隧道的支護參數優化上，而淺埋暗挖大斷面隧道的支護參數優化研究還非常不足，未形成系統、完善的參數選擇方法，相關標準、規范的參考作用相當有限，再加上工程跨度大、具體工程地質條件和周邊環境的復雜性，所以難以直接套用已建工程的成功經驗，這對于減少工程成本、加快施工進度、節約資源非常不利。因此，對大斷面地鐵車站隧道的支護參數優化進行研究十分必要，該文結合重慶地鐵四號線頭塘車站工程，對大斷面隧道的支護參數進行相關研究。

2 工程概況

頭塘車站暗挖隧道為四號線與九號線換乘車站，是重慶地鐵四號線的核心工程。車站總長237 m，開挖面積大，屬于超大斷面淺埋暗挖隧道。頭塘站為地下3層島式暗挖車站，呈東西向布置軌道交通，四號線與九號線疊島設置，四號線在上，九號線在下，凈寬23.1 m，凈高25.34 m，里程K17+360處于雙層滑裂帶處；車站掌子面巖層為砂質泥巖,車站隧道拱頂覆蓋層厚度20.0～32.4 m，地表人工填土厚度2.1～3.0 m。圍巖級別為Ⅳ級，襯砌內輪廓線為三心圓曲墻，中隔墻采用預留T形巖梁；由于斷面過大，二次襯砌采用由底向上逐漸完成，最終形成整體全環向閉合。

初期支護結構如圖1所示。施工方法：拱部預留T形巖梁狀核心土雙側導坑法施工，具體施工工序見圖2。

施工步驟：

(1) 雙側壁①步開挖，做初期支護。

(2) ①部開挖后底部施加鋼支撐，雙側壁第②、③、④步開挖，做初期支護。

(3) 底部仰拱施作，二次襯砌由底往上進行至第①步開挖邊墻截止處止，二襯與雙側壁已開挖部分的碎石回填同時進行，以免還沒有形成閉合的二襯斷面產生變形。

(4) 進行第⑤、⑥步開挖，施作初期支護。

(5) 第⑦步開挖并施做初期支護，對第⑦步形成的最終隧道拱頂進行加固處理。

(6) 第⑤、⑥、⑦步施做二次襯砌，使二襯斷面形成一個閉合圈。

圖2 施工工序(單位：mm)

3 大斷面地鐵車站隧道初期支護參數優化

3.1 計算模型

(1) 計算假設和邊界條件

① 隧道及圍巖受力和變形是平面應變問題；② 巖體初始應力場僅考慮自重應力；③ 圍巖視為非線性材料，其余均視為彈性材料；④ 允許圍巖邊界有豎直方向的位移，所以左右邊界節點僅定義X方向的節點位移為0；而下邊界節點既不能有水平位移也不能產生豎直位移，所以對下邊界所有節點定義X和Y方向位移均為0。

(2) 計算參數

計算模型選取開挖面具有兩條滑裂帶的斷面K17+360；模型拱頂距上邊界約30 m，底拱距下邊界85 m，左右邊墻分別距左右邊界80 m。鋼支撐和初期支護噴射混凝土采用梁單元，尺寸為1.0 m；錨桿為1D植入式桁架單元，尺寸為1.0 m；錨索采用錨具建模助手建立，智能手動確定錨固長度和張拉長度；二次襯砌采用2D實體單元實現。最終網格劃分見圖3，共8 581個單元。圍巖和支護材料參數見表1。

圖3 模型網格圖

表1 圍巖和支護材料參數

通過數值模擬和監控量測數據對比，兩者結果基本吻合，但是拱頂沉降和凈空收斂與預警值相差較大，支護參數可進一步優化。

3.2 單變量優化分析

單個變量優化就是只允許一個量的變化，從而去對比參數變化所引起結構內力、位移的變化。

3.2.1 錨桿長度間距優化

只限于錨桿長度間距的變化，而錨索間距隨著錨桿間距變化而變化，選取錨索左側長度為21、19、17、15 m，錨固端為8 m；右側長度分別為15、13、11、11 m，錨固端為6 m，鋼拱架間距選1.0 m。根據JTG D70-2004《公路隧道設計規范》錨桿參數，此次模擬計算選取錨桿間距分為1.2 m和1.5 m，錨桿分為邊墻錨桿和拱頂錨桿，邊墻錨桿長度分為2.5、3.0和3.5 m，拱頂錨桿分為3.0、4.0和4.5 m，錨桿間距和長度兩兩對應，一共選取了6個工況(見表2)，各工況的計算結果見表3。

表2 計算工況

由表3可知：

(1) 拱頂沉降位移：錨桿越長，拱頂沉降越小；錨桿長度也不是越長越好，邊墻錨桿從3.0 m增至3.5 m，拱頂錨桿從4.0 m增至4.5 m，沉降位移值沒有什么變化。說明錨桿長度對拱頂圍巖的變形有一定的影響。

表3 不同錨桿長度間距下襯砌受力計算結果

(2) 凈空收斂位移：錨桿越長，凈空收斂值越小；邊墻錨桿從3.0 m增至3.5 m，拱頂錨桿從4.0 m增至4.5 m，當間距為1.5 m時，收斂值并沒有什么影響，但是間距為1.2 m時，收斂值仍在減小。說明錨桿間距對水平圍巖的變形有一定的影響。

(3) 錨桿軸力：① 拱頂處錨桿軸力最大，邊墻錨桿軸力較小，但處于滑裂帶處錨桿軸力也較大；② 邊墻錨桿長度從2.5 m到3.0 m，拱部錨桿長度從3.0 m增至4.0 m時，錨桿軸力有一定程度上的減小，之后再增加錨桿長度，最大軸力值變化趨于平緩，說明隨著錨桿長度的變化，錨桿最大軸力值變化較小。

(4) 錨索軸力：邊墻錨桿長度從2.5 m到3.0 m，拱部錨桿長度從3.0 m增至4.0 m時，錨索軸力有一定程度上的減小，之后再增加錨桿長度，最大軸力值變化趨于平緩，說明隨著錨桿長度的變化，錨索最大軸力值變化較小。

(5) 初支應力：① 初期支護在拱部位置處、滑裂帶處和邊墻底部應力集中處壓應力最大，在錨桿間距1.2 m，邊墻錨桿長度2.5 m，拱部錨桿3.0 m時，邊墻底部最大壓應力達到4.22 MPa；② 隨著錨桿長度增大，初期支護最大壓應力有所減小，但變化很小，說明錨桿長度變化對初期支護壓應力影響不大；初期支護最大拉應力隨著錨桿長度增大而增大。

綜上所述，邊墻錨桿長度為2.5～3.5 m，拱部錨桿長度在范圍內變化時，引起的圍巖位移、初期支護內力和錨桿、錨索軸力變化很小。綜合考慮這些因素，建議邊墻錨桿長度取3.0～3.5 m，拱部錨桿長度建議取4.0～4.5 m。

3.2.2 鋼拱架間距優化分析

只限于鋼拱架間距的變化，將錨桿長度、間距、錨索長度設為不變量，鋼拱架間距就成了唯一變量，這樣可以直接看出鋼拱架間距與洞周支護的關系。

邊墻錨桿長度取3.0 m，拱部錨桿長度取4.0 m，錨桿間距取1.2 m；錨索間距與錨桿一致為1.2 m，左側取長度為21、19、17、15 m，錨固端為8 m；右側取長度分別為15、13、11、11 m，錨固端為6 m。根據JTG D70-2004《公路隧道設計規范》鋼拱架間距參數，模擬計算選取鋼拱架間距分為0.5、0.75、1.0和1.5 m總共4個工況(見表4)，計算結果見表5。

表4 計算工況

由表5可知：

(1) 拱頂沉降位移：鋼拱架間距越大，拱頂沉降越大。說明鋼拱架間距對拱頂圍巖的變形有很大程度的影響。

(2) 凈空收斂：鋼拱架間距從0.5 m增至0.75 m時，凈空收斂增加很明顯，但是從0.75 m增至1.5 m時，收斂值都沒有變化。說明鋼拱架間距對水平圍巖的變形有一定的影響。但是鋼拱架間距過大時，對凈空收斂值幾乎沒有影響。

表5 不同鋼拱架間距下襯砌受力計算結果

(3) 錨桿、錨索軸力：鋼拱架間距越大，錨桿軸力值越大，錨索軸力值也越來越大，當鋼拱架間距為1.0 m和1.5 m時，錨索軸力幾乎不變。說明鋼拱架間距對錨桿和錨索軸力有一定的影響。但是鋼拱架間距過大時，對其軸力值影響較小。

(4) 初期支護應力：鋼拱架間距越大，初期支護拉應力、壓應力值越小。說明鋼拱架間距對初期支護應力有很大程度的影響。

綜上所述，鋼拱架間距為0.75～1.5 m時，引起的圍巖位移、初期支護內力和錨桿、錨索軸力變化較小。再綜合考慮其他因素，建議鋼拱架間距宜取1.0～1.5 m。

3.3 綜合優化分析

綜合優化分析是考慮了錨桿長度和間距、鋼拱架間距、錨索長度這4個變量約束的優化，從而對比每種工況所引起結構內力、位移、塑性區、造價的變化。

根據規范給出的初期支護參數，模擬計算選取錨桿長度和間距、鋼拱架間距每個約束優化兩個參數，錨索長度優化一個參數，組合共得16種工況，從中選取6個典型工況(表6)，進行模擬計算，對模擬結果進行分析對比，各工況的計算結果見表7、圖4、5。

由表7、圖4、5可以看出：

(1) 拱頂沉降，工況5較大，其余工況都比較小。

(2) 凈空收斂，工況1、5、6較大，工況2、3、4都比較小。

表6 計算工況

表7 不同工況下各影響因素關系

圖4 不同工況拱頂沉降圖

圖5 不同工況凈空收斂圖

(3) 錨桿軸力，分為滑裂帶和非滑裂帶，滑裂帶處除工況5軸力較大外，其余工況都較小，非滑裂帶各工況軸力都相差不大。

(4) 錨索軸力，錨索間距為1.2 m(工況1，3，5)時錨索的軸力普遍小于間距為1.5 m(工況2，4，6)，可知錨索間距越大，軸力越大。

(5) 初期支護軸力和剪力，各工況相差均不大，各參數的變化對其影響較小。

(6) 塑性區，只有工況5數值較大，其余工況相差不大且均較小。

(7) 造價方面，工況2、3、6較小，工況1、4、5造價較高。

綜合優化分析：從造價來看，工況2、3和工況6造價較低，適合在這3種工況中選擇；再從安全的角度考慮，結合前文對比分析，得出工況3是最優的設計參數。

4 結論

通過計算分析，對大斷面地鐵車站隧道初期支護參數優化研究，得出以下結論:

(1) 通過單變量優化分析，從技術和經濟方面比較，分別給出了錨桿間距和長度、鋼拱架間距單個量變化的情況下合理的大斷面隧道襯砌支護參數，體現出支護參數的改變對隧道開挖穩定性的影響。

(2) 在錨桿長度和間距、鋼拱架間距、錨索長度這4個因素綜合考慮的情況下，對比了6組典型支護參數的受力與變形，得出該隧道的最優初期支護參數方案(工況3)，不僅從經濟上減少了成本，也從技術上保證了施工安全。所得成果可為類似工程提供依據。