基于數值分析的區間渡線段隧道變截面施工方案比選

付軍恩

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300）

1 引言

隨著我國城市地鐵網的不斷完善，各種滿足不同使用功能的復雜大跨度地下結構形式，以及合分修設計在城市地鐵建設中被越來越多使用［1］。將隧道由原來合修的單洞轉換到分開修建的雙洞，兩段之間必須采用合適的過渡段［2-4］。過渡段一般采用漸變方式，其斷面尺寸遠大于普通隧道段，結構復雜；且當隧道穿過巖層條件較差的地段時，導致其施工難度及安全風險顯著增加。城市地鐵隧道施工有嚴格的變形控制要求［5］，選擇合理的施工方案和工程輔助措施尤為重要［6-8］。本文依托沈陽地鐵9號線奧體中心站 奧體東站區間渡線段，探討區間渡線段隧道變截面的施工方案。

沈陽地鐵9號線奧體中心站 奧體東站區間右線DK23+655和DK24+163.356處分別設置1、2號施工豎井。其中2號豎井設置在區間渡線處，主要為減小渡線處礦山法大斷面施工風險。根據工程設計文件，區間右線自2號橫通道向奧體東站走向，渡線隧道自2號橫通道向東偏南走向，在隧道向東走向放線延長14.575 m，與區間右線隧道交匯合并成大斷面施工。圖1給出了2號橫通道、渡線隧道和區間隧道的平面位置關系。

圖1 工程區間結構平面

如何保障斷面轉換區間的施工安全與施工質量是本區間工程的重難點［9］。為保障過渡段的施工，必須在施工中重點考慮應力狀態的變化及洞室之間的相互影響［10-12］。因此，研究區間渡線段隧道變截面施工方案，對降低施工風險、提高施工效率具有重要意義。

2 渡線段隧道變截面施工分析

該區間段工程施工有兩種施工方案。方案一:從2號橫通道向奧體東站方向施工；方案二:從奧體東站向2號橫通道施工（見圖2）。

在從2號橫通道向奧體東站施工方案中，區間右線隧道和渡線隧道向東施工，在設計位置交匯，然后向東隧道截面逐步減小施工至奧體東站。該方案區間右線隧道和渡線隧道在逐漸合并過程中，按照計算挑高和坡度逐步放大截面施工，直至設計合并截面處，涉及到4次縮小隧道截面的施工過程。從奧體東站向2號橫通道施工，同樣涉及到4次隧道擴大截面的施工，直至區間右線和渡線隧道分離處，總體上施工難度較大。

圖2 渡線段隧道變截面施工方案

根據區間隧道凈跨、所處的地層情況、結構斷面形式，暗挖隧道存在11種斷面形式，20多處斷面變化點，采用三種工法施工，即臺階法、CRD法、雙側壁導坑法。根據工程總體施工部署的施工順序可知，按大小方向，斷面轉換分為兩類:一類是由大斷面向小斷面的過渡轉換；另一類是由小斷面向大斷面的過渡轉換。根據目前相關研究成果和工程經驗，隧道從小截面向大截面施工難度大、施工風險高；在大截面隧道上進行小截面隧道的施工相對容易。因此渡線段隧道變截面施工中，施工方案一經歷1次隧道截面小到大、4次隧道截面大到小的施工；施工方案二經歷1次隧道截面大到小，4次隧道截面小到大的施工。綜合比較可知施工方案二在施工中整體上的實施難度和操作難度大于施工方案一，但是施工方案一在渡線隧道和區間右線隧道合并處涉及到兩個小截面隧道合并成一個大截面隧道的問題，是整個渡線段施工的重難點，值得深入研究分析。

3 數值模擬分析

為了更好地研究不同隧道施工方案對圍巖和支護結構穩定性的影響，借助數值模擬的手段對兩種方案的施工進行仿真分析，并對結果進行對比，進而確定合理的施工方案。

圖3 三維有限元模型

3.1 模型建立

采用Midas GTS／NX巖土有限元軟件對沈陽地鐵9號線十六標段2號橫通道渡線段隧道變截面施工進行數值模擬分析。圖3為三維有限元模型，其中2號橫通道向奧體東站方向為X軸正方向，垂直線路走向為Y軸方向，豎直方向為Z軸方向。模型在X軸、Y軸、Z軸方向上的尺寸分別為27.7 m、50 m、27 m。地層土體材料以摩爾-庫倫本構模型進行定義，地層為砂礫復合地層屬性，采用3D網格進行劃分。豎井、橫通道和區間隧道的襯砌（厚度為30 cm）采用板單元進行模擬，2D網格進行劃分。模型材料的屬性見表1。

表1 模型材料屬性參數

3.2 施工步驟模擬

對兩種施工方案的施工過程進行數值模擬。施工方案一為從2號橫通道向奧體東站施工；施工方案二為從奧體東站向2號橫通道施工。施工方案一數值模擬步驟為:

第1步:在地層、豎井和橫通道襯砌激活的狀態下進行位移清零，模擬施工前地層沉降狀態。

第2步:橫通道對應區間右線隧道上臺階部分襯砌破除，區間右線隧道的一次開挖進尺為1 m，鈍化（殺死）右線隧道第一次開挖的土體單元。

第3步:在上步驟中開挖出的輪廓面上架設型鋼鋼架并進行初噴支護，即激活對應位置的型鋼鋼架單元和初襯單元。同時進行第二次土體開挖，即鈍化（殺死）右線隧道上臺階的第二次開挖土體單元。

第4步:在右線隧道第二次開挖出的土體輪廓面上架設型鋼鋼架并進行初噴支護，激活對應位置的型鋼鋼架單元和初襯單元。同時進行第三次土體開挖，即鈍化（殺死）右線隧道的第三次開挖土體單元。

重復以上步驟。當進行到第6步驟時，右線隧道已經開挖5 m，同時開始右線隧道下臺階的施工。

當進行到第11步驟時，開始進行橫通道對應渡線隧道部分襯砌的破除并進行渡線隧道上臺階的施工。當施工進行到第16步驟，進行渡線下臺階隧道的施工。

大截面隧道采用雙側壁導坑法進行施工。區間右線隧道上臺階施工至渡線隧道與區間右線隧道設計合并處轉右側壁上導坑施工；區間右線隧道下臺階施工至設計位置轉右側壁下導坑施工。渡線隧道上臺階施工至設計位置轉左側壁上導坑施工；渡線隧道下臺階施工至設計位置轉左側壁下導坑施工。

施工方案二先進行大斷面隧道施工，采用雙側壁導坑法，施工工序見圖4。當先行導坑施工至變截面設計處轉區間右線隧道或渡線隧道的上下臺階施工。

圖4 大截面隧洞導坑施工順序

4 數值模擬結果分析

4.1 襯砌結構沉降位移分析

圖5給出了施工方案一和施工方案二施工完成后隧道襯砌的沉降位移云圖。根據圖5可知施工方案一和施工方案二造成襯砌的最大沉降位置均發生在大截面隧道的拱頂處。施工方案一襯砌產生沉降的區域比施工方案二稍大，但是施工方案二襯砌的最大沉降量為-4.15 mm，大于施工方案一產生的最大沉降量-3.63 mm。施工方案一和施工方案二均會造成大截面隧道仰拱產生一定量的隆起，隆起量分別為3.25 mm和3.20 mm，相差不大。對比襯砌沉降位移云圖可知，施工方案二中仰拱的隆起主要發生在中導坑下臺階處；而施工方案一中雙側壁下導坑的仰拱也產生一定量的隆起。

圖5 隧道襯砌沉降位移云圖

對大截面隧道的拱頂提取測點測量值進行沉降位移分析。測點提取位置見圖6所示。圖7給出了施工方案一和施工方案二中測點的沉降趨勢圖。根據圖7可知，在施工方案一和施工方案二中，中導坑上臺階的施工造成的沉降占據了仰拱沉降的大部分；施工方案二中由于導坑的施工和右線隧道或渡線隧道一起施工的原因造成的沉降比施工方案一大。

圖6 測點提取位置

圖7 測點沉降趨勢圖

4.2 夾土層圍巖位移變形分析

渡線隧道和區間右線隧道在合并施工的過程中，兩隧道間距越來越小，隧道間軟弱夾土層的穩定性受到影響。圖8為兩種施工方案完成后隧道圍巖的位移變形云圖。

圖8 隧道圍巖位移變形云圖

根據圖8對比分析可知，橫通道和大截面隧道間圍巖上部發生的沉降變形較小，下部圍巖發生的變形較大。施工方案一造成夾土層變形量一般在0～2.18 mm之間；施工方案二造成夾土層變形量一般在0～2.49 mm之間，且對于沉降面積，施工方案二大于施工方案一，說明施工方案二造成夾土層的變形影響較大。

圖9給出了施工方案一和施工方案二相同塑性指標下的塑性區分布。根據圖9可知施工方案二的圍巖塑性區明顯大于施工方案一的圍巖塑性區，施工方案二的右線隧道和左線隧道間的軟弱夾土層的變形區域比施工方案一大，由此說明施工方案一能更好地保持隧道間軟弱夾土層的穩定。

圖9 圍巖塑性區分布

4.3 襯砌結構應力分析

圖10和圖11分別給出了施工方案一和施工方案二施工完成后襯砌的主應力分布云圖。根據圖10和圖11對比可知，施工方案一和施工方案二造成襯砌的最大主應力分別為3.722 MPa和4.495 MPa，最大主應力均分布在變截面處大截面隧道拱頂位置。施工方案一和施工方案二的最小主應力分別為-6.977 MPa和-6.282 MPa，相差不大。施工方案一和施工方案二的右線隧道拱腰位置最小主應力最大。綜合分析可知施工方案一和施工方案二造成最大主應力和最小主應力的差別并不大，控制應力分布的大小和位置均較為相似。

圖10 施工方案一施工完成襯砌主應力分布云圖

圖11 施工方案二施工完成襯砌主應力分布云圖

綜上分析可知施工方案一在對隧道襯砌的沉降控制和圍巖變形的控制上均優于施工方案二，即區間右線隧道和渡線隧道合并的過程中，優先選用從橫通道向大截面隧道施工的方案。結合大截面隧道4次變截面施工可知，施工方案一需進行4次大轉小截面施工；施工方案二需進行4次小轉大截面施工。綜合比較施工方案一優于施工方案二。

5 結論

本章以沈陽地鐵9號線十六標段2號豎井橫通道至右線DK24+233.956奧體東站車站中間的單渡線隧道施工為工程背景，通過理論分析和數值模擬，優化了單渡線隧道施工方案，研究了單渡線隧道和區間右線隧道由雙線雙洞大斷面小凈距隧道處合并成大截面單洞隧道開啟單渡線段隧道的施工對策，得出了以下結論:

（1）針對沈陽地鐵9號線十六標段2號豎井橫通道至右線DK24+233.956奧體東站車站中間的單渡線隧道的工程概況，提出了施工方案一“從2號橫通道向奧體東站方向施工”和施工方案二“從奧體東站向2號橫通道施工”兩種施工方案。施工方案一經歷1次隧道截面小到大、4次隧道截面大到小的施工；施工方案二經歷1次隧道截面大到小，4次隧道截面小到大的施工。綜合比較可知施工方案二在施工中整體上的實施難度和操作難度大于施工方案一。

（2）通過數值模擬兩種施工方案發現，施工方案一和施工方案二造成襯砌的最大沉降位置均發生在大截面隧道的拱頂處，施工方案一產生的最大沉降量-3.63 mm，施工方案二造成襯砌的最大沉降量為-4.15 mm。通過對比兩種施工方案引起的圍巖變形量發現，采用施工方案一開挖施工時，夾土層最大變形量為2.18 mm，而施工方案二則達到2.49 mm，且施工方案二沉降量大的區域面積大于施工方案一。施工方案一在對隧道襯砌的沉降控制和圍巖變形的控制上均優于施工方案二。