浅埋暗挖地铁站不同施工方案分析研究摘 要:利用FLAC3D对广州地铁5号线小北站大跨浅埋暗挖站厅隧道进行多种施工方案的模拟,通过对比隧道在不同方案下的施工效应,选择较优的方案进行施工,从而为实际工程问题提供较为合理的优化施工方案。关键词:浅埋暗挖,隧道,施工方案0 引言 小北站是广州市轨道交通5号线的中间站,上承广州火车站,下接淘金站,为明、暗挖结合的3层分离岛式地铁车站。站址位于环市中路下方,西临环市中路与下塘西路、小北路交叉口,周边环境复杂,需要对开挖引起的围岩变形进行严格控制。隧道埋深5.4 m,由勘察所揭露的地下水水位埋藏较浅,稳定水位埋深为0.15 m~6.20 m,平均埋深3.25 m。车站结构按抗震基本烈度为7度设防。车站结构按设计使用年限100年的要求进行耐久性设计。站厅隧道开挖断面宽9.9 m,高11 m。由于地处繁华市区,要保护好车站周边的环境,保证施工安全和质量,就必须探索超浅埋大跨隧道的合理施工方案。1 施工方案和支护1.1 施工方案 针对站厅隧道埋深浅、跨径大和开挖横断面大的特点,现将面积约为108.9 m2的站厅隧道横断面分成9个导洞进行开挖。通过改变不同导洞的开挖顺序来模拟在不同方案下的施工效应。 3种方案隧道每步开挖进尺均为1 m。这里采用的开挖台阶为短台阶法,按照不同方案中各导洞对应的工序位置,在后一个工序中开挖的导洞滞后前一个工序中开挖导洞4 m,依次类推,从而形成开挖台阶。 方案1(依次挖):左线站台隧道→右线站台隧道→联络通道→下直通道→站厅隧道→上直通道→斜通道; 方案2(对挖):左线站台隧道与右线站台隧道同时相对挖→联络通道→下直通道→站厅隧道→上直通道→斜通道; 方案3(平行挖):左线站台隧道与右线站台隧道同时平行挖→联络通道→下直通道→站厅隧道→上直通道→斜通道。1.2 支护设置 支护结构有临时支撑、初期支护、二衬、超前小导管注浆和超前大管棚注浆加固。在利用FLAC3D软件模拟的过程中,采用六面体单元模拟围岩,用梁单元(beam)模拟大管棚加固和钢拱架临时支撑,初喷混凝土、二衬简化为理想线弹性模型的六面体单元,采用cable单元模拟锚杆加固左右侧墙围岩。计算分析中,采用摩尔—库仑破坏准则。根据实际工程设计,各隧道断面的加固方式与支护形式见图1,图2。2 计算模型 图3为简化处理后的三维计算模型,模型共包含实体单元131 282个,结构单元2 923个。模型长48 m,宽100 m,高61.5 m。假设地表为水平,除地表平面为自由平面外,模型的其他5个面均为约束法向位移。初始应力场为自重应力场,不考虑构造应力作用。计算中考虑地表汽车荷载,按汽—20标准。
3 施工效应 施工效应包括受力分析和变形分析,在这里主要对隧道开挖后的变形进行分析。变形分析包括地表沉降和隧道变形。在隧道的进尺方向,从洞口开始共均匀布置了11个观测点。另外,对隧道的塑性破坏区进行统计分析。通过对地表沉降、隧道变形和塑性区破坏的程度来选择较为合理的施工方案。3.1 地表施工效应分析3.1.1 地表沉降 从地表的形变来看,左右线站台隧道的中间部位是沉降最大区域,尤其是在经过下直通道、斜通道和上直通道上方的地表沉降量大。此区域的地表沉降受到多条隧道开挖的影响,包括左右线站台隧道、联络通道下直通道,其扰动次数多,形变有叠加效应。站厅隧道相比其他隧道断面要大,埋深要浅,拱顶距离地表仅有5 m,属于超浅埋大跨径暗挖隧道,在其上方的地表沉降值较大。3.1.2 沉降槽 沉降槽能够直接反映隧道开挖后上部围岩受影响的范围。在实际工程中,城市地铁上部结构物多,隧道开挖延伸到地表的影响范围成为了一个重要的关注点。现选择隧道中的一个断面来反映整个隧道在横截面方向上的沉降槽的情况。 图4表明,3种方案得到的横断面沉降槽曲线均比较吻合1969年派克(Peck)教授提出的假设:地面沉降曲线的形状与正态分布曲线相同。就沉降槽的宽度来说,方案1最大,方案2居中,方案3最小。3.2 隧道变形 隧道开挖后周边围岩的稳定情况和支护的稳定情况由隧道周边围岩和支护的受力大小和形变大小决定,反映到隧道的变形方面则更为直接。通过对拱顶下沉、仰拱底鼓和左右边墙的水平位移来分析3种施工方案下隧道变形情况。 比较分析隧道开挖后的变形可知,在方案1的工序下,隧道产生的绝对地表沉降达到了2.9 cm,在隧道的竖直方向上,隧道的尺寸向洞内收缩的最大值为88.1 mm,平均值为54.4 mm;在隧道的水平方向上,隧道的尺寸向洞内收缩的最大值为10.7 mm,平均值为9.2 mm。而方案3产生的绝对地表沉降则仅有6 mm,隧道在竖直方向上尺寸收缩最大值为52.6 mm,平均值为28.3 mm;在水平方向上尺寸收缩最大值为9 mm,平均值为7.6 mm。3.3 围岩塑性区 在塑性区域内应力超过了屈服强度,就会发生塑性流动。其破坏机制有两种:剪切破坏和拉伸破坏。在开挖扰动区域,应力的重分布和形变的产生是同时的。一部分围岩或者土体在应力重分布的过程中发生了破坏,这种破坏的区域和强度越大,说明其开挖所产生的扰动越大,那么其方案就越倾向于不合理。4 结语 1)通过对3种施工方案的模拟分析,方案1先开挖中导洞再开挖两侧导洞所引起的地表沉降最大,沉降槽的宽度最宽,隧道变形最大,发生塑性破坏的区域最大。方案3先开挖两侧导洞再开挖中导洞所引起的地表沉降最小,隧道变形最小,沉降槽的宽度最小,发生塑性破坏的区域最小。方案2采用从上往下的开挖方式引起的各项指标在方案1与方案3之间。从施工对围岩的扰动和变形分析比较,方案3为优选方案。 2)以上结论是在没有考虑到地下水作用和爆破震动作用的条件下得出的。关于地下水作用和爆破所引起的震动荷载作用,则有待进一步的研究。参考文献:[1]黄茂松,张宏博,陆荣欣.浅埋隧道施工对建筑物桩基的影响分析[J].岩土力学,2006(8):1879-1883.[2]GB 50157-2003,地铁设计规范[S].[3]JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].[4]陈扬勋.城市地下洞群施工对周边环境影响规律研究[D].北京:北京交通大学,2008.[5]王暖堂.城市地铁复杂洞群浅埋暗挖法的有限元模拟[J].岩土力学,2001(12):504-508.[6]赵铁民.北京某地铁站改造工程土方和护坡施工方案[J].山西建筑,2007,33(32):112-113.
3 施工效应 施工效应包括受力分析和变形分析,在这里主要对隧道开挖后的变形进行分析。变形分析包括地表沉降和隧道变形。在隧道的进尺方向,从洞口开始共均匀布置了11个观测点。另外,对隧道的塑性破坏区进行统计分析。通过对地表沉降、隧道变形和塑性区破坏的程度来选择较为合理的施工方案。3.1 地表施工效应分析3.1.1 地表沉降 从地表的形变来看,左右线站台隧道的中间部位是沉降最大区域,尤其是在经过下直通道、斜通道和上直通道上方的地表沉降量大。此区域的地表沉降受到多条隧道开挖的影响,包括左右线站台隧道、联络通道下直通道,其扰动次数多,形变有叠加效应。站厅隧道相比其他隧道断面要大,埋深要浅,拱顶距离地表仅有5 m,属于超浅埋大跨径暗挖隧道,在其上方的地表沉降值较大。3.1.2 沉降槽 沉降槽能够直接反映隧道开挖后上部围岩受影响的范围。在实际工程中,城市地铁上部结构物多,隧道开挖延伸到地表的影响范围成为了一个重要的关注点。现选择隧道中的一个断面来反映整个隧道在横截面方向上的沉降槽的情况。 图4表明,3种方案得到的横断面沉降槽曲线均比较吻合1969年派克(Peck)教授提出的假设:地面沉降曲线的形状与正态分布曲线相同。就沉降槽的宽度来说,方案1最大,方案2居中,方案3最小。3.2 隧道变形 隧道开挖后周边围岩的稳定情况和支护的稳定情况由隧道周边围岩和支护的受力大小和形变大小决定,反映到隧道的变形方面则更为直接。通过对拱顶下沉、仰拱底鼓和左右边墙的水平位移来分析3种施工方案下隧道变形情况。 比较分析隧道开挖后的变形可知,在方案1的工序下,隧道产生的绝对地表沉降达到了2.9 cm,在隧道的竖直方向上,隧道的尺寸向洞内收缩的最大值为88.1 mm,平均值为54.4 mm;在隧道的水平方向上,隧道的尺寸向洞内收缩的最大值为10.7 mm,平均值为9.2 mm。而方案3产生的绝对地表沉降则仅有6 mm,隧道在竖直方向上尺寸收缩最大值为52.6 mm,平均值为28.3 mm;在水平方向上尺寸收缩最大值为9 mm,平均值为7.6 mm。3.3 围岩塑性区 在塑性区域内应力超过了屈服强度,就会发生塑性流动。其破坏机制有两种:剪切破坏和拉伸破坏。在开挖扰动区域,应力的重分布和形变的产生是同时的。一部分围岩或者土体在应力重分布的过程中发生了破坏,这种破坏的区域和强度越大,说明其开挖所产生的扰动越大,那么其方案就越倾向于不合理。4 结语 1)通过对3种施工方案的模拟分析,方案1先开挖中导洞再开挖两侧导洞所引起的地表沉降最大,沉降槽的宽度最宽,隧道变形最大,发生塑性破坏的区域最大。方案3先开挖两侧导洞再开挖中导洞所引起的地表沉降最小,隧道变形最小,沉降槽的宽度最小,发生塑性破坏的区域最小。方案2采用从上往下的开挖方式引起的各项指标在方案1与方案3之间。从施工对围岩的扰动和变形分析比较,方案3为优选方案。 2)以上结论是在没有考虑到地下水作用和爆破震动作用的条件下得出的。关于地下水作用和爆破所引起的震动荷载作用,则有待进一步的研究。参考文献:[1]黄茂松,张宏博,陆荣欣.浅埋隧道施工对建筑物桩基的影响分析[J].岩土力学,2006(8):1879-1883.[2]GB 50157-2003,地铁设计规范[S].[3]JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].[4]陈扬勋.城市地下洞群施工对周边环境影响规律研究[D].北京:北京交通大学,2008.[5]王暖堂.城市地铁复杂洞群浅埋暗挖法的有限元模拟[J].岩土力学,2001(12):504-508.[6]赵铁民.北京某地铁站改造工程土方和护坡施工方案[J].山西建筑,2007,33(32):112-113.
