淺埋暗挖地鐵站不同施工方案分析研究摘 要:利用FLAC3D對(duì)廣州地鐵5號(hào)線小北站大跨淺埋暗挖站廳隧道進(jìn)行多種施工方案的模擬,通過(guò)對(duì)比隧道在不同方案下的施工效應(yīng),選擇較優(yōu)的方案進(jìn)行施工,從而為實(shí)際工程問(wèn)題提供較為合理的優(yōu)化施工方案。關(guān)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(hào)線的中間站,上承廣州火車(chē)站,下接淘金站,為明、暗挖結(jié)合的3層分離島式地鐵車(chē)站。站址位于環(huán)市中路下方,西臨環(huán)市中路與下塘西路、小北路交叉口,周邊環(huán)境復(fù)雜,需要對(duì)開(kāi)挖引起的圍巖變形進(jìn)行嚴(yán)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(wěn)定水位埋深為0.15 m~6.20 m,平均埋深3.25 m。車(chē)站結(jié)構(gòu)按抗震基本烈度為7度設(shè)防。車(chē)站結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)使用年限100年的要求進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。站廳隧道開(kāi)挖斷面寬9.9 m,高11 m。由于地處繁華市區(qū),要保護(hù)好車(chē)站周邊的環(huán)境,保證施工安全和質(zhì)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(hù)1.1 施工方案 針對(duì)站廳隧道埋深淺、跨徑大和開(kāi)挖橫斷面大的特點(diǎn),現(xiàn)將面積約為108.9 m2的站廳隧道橫斷面分成9個(gè)導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖。通過(guò)改變不同導(dǎo)洞的開(kāi)挖順序來(lái)模擬在不同方案下的施工效應(yīng)。 3種方案隧道每步開(kāi)挖進(jìn)尺均為1 m。這里采用的開(kāi)挖臺(tái)階為短臺(tái)階法,按照不同方案中各導(dǎo)洞對(duì)應(yīng)的工序位置,在后一個(gè)工序中開(kāi)挖的導(dǎo)洞滯后前一個(gè)工序中開(kāi)挖導(dǎo)洞4 m,依次類(lèi)推,從而形成開(kāi)挖臺(tái)階。 方案1(依次挖):左線站臺(tái)隧道→右線站臺(tái)隧道→聯(lián)絡(luò)通道→下直通道→站廳隧道→上直通道→斜通道; 方案2(對(duì)挖):左線站臺(tái)隧道與右線站臺(tái)隧道同時(shí)相對(duì)挖→聯(lián)絡(luò)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(tái)隧道與右線站臺(tái)隧道同時(shí)平行挖→聯(lián)絡(luò)通道→下直通道→站廳隧道→上直通道→斜通道。1.2 支護(hù)設(shè)置 支護(hù)結(jié)構(gòu)有臨時(shí)支撐、初期支護(hù)、二襯、超前小導(dǎo)管注漿和超前大管棚注漿加固。在利用FLAC3D軟件模擬的過(guò)程中,采用六面體單元模擬圍巖,用梁?jiǎn)卧?beam)模擬大管棚加固和鋼拱架臨時(shí)支撐,初噴混凝土、二襯簡(jiǎn)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(cè)墻圍巖。計(jì)算分析中,采用摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì),各隧道斷面的加固方式與支護(hù)形式見(jiàn)圖1,圖2。2 計(jì)算模型 圖3為簡(jiǎn)化處理后的三維計(jì)算模型,模型共包含實(shí)體單元131 282個(gè),結(jié)構(gòu)單元2 923個(gè)。模型長(zhǎng)48 m,寬100 m,高61.5 m。假設(shè)地表為水平,除地表平面為自由平面外,模型的其他5個(gè)面均為約束法向位移。初始應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng),不考慮構(gòu)造應(yīng)力作用。計(jì)算中考慮地表汽車(chē)荷載,按汽—20標(biāo)準(zhǔn)。
3 施工效應(yīng) 施工效應(yīng)包括受力分析和變形分析,在這里主要對(duì)隧道開(kāi)挖后的變形進(jìn)行分析。變形分析包括地表沉降和隧道變形。在隧道的進(jìn)尺方向,從洞口開(kāi)始共均勻布置了11個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。另外,對(duì)隧道的塑性破壞區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)對(duì)地表沉降、隧道變形和塑性區(qū)破壞的程度來(lái)選擇較為合理的施工方案。3.1 地表施工效應(yīng)分析3.1.1 地表沉降 從地表的形變來(lái)看,左右線站臺(tái)隧道的中間部位是沉降最大區(qū)域,尤其是在經(jīng)過(guò)下直通道、斜通道和上直通道上方的地表沉降量大。此區(qū)域的地表沉降受到多條隧道開(kāi)挖的影響,包括左右線站臺(tái)隧道、聯(lián)絡(luò)通道下直通道,其擾動(dòng)次數(shù)多,形變有疊加效應(yīng)。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(kāi)挖后上部圍巖受影響的范圍。在實(shí)際工程中,城市地鐵上部結(jié)構(gòu)物多,隧道開(kāi)挖延伸到地表的影響范圍成為了一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)。現(xiàn)選擇隧道中的一個(gè)斷面來(lái)反映整個(gè)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(shè):地面沉降曲線的形狀與正態(tài)分布曲線相同。就沉降槽的寬度來(lái)說(shuō),方案1最大,方案2居中,方案3最小。3.2 隧道變形 隧道開(kāi)挖后周邊圍巖的穩(wěn)定情況和支護(hù)的穩(wěn)定情況由隧道周邊圍巖和支護(hù)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(guò)對(duì)拱頂下沉、仰拱底鼓和左右邊墻的水平位移來(lái)分析3種施工方案下隧道變形情況。 比較分析隧道開(kāi)挖后的變形可知,在方案1的工序下,隧道產(chǎn)生的絕對(duì)地表沉降達(dá)到了2.9 cm,在隧道的豎直方向上,隧道的尺寸向洞內(nèi)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(nèi)收縮的最大值為10.7 mm,平均值為9.2 mm。而方案3產(chǎn)生的絕對(duì)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(qū) 在塑性區(qū)域內(nèi)應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度,就會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)。其破壞機(jī)制有兩種:剪切破壞和拉伸破壞。在開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)域,應(yīng)力的重分布和形變的產(chǎn)生是同時(shí)的。一部分圍巖或者土體在應(yīng)力重分布的過(guò)程中發(fā)生了破壞,這種破壞的區(qū)域和強(qiáng)度越大,說(shuō)明其開(kāi)挖所產(chǎn)生的擾動(dòng)越大,那么其方案就越傾向于不合理。4 結(jié)語(yǔ) 1)通過(guò)對(duì)3種施工方案的模擬分析,方案1先開(kāi)挖中導(dǎo)洞再開(kāi)挖兩側(cè)導(dǎo)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(fā)生塑性破壞的區(qū)域最大。方案3先開(kāi)挖兩側(cè)導(dǎo)洞再開(kāi)挖中導(dǎo)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(fā)生塑性破壞的區(qū)域最小。方案2采用從上往下的開(kāi)挖方式引起的各項(xiàng)指標(biāo)在方案1與方案3之間。從施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)和變形分析比較,方案3為優(yōu)選方案。 2)以上結(jié)論是在沒(méi)有考慮到地下水作用和爆破震動(dòng)作用的條件下得出的。關(guān)于地下水作用和爆破所引起的震動(dòng)荷載作用,則有待進(jìn)一步的研究。參考文獻(xiàn):[1]黃茂松,張宏博,陸榮欣.淺埋隧道施工對(duì)建筑物樁基的影響分析[J].巖土力學(xué),2006(8):1879-1883.[2]GB 50157-2003,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[3]JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[4]陳揚(yáng)勛.城市地下洞群施工對(duì)周邊環(huán)境影響規(guī)律研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.[5]王暖堂.城市地鐵復(fù)雜洞群淺埋暗挖法的有限元模擬[J].巖土力學(xué),2001(12):504-508.[6]趙鐵民.北京某地鐵站改造工程土方和護(hù)坡施工方案[J].山西建筑,2007,33(32):112-113.
3 施工效應(yīng) 施工效應(yīng)包括受力分析和變形分析,在這里主要對(duì)隧道開(kāi)挖后的變形進(jìn)行分析。變形分析包括地表沉降和隧道變形。在隧道的進(jìn)尺方向,從洞口開(kāi)始共均勻布置了11個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。另外,對(duì)隧道的塑性破壞區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)對(duì)地表沉降、隧道變形和塑性區(qū)破壞的程度來(lái)選擇較為合理的施工方案。3.1 地表施工效應(yīng)分析3.1.1 地表沉降 從地表的形變來(lái)看,左右線站臺(tái)隧道的中間部位是沉降最大區(qū)域,尤其是在經(jīng)過(guò)下直通道、斜通道和上直通道上方的地表沉降量大。此區(qū)域的地表沉降受到多條隧道開(kāi)挖的影響,包括左右線站臺(tái)隧道、聯(lián)絡(luò)通道下直通道,其擾動(dòng)次數(shù)多,形變有疊加效應(yīng)。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(kāi)挖后上部圍巖受影響的范圍。在實(shí)際工程中,城市地鐵上部結(jié)構(gòu)物多,隧道開(kāi)挖延伸到地表的影響范圍成為了一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)。現(xiàn)選擇隧道中的一個(gè)斷面來(lái)反映整個(gè)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(shè):地面沉降曲線的形狀與正態(tài)分布曲線相同。就沉降槽的寬度來(lái)說(shuō),方案1最大,方案2居中,方案3最小。3.2 隧道變形 隧道開(kāi)挖后周邊圍巖的穩(wěn)定情況和支護(hù)的穩(wěn)定情況由隧道周邊圍巖和支護(hù)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(guò)對(duì)拱頂下沉、仰拱底鼓和左右邊墻的水平位移來(lái)分析3種施工方案下隧道變形情況。 比較分析隧道開(kāi)挖后的變形可知,在方案1的工序下,隧道產(chǎn)生的絕對(duì)地表沉降達(dá)到了2.9 cm,在隧道的豎直方向上,隧道的尺寸向洞內(nèi)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(nèi)收縮的最大值為10.7 mm,平均值為9.2 mm。而方案3產(chǎn)生的絕對(duì)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(qū) 在塑性區(qū)域內(nèi)應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度,就會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)。其破壞機(jī)制有兩種:剪切破壞和拉伸破壞。在開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)域,應(yīng)力的重分布和形變的產(chǎn)生是同時(shí)的。一部分圍巖或者土體在應(yīng)力重分布的過(guò)程中發(fā)生了破壞,這種破壞的區(qū)域和強(qiáng)度越大,說(shuō)明其開(kāi)挖所產(chǎn)生的擾動(dòng)越大,那么其方案就越傾向于不合理。4 結(jié)語(yǔ) 1)通過(guò)對(duì)3種施工方案的模擬分析,方案1先開(kāi)挖中導(dǎo)洞再開(kāi)挖兩側(cè)導(dǎo)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(fā)生塑性破壞的區(qū)域最大。方案3先開(kāi)挖兩側(cè)導(dǎo)洞再開(kāi)挖中導(dǎo)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(fā)生塑性破壞的區(qū)域最小。方案2采用從上往下的開(kāi)挖方式引起的各項(xiàng)指標(biāo)在方案1與方案3之間。從施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)和變形分析比較,方案3為優(yōu)選方案。 2)以上結(jié)論是在沒(méi)有考慮到地下水作用和爆破震動(dòng)作用的條件下得出的。關(guān)于地下水作用和爆破所引起的震動(dòng)荷載作用,則有待進(jìn)一步的研究。參考文獻(xiàn):[1]黃茂松,張宏博,陸榮欣.淺埋隧道施工對(duì)建筑物樁基的影響分析[J].巖土力學(xué),2006(8):1879-1883.[2]GB 50157-2003,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[3]JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[4]陳揚(yáng)勛.城市地下洞群施工對(duì)周邊環(huán)境影響規(guī)律研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.[5]王暖堂.城市地鐵復(fù)雜洞群淺埋暗挖法的有限元模擬[J].巖土力學(xué),2001(12):504-508.[6]趙鐵民.北京某地鐵站改造工程土方和護(hù)坡施工方案[J].山西建筑,2007,33(32):112-113.
