暗挖地铁车站施工通道与车站转换段施工方法研究

李亚勇，邓怡虎，靳晓光，冯源升

(1.重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045；2.中国市政工程西南设计研究总院有限公司， 四川 成都 610081)



暗挖地铁车站施工通道与车站转换段施工方法研究

李亚勇1，邓怡虎2，靳晓光1，冯源升1

(1.重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045；2.中国市政工程西南设计研究总院有限公司， 四川 成都 610081)

暗挖地铁车站转换段设计文件中通常采用门形爬坡法，然而由于这种方法转换步序较多，在实际工程中采用较少。基于已有工程经验，提出采用扇形扩挖法进行转换段施工。以重庆市凤天路地铁车站为依托，利用数值模拟研究门形爬坡法和扇形扩挖法2种施工方法的优缺点。着重对比2种施工方法所引起的围岩位移、应力分布，支护结构的受力状态，以及围岩的塑性区分布。研究结果表明：除支护结构最小主应力外，扇形扩挖法所引起的围岩变形、应力、支护结构应力及塑性区半径均小于门形爬坡法。将扇形扩挖法用于凤天路地铁车站转换段施工，转换段施工所消耗工期为20d较门形爬坡法节约工期12d，扇形扩挖法较门形爬坡法更有利于控制施工工期。因而，扇形扩挖法较门形爬坡法更适合暗挖地铁车站转换段施工。

隧道转换段；门形爬坡法；扇形扩挖法；施工力学

随着经济的快速发展，我国地铁建设处于高速发展时期。在城市繁华区域、交通要道和人口密集地段，为了不破坏现有的交通条件，不影响工程周边居民的日常生活，越来越多的地铁车站采用暗挖法进行施工。暗挖法施工中施工通道与车站隧道转换段施工工序复杂、结构体系受力转换频繁，围岩变形、应力以及支护结构受力较复杂[1-4]。此外，转换段施工往往是制约隧道施工工期的关键。因而有必要对转换段施工方法进行研究。

暗挖地铁车站施工通道与车站转换段属于交叉隧道的一种情况，一些学者已经对交叉隧道进行了研究[5-9]。例如，靳晓光等[10]通过有限元数值模拟，研究了分离式隧道中间的横通道在不同施工方案和动态施工过程对主隧道围岩与初支结构力学行为的影响。张志强等[11]针对高速公路主隧道与车行横通道组成空间结构，采用现场实测以及三维有限元数值模拟的研究手段，进行了结构施工力学效应研究。李玉峰等[12]归纳分析了交叉隧道工程在施工技术、施工力学行为、爆破震动影响、监控量测技术以及预加固技术等方面的研究现状与不足，指出了今后研究的重点和发展趋势。

与常规交叉隧道不同，暗挖地铁车站转换段由小断面施工通道进入大断面车站隧道，施工通道与车站隧道断面相差悬殊，导致暗挖地铁车站转换段施工方法与常规交叉隧道有很大区别。而目前国内外关于暗挖地铁车站转换段施工方法的研究还很少。本文以重庆市轨道交通环线凤天路车站为依托，利用三维有限元分析软件MIDAS-GTS分析设计中广泛采用的门形爬坡法及本文提出的扇形扩挖法两种施工方法的优缺点。基于研究结论，将扇形扩挖法用于凤天路地铁车站转换段施工，对其施工效果进行验证。研究成果不仅丰富了转换段施工力学研究的内容，还为转换段的设计及施工提供了依据。

1　工程概况及转换段施工方法

1.1工程概况

重庆市轨道交通环线凤天路车站为环线第4座车站，其位于风天大道正下方，呈南北走向。凤天路车站起点里程为YDK4+974.512m，终点里程为YDK5+183.516m，总长209m。有效站台中心里程处轨面设计高程为257.017m，车站主体为直线，站前局部为曲线，站后区间设交叉渡线，车站站台区为地下双层标准岛式暗挖车站，采用12m宽的岛式站台。车站主体内部采用单柱和双柱两种结构形式，断面开挖宽度为23.440m，交叉渡线局部加宽24.190m，开挖高度为20.710m，拱顶岩土层厚度20.54～24.98m(中风化岩层厚度为8.59～22.4m)，开挖断面为直墙圆拱断面，为浅埋隧道，局部为超浅埋隧道。

1.2转换段施工方法

1.2.1门形爬坡法

据调查，重庆市暗挖地铁车站设计文件中大多采用门形爬坡法进行转换段施工，如二郎车站、凤天路站以及沙坪坝站等。然而，由于这种方法施工工艺复杂，转换步序较多，且施工工期较长，实际施工中采用这种施工方法进行转换段施工的较少。设计中采用的门形爬坡法施工过程如图1所示，其具体施工过程如下：施工通道采用全断面开挖，当其开挖至与车站边界线接口位置时，在施工通道与车站结合部位立三榀门形拱架。由于施工通道断面小且拱顶标高低于车站拱顶标高，因此在施工通道与车站接口位置挑高通道，按照车站轮廓线向外上挑至拱顶。随后向上以12%的坡度进行转换段开挖，开挖宽度与施工通道宽度相同，直至开挖至车站隧道另一侧轮廓线位置。转换段共分为8部分进行开挖，开挖后进行门形拱架及初期支护施做。随工作面掘进沿车站隧道顶部轮廓线架立环向钢支撑，通过多次开挖将车站隧道顶部拱架封闭成环，转换段开挖至车站边界位置，完成转换段施工。

图1　门形爬坡法Fig.1 Door type climbing method

1.2.2扇形扩挖法

为了克服门形爬坡法施工工艺复杂，转换步序多且施工周期长的缺点。基于工程实践经验，提出扇形扩挖法进行转换段施工(如图2)，其具体施工过程如下：施工通道采用全断面开挖，施工通道开挖至与车站边界线接口位置时，在通道架设门形拱架，将施工通道上挑至车站拱顶位置。之后进入转换部位施工，将转换部位划分为3个“扇形扩挖体”进行开挖。转换段开挖宽度与施工通道宽度相同，开挖后随即进行门形拱架及初期支护的支护。随工作面掘进沿车站拱顶轮廓线架立环向钢支撑，通过多次扩挖将车站上部拱架封闭成环，完成转换段施工。经初步对比可以发现扇形扩挖法较门形爬坡法具有单次开挖面积大，转换施工次数少，以及施工对围岩扰动次数少的优点。此外，由图2可以看出扇形扩挖法沿着施工通道底部进行开挖，避免了施工通道向上沿12%的坡度施工所带来的施工困难和风险。

图2　扇形扩挖法Fig.2 Sector expansion method

2　有限元数值模拟

2.1三维有限元模型建立

选取施工通道与车站隧道转换段作为研究区域，施工通道与车站隧道断面尺寸如图3、图4所示。利用三维有限元分析软件Midas-GTS建立两种转换段施工方法所对应的有限元分析模型(如图4所示)。为了减小边界条件对计算结果的影响，模型宽度取为160m(隧道左右两侧取3倍洞径)；顶面视工程地势条件而定，取平均厚度18m；地表上覆土层为素填土和粉质粘土，厚度为0.6～1m，数值模拟中不予考虑；底部边界至隧道底部取为50m(约为2.5倍隧道洞高)；为反映隧道施工过程对转换段位移和受力的影响，模型纵向计算长度取为80m。模型上表面定义为自由面，其余各面施加法向位移约束。

2.2计算参数

隧道场地围岩以砂质泥岩为主，局部夹杂砂岩薄层，围岩等级为Ⅳ级。数值模拟中岩土体采用莫尔-库伦本构模型，利用实体单元进行模拟。初期支护采用C25混凝土，厚度为300mm。初期支护和锚杆均采用各向同性弹性本构模型，分别利用平面板单元及一维线单元进行模拟。隧道二次衬砌在施工变形稳定后施做，为安全强度储备，数值模拟中不予考虑。根据地质勘察资料和室内物理、力学试验结果，计算中所采用材料的物理、力学参数如表1所示。

2.3隧道开挖支护步骤

施工通道采用全断面开挖，每次开挖进尺4m，开挖后随即进行初期支护施做，数值模拟中施工阶段分为25个施工步进行开挖。施工通道与车站隧道转换段分别根据图1和2所示的施工方法进行施工。转换段施工完成后，利用双侧壁导坑法同时进行车站隧道大里程和小里程方向的施工，将车站隧道划分为9部分进行开挖(如图3(a))。车站隧道左侧导洞领先右洞10m进行施工，每次掘进长度2m，开挖后随即进行初期支护施做；上、中、下台阶间滞后距离均为10m。车站隧道中间核心采用台阶法进行破除，台阶之间支护距离为10m。转换段及车站隧道共分为60个施工步进行模拟。

3　数值模拟有效性验证

为研究2种施工方法引起的转换段变形，在转换段选取5个特征点(如图5)，数值模拟中对5个特征点位移进行监测。在进行两种施工方法数值模拟对比研究之前，首先通过对比现场监控量测数据与数值模拟结果，研究数值模拟模型建立及选取材料参数选取的正确性。

隧道开挖完毕后，隧道转换段位移云图如图6所示，从图中可以看出施工通道与车站交叉口一侧处围岩变形量均大于远离交叉口一侧。隧道拱顶最大沉降量位于施工通道与车站交叉口处，最大竖向变形量为6.27mm。最大水平位移位于拱腰部位，最大水平位移为2.52mm。

(a)模型正视图；(b)模型等轴测视图

(a)门形爬坡法；(b)扇形扩挖法

Fig.4Schematicdiagramofconstructionmethodinconversionsection

表1　围岩与支护结构物理力学参数

注：按等效刚度原则将格栅钢拱架的弹性模量折算到初期支护上

图5　特征点示意图Fig.5 Arrangement of feature points

图7为数值模拟中转换段拱顶点a变形量随施工步骤的变化曲线图。为研究模拟结果的可靠性，在凤天路车站ZDK5+150断面布置拱顶监测点，用全站仪配合激光反射片的方法来监测隧道拱顶的沉降位移，拱顶的监测数据如图8。对比图7和图8可以发现，数值模拟所得拱顶沉降变化趋势与ZDK5+150断面拱顶沉降曲线变化趋势基本一致。ZDK5+150断面拱顶沉降值为5.54mm，较数值模拟的结果6.66mm。经分析，由于隧道拱顶监测点于初期支护施做之后布设，因而监测数据有一定的损失，导致监控量测数据略小于数值模拟结果。但现场监控量测数据与数值模拟结果相差较小，仅为1.12mm。因此，可认为数值模拟所建立的模型和选用的材料参数能反映工程的实际情况。

(a)竖向位移；(b)水平位移图6　转换段位移云图Fig.6 Contour of displacement in conversion section

图7　拱顶沉降有限元计算结果Fig.7 Crown settlement calculated by numerical simulation

图8　ZDK5+150断面拱顶沉降现场监测数据Fig.8 Field monitoring data of crown settlement

4　计算结果分析

为了对门形爬坡法和扇形转换扩挖法两种施工方法进行对比分析，将两种开挖方式产生的围岩位移、应力、支护结构应力以及塑性区范围进行对比来判断两种施工方法下隧道及围岩的稳定性。

4.1隧道变形对比

表2为两种转换段施工方法中各个特征点的计算位移。由表2可知，门形爬坡法中个点的位移值均大于扇形扩挖法。门形爬坡法引起的最大沉降量为6.658mm，扇形扩挖法引起的最大沉降量为6.217mm。2种方法变形最大差值为0.542mm。经分析产生这种情况是由于门形爬坡法每次开挖量较小，开挖阶段较多，隧道施工对围岩的扰动次数较多所导致的。从控制转换段围岩变形的角度出发，扇形扩挖法引起的围岩的整体位移要比门形爬坡法更加均衡，更有利于控制隧道围岩的稳定性。

表2　特征点位移

注：门/扇=门形爬坡法位移/扇形扩挖法位移

4.2围岩应力对比

围岩应力分布对施工方法选择，支护措施选择起着重要作用。将两种施工方法计算得到的隧道拱顶、拱底围岩最大、最小主应力，以及拱腰部位剪应力进行对比分析(如表3)。由表3可知，门形爬坡法开挖引起的围岩应力要普遍大于扇形扩挖法。转换段处拱顶最大主应力相差最小，门形爬坡法所引起的拱顶最大主应力较扇形扩挖法大1.6%；拱底最大与最小主应力均相差较大，门形爬坡法所引起的最大主应力较扇形扩挖法大98.4%，所引起的最小主应力(即拉应力)较扇形扩挖法增大267.14%。2种方法引起的隧道拱肩、右拱脚部位剪应力差值相对较小，门形爬坡法在拱肩处的剪应力较扇形扩挖法大15.7%，拱脚处的剪应力较扇形扩挖法大24.5%。以上两种施工方法的围岩应力对比分析表明，扇形扩挖法所引起的围岩应力较门形爬坡法有较大减小，从控制围岩应力及安全性的角度出发，扇形扩挖法要优于门形爬坡法。

表3　围岩应力对比

注：门/扇=门形爬坡法应力/扇形扩挖法应力

4.3支护结构主应力对比

隧道支护结构作为隧道的维护结构，对隧道的稳定性起着至关重要的作用。通过对比2种施工方法的引起的支护结构主应力及应力集中程度研究两种施工方法的优缺点。表4为转换段及未受影响断面(距转换段20m断面)支护结构应力。由表4可知，门形爬坡法及扇形扩挖法引起的转换段支护结构最大主应力分别为-16.05MPa和-13.71MPa，门形爬坡法引起的最大主应力较扇形扩挖法大17.1%，但两种施工方法引起的最大主应力均远小于混凝土的抗压承载能力。门形及扇形两种施工方法所引起的转换段应力集中系数分别为3.47和3.17，扇形扩挖法所引起的应力集中程度小于门形爬坡法。转换段支护结构最大主应力远大于未受影响断面的最大主应力，隧道施工中应加强转换段支护措施。门形和扇形施工方法引起的最小主应力分别为1.62MPa和1.84MPa，两种施工方法引起的转换段最小主应力均为拉应力，门形爬坡法引起的最小主应力略小于扇形扩挖法，两种方法引起的最小主应力均接近支护结构的极限抗拉强度，由此可见，转换段支护结构倾向于发生张拉破坏。转换段施工过程中为了避免转换段支护结构发生张拉破坏，施工中需提高转换段支护结构的抗拉强度。由上述分析可见，除支护结构最小主应力外，扇形扩挖法引起的支护结构应力均小于门形爬坡法引起的应力。从控制隧道支护结构应力提高支护结构安全性的角度出发，扇形扩挖法更优于门形爬坡法。

4.4围岩塑性区范围对比

隧道转换段施工通道的存在破坏了车站隧道的应力传递路径，这将导致转换段围岩应力集中，接近屈服状态。表5为2种施工方法所引起的围岩塑性区半径，从表5可以看出2种施工方法在拱脚处引起的塑性区半径相同，均为7.45m。在拱腰范处，门形爬坡法及扇形扩挖法引起的塑性区半径分比为6.08m和5.22m，门形爬坡法引起的塑性区半径要大于扇形扩挖法。从控制围岩塑性区范围确保隧道围岩稳定性的角度出发，扇形扩挖法要优于门形爬坡法。

表4　支护结构主应力对比

注：K=转换段最大主应力/未受影响断面最大主应力；门/扇=门形爬坡法应力/扇形扩挖法应力

表5　围岩塑性区半径

5　工程应用

通过上述对比分析可以发现，扇形扩挖法在控制围岩位移、应力、支护结构应力，以及塑性区半径方面要明显优于门形爬坡法。基于本文的研究结果，将扇形扩挖法用于凤天路车站转换段的施工，转换段施工期间围岩及支护结构均处于稳定状态，转换段施工工期为20d。通过向施工单位咨询，转换段若采用门形爬坡法进行施工，施工工期约为32d。转换段采用扇形扩挖法较门形爬坡法节约工期12d。由此可见，扇形扩挖法除了在控制围岩及支护结构稳定性方面优于门形爬坡法，还有利于控制隧道施工进度，节约工程造价。

6　结论

1)扇形扩挖法引起的转换段围岩位移、位移均小于门形爬坡法，从控制转换段围岩稳定性的角度，扇形扩挖法优于门形爬坡法。

2)除转换段支护结构最小主应力外，扇形扩挖法引起的转换段支护结构应力均小于门形扩挖法，从控制支护结构应力的角度，扇形扩挖法由于门形爬坡法。2种施工方法引起的转换段最小主应力均为拉应力，且接近支护结构的极限抗拉强度。转换段支护结构倾向于发生张拉破坏。应提高转换段支护结构的抗拉强度避免转换段支护结构的张拉破坏。

3)扇形扩挖法引起的塑性区半径小于门形爬坡法。从控制转换段围岩、支护结构稳定性的角度，扇形扩挖法均优于门形爬坡法。

4)凤天路地铁车站转换段采用扇形扩挖法施工工期为20d，若采用门形扩挖法施工工期约为32d。相比门形爬坡法，扇形扩挖法更有利于控制施工进度，节约工程造价。建议采用扇形扩挖法进行暗挖地铁车站转换段施工。

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Construction methods at the intersection betweenConstruction Channel and subway station

LIYayong1,DENGYihu2,JINXiaoguang1,FENGYuansheng1

(1.School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China;2.SouthwestMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteofChina,Chengdu610081,China)

TheDoortypeclimbingmethodisgenerallyadoptedintheconversionsectionbetweenconstructionpassageandsubwaystationindesigndocument.However,itisnotwidelyusedinengineeringpracticeconsideringthecomplexswitchingprocess.Basedonengineeringexperiences,thesectorexpansionmethodwasputforward.FengtianlusubwaystationinChongqing,Chinawasselectedtocomparethesetwoconstructionmethodsthroughnumericalsimulation.Twothree-dimensionalnumericalmodelswereestablishedcorrespondingtodifferentconstructionmethods,andtheeffectivenessoftheestablishednumericalmodelwasvalidatedthroughfieldmonitoringdisplacement.Thenthedisplacementandstressdistributionofsurroundingrockmasses,internalforceofsupportingstructures,andtheradiusofplasticzoneswerehighlighted.Numericalresultsshowthatthedisplacement,stress,internalforceofsupportingstructures,andradiusofplasticzonesinducedbysectorexpansionmethodarealllessthanthatinducedbydoortypeclimbingmethodexceptfortheminimumstressofsupportingstructures.ThesectorexpansionmethodisusedinFengtianlusubwaystation.Consequently,theconstructionperiodis20days,and12daysweresavedcomparedtothedoortypeclimbingmethod.Thesectorexpansionmethodisbetterincontrollingconstructionperiodthanthedoortypeclimbingmethod.Itcanbeconcludedthatthesectorexpansionmethodismoresuitableforconstructionintunnelconversionsectionthanthedoortypeclimbingmethod.

Tunnelconversionsection;Sectorexpansionmethod;Doortypeclimbingexcavation;Constructionmechanics

2015-11-22

国家自然科学基金资助项目(51578091)

靳晓光(1967- )，男，河北东光人，教授，从事隧道及地下工程方面的研究；E-mail:Jxgcqu@163.com

TU91

A

1672-7029(2016)07-1352-07