淺埋暗挖地鐵站不同施工方案分析研究摘 要:利用FLAC3D對廣州地鐵5號線小北站大跨淺埋暗挖站廳隧道進行多種施工方案的模擬,通過對比隧道在不同方案下的施工效應,選擇較優的方案進行施工,從而為實際工程問題提供較為合理的優化施工方案。關鍵詞:淺埋暗挖,隧道,施工方案0 引言 小北站是廣州市軌道交通5號線的中間站,上承廣州火車站,下接淘金站,為明、暗挖結合的3層分離島式地鐵車站。站址位于環市中路下方,西臨環市中路與下塘西路、小北路交叉口,周邊環境復雜,需要對開挖引起的圍巖變形進行嚴格控制。隧道埋深5.4 m,由勘察所揭露的地下水水位埋藏較淺,穩定水位埋深為0.15 m~6.20 m,平均埋深3.25 m。車站結構按抗震基本烈度為7度設防。車站結構按設計使用年限100年的要求進行耐久性設計。站廳隧道開挖斷面寬9.9 m,高11 m。由于地處繁華市區,要保護好車站周邊的環境,保證施工安全和質量,就必須探索超淺埋大跨隧道的合理施工方案。1 施工方案和支護1.1 施工方案 針對站廳隧道埋深淺、跨徑大和開挖橫斷面大的特點,現將面積約為108.9 m2的站廳隧道橫斷面分成9個導洞進行開挖。通過改變不同導洞的開挖順序來模擬在不同方案下的施工效應。 3種方案隧道每步開挖進尺均為1 m。這里采用的開挖臺階為短臺階法,按照不同方案中各導洞對應的工序位置,在后一個工序中開挖的導洞滯后前一個工序中開挖導洞4 m,依次類推,從而形成開挖臺階。 方案1(依次挖):左線站臺隧道→右線站臺隧道→聯絡通道→下直通道→站廳隧道→上直通道→斜通道; 方案2(對挖):左線站臺隧道與右線站臺隧道同時相對挖→聯絡通道→下直通道→站廳隧道→上直通道→斜通道; 方案3(平行挖):左線站臺隧道與右線站臺隧道同時平行挖→聯絡通道→下直通道→站廳隧道→上直通道→斜通道。1.2 支護設置 支護結構有臨時支撐、初期支護、二襯、超前小導管注漿和超前大管棚注漿加固。在利用FLAC3D軟件模擬的過程中,采用六面體單元模擬圍巖,用梁單元(beam)模擬大管棚加固和鋼拱架臨時支撐,初噴混凝土、二襯簡化為理想線彈性模型的六面體單元,采用cable單元模擬錨桿加固左右側墻圍巖。計算分析中,采用摩爾—庫侖破壞準則。根據實際工程設計,各隧道斷面的加固方式與支護形式見圖1,圖2。2 計算模型 圖3為簡化處理后的三維計算模型,模型共包含實體單元131 282個,結構單元2 923個。模型長48 m,寬100 m,高61.5 m。假設地表為水平,除地表平面為自由平面外,模型的其他5個面均為約束法向位移。初始應力場為自重應力場,不考慮構造應力作用。計算中考慮地表汽車荷載,按汽—20標準。
3 施工效應 施工效應包括受力分析和變形分析,在這里主要對隧道開挖后的變形進行分析。變形分析包括地表沉降和隧道變形。在隧道的進尺方向,從洞口開始共均勻布置了11個觀測點。另外,對隧道的塑性破壞區進行統計分析。通過對地表沉降、隧道變形和塑性區破壞的程度來選擇較為合理的施工方案。3.1 地表施工效應分析3.1.1 地表沉降 從地表的形變來看,左右線站臺隧道的中間部位是沉降最大區域,尤其是在經過下直通道、斜通道和上直通道上方的地表沉降量大。此區域的地表沉降受到多條隧道開挖的影響,包括左右線站臺隧道、聯絡通道下直通道,其擾動次數多,形變有疊加效應。站廳隧道相比其他隧道斷面要大,埋深要淺,拱頂距離地表僅有5 m,屬于超淺埋大跨徑暗挖隧道,在其上方的地表沉降值較大。3.1.2 沉降槽 沉降槽能夠直接反映隧道開挖后上部圍巖受影響的范圍。在實際工程中,城市地鐵上部結構物多,隧道開挖延伸到地表的影響范圍成為了一個重要的關注點。現選擇隧道中的一個斷面來反映整個隧道在橫截面方向上的沉降槽的情況。 圖4表明,3種方案得到的橫斷面沉降槽曲線均比較吻合1969年派克(Peck)教授提出的假設:地面沉降曲線的形狀與正態分布曲線相同。就沉降槽的寬度來說,方案1最大,方案2居中,方案3最小。3.2 隧道變形 隧道開挖后周邊圍巖的穩定情況和支護的穩定情況由隧道周邊圍巖和支護的受力大小和形變大小決定,反映到隧道的變形方面則更為直接。通過對拱頂下沉、仰拱底鼓和左右邊墻的水平位移來分析3種施工方案下隧道變形情況。 比較分析隧道開挖后的變形可知,在方案1的工序下,隧道產生的絕對地表沉降達到了2.9 cm,在隧道的豎直方向上,隧道的尺寸向洞內收縮的最大值為88.1 mm,平均值為54.4 mm;在隧道的水平方向上,隧道的尺寸向洞內收縮的最大值為10.7 mm,平均值為9.2 mm。而方案3產生的絕對地表沉降則僅有6 mm,隧道在豎直方向上尺寸收縮最大值為52.6 mm,平均值為28.3 mm;在水平方向上尺寸收縮最大值為9 mm,平均值為7.6 mm。3.3 圍巖塑性區 在塑性區域內應力超過了屈服強度,就會發生塑性流動。其破壞機制有兩種:剪切破壞和拉伸破壞。在開挖擾動區域,應力的重分布和形變的產生是同時的。一部分圍巖或者土體在應力重分布的過程中發生了破壞,這種破壞的區域和強度越大,說明其開挖所產生的擾動越大,那么其方案就越傾向于不合理。4 結語 1)通過對3種施工方案的模擬分析,方案1先開挖中導洞再開挖兩側導洞所引起的地表沉降最大,沉降槽的寬度最寬,隧道變形最大,發生塑性破壞的區域最大。方案3先開挖兩側導洞再開挖中導洞所引起的地表沉降最小,隧道變形最小,沉降槽的寬度最小,發生塑性破壞的區域最小。方案2采用從上往下的開挖方式引起的各項指標在方案1與方案3之間。從施工對圍巖的擾動和變形分析比較,方案3為優選方案。 2)以上結論是在沒有考慮到地下水作用和爆破震動作用的條件下得出的。關于地下水作用和爆破所引起的震動荷載作用,則有待進一步的研究。參考文獻:[1]黃茂松,張宏博,陸榮欣.淺埋隧道施工對建筑物樁基的影響分析[J].巖土力學,2006(8):1879-1883.[2]GB 50157-2003,地鐵設計規范[S].[3]JTG D70-2004,公路隧道設計規范[S].[4]陳揚勛.城市地下洞群施工對周邊環境影響規律研究[D].北京:北京交通大學,2008.[5]王暖堂.城市地鐵復雜洞群淺埋暗挖法的有限元模擬[J].巖土力學,2001(12):504-508.[6]趙鐵民.北京某地鐵站改造工程土方和護坡施工方案[J].山西建筑,2007,33(32):112-113.
3 施工效應 施工效應包括受力分析和變形分析,在這里主要對隧道開挖后的變形進行分析。變形分析包括地表沉降和隧道變形。在隧道的進尺方向,從洞口開始共均勻布置了11個觀測點。另外,對隧道的塑性破壞區進行統計分析。通過對地表沉降、隧道變形和塑性區破壞的程度來選擇較為合理的施工方案。3.1 地表施工效應分析3.1.1 地表沉降 從地表的形變來看,左右線站臺隧道的中間部位是沉降最大區域,尤其是在經過下直通道、斜通道和上直通道上方的地表沉降量大。此區域的地表沉降受到多條隧道開挖的影響,包括左右線站臺隧道、聯絡通道下直通道,其擾動次數多,形變有疊加效應。站廳隧道相比其他隧道斷面要大,埋深要淺,拱頂距離地表僅有5 m,屬于超淺埋大跨徑暗挖隧道,在其上方的地表沉降值較大。3.1.2 沉降槽 沉降槽能夠直接反映隧道開挖后上部圍巖受影響的范圍。在實際工程中,城市地鐵上部結構物多,隧道開挖延伸到地表的影響范圍成為了一個重要的關注點。現選擇隧道中的一個斷面來反映整個隧道在橫截面方向上的沉降槽的情況。 圖4表明,3種方案得到的橫斷面沉降槽曲線均比較吻合1969年派克(Peck)教授提出的假設:地面沉降曲線的形狀與正態分布曲線相同。就沉降槽的寬度來說,方案1最大,方案2居中,方案3最小。3.2 隧道變形 隧道開挖后周邊圍巖的穩定情況和支護的穩定情況由隧道周邊圍巖和支護的受力大小和形變大小決定,反映到隧道的變形方面則更為直接。通過對拱頂下沉、仰拱底鼓和左右邊墻的水平位移來分析3種施工方案下隧道變形情況。 比較分析隧道開挖后的變形可知,在方案1的工序下,隧道產生的絕對地表沉降達到了2.9 cm,在隧道的豎直方向上,隧道的尺寸向洞內收縮的最大值為88.1 mm,平均值為54.4 mm;在隧道的水平方向上,隧道的尺寸向洞內收縮的最大值為10.7 mm,平均值為9.2 mm。而方案3產生的絕對地表沉降則僅有6 mm,隧道在豎直方向上尺寸收縮最大值為52.6 mm,平均值為28.3 mm;在水平方向上尺寸收縮最大值為9 mm,平均值為7.6 mm。3.3 圍巖塑性區 在塑性區域內應力超過了屈服強度,就會發生塑性流動。其破壞機制有兩種:剪切破壞和拉伸破壞。在開挖擾動區域,應力的重分布和形變的產生是同時的。一部分圍巖或者土體在應力重分布的過程中發生了破壞,這種破壞的區域和強度越大,說明其開挖所產生的擾動越大,那么其方案就越傾向于不合理。4 結語 1)通過對3種施工方案的模擬分析,方案1先開挖中導洞再開挖兩側導洞所引起的地表沉降最大,沉降槽的寬度最寬,隧道變形最大,發生塑性破壞的區域最大。方案3先開挖兩側導洞再開挖中導洞所引起的地表沉降最小,隧道變形最小,沉降槽的寬度最小,發生塑性破壞的區域最小。方案2采用從上往下的開挖方式引起的各項指標在方案1與方案3之間。從施工對圍巖的擾動和變形分析比較,方案3為優選方案。 2)以上結論是在沒有考慮到地下水作用和爆破震動作用的條件下得出的。關于地下水作用和爆破所引起的震動荷載作用,則有待進一步的研究。參考文獻:[1]黃茂松,張宏博,陸榮欣.淺埋隧道施工對建筑物樁基的影響分析[J].巖土力學,2006(8):1879-1883.[2]GB 50157-2003,地鐵設計規范[S].[3]JTG D70-2004,公路隧道設計規范[S].[4]陳揚勛.城市地下洞群施工對周邊環境影響規律研究[D].北京:北京交通大學,2008.[5]王暖堂.城市地鐵復雜洞群淺埋暗挖法的有限元模擬[J].巖土力學,2001(12):504-508.[6]趙鐵民.北京某地鐵站改造工程土方和護坡施工方案[J].山西建筑,2007,33(32):112-113.
