双侧壁导坑法在小净距大断面地铁车站施工中的应用

杨翔,易雄川,张军伟,唐正东,杨重虎

(1重庆建工市政交通工程有限责任公司,重庆400021;2重庆交通大学土木学院,重庆400074)

双侧壁导坑法在小净距大断面地铁车站施工中的应用

杨翔1,易雄川1,张军伟1,唐正东2,杨重虎1

(1重庆建工市政交通工程有限责任公司,重庆400021;2重庆交通大学土木学院,重庆400074)

以某浅埋暗挖城市地铁车站为工程背景,研究了双侧壁导坑法在小净距大断面地铁车站施工中的可行性.通过有限元数值模拟计算得到了该施工方法下地铁车站的位移和塑性区时空演化规律,并将计算结果与相关规范值进行比对.分析结果表明,Ⅳ级围岩条件下小净距大断面隧道使用该工法施工时所引起的隧道拱顶沉降、水平收敛及塑性区发展均在允许范围之内,能保证整个施工过程的安全.

地铁车站;双侧壁导坑法;数值模拟;隧道施工;小净距大断面;浅埋暗挖

0 引言

目前,国内外小净距大断面地铁车站[1]施工方法大多以新奥法为原理,理论分析与大量工程实践相结合,常用的施工方法有全断面法、台阶法、CD法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法等[2].结合在建的某小净距大断面暗挖地铁车站建设,对Ⅳ级围岩段小净距大断面暗挖地铁车站双侧壁导坑法开挖动态施工过程进行数值模拟研究,为小净距大断面暗挖地铁车站的设计和施工提供了科学依据.

1 工程概况

涂山站位于川渝卷烟厂外的涂山路下,呈南北向,南接莲花村站,北接弹子石站.场区内地下水分为松散层类孔隙水、基岩裂隙水,洞内未见明显的地下水涌出及活动现象,洞内施工区间较干燥.该隧道工程为平行双岛暗挖地铁车站,标准段单洞开挖宽度21.5m,开挖高度为20m隧道扁平率小、跨径大、开挖断面积大,双岛间核心土宽度19.7m,顶板覆土28.3m,联络通道处开挖宽度为62.7m.车站所处地表有6m左右回填土,车站主体隧道开挖范围内为Ⅳ级围岩,岩体主要为砂岩.经过几种开挖工法对比分析和参照类似工程经验[3],采用双侧壁导坑法.

2 双侧壁导坑法施工原则和工艺原理

施工原则:隧道开挖断面大,侧壁导坑.

施工完成后,应及时施作初期支护,并应尽早封闭成环;左右导坑掘进时,前后错开距离不小于15m;仰拱开挖时,应采取措施保证施工交通安全和做好防排水措施;遵循"弱爆破、少扰动、短开挖、早支护、勤量测、紧封闭"的原则进行.

工艺原理:以岩石力学理论为基础,采用光面爆破技术,结合新奥法[4]的思想,充分利用围岩的自承能力,采用注浆锚杆和喷射混凝土为主要支护手段,及时进行支护加固围岩,使支护结构和围岩共同受力,进而有效地控制拱顶沉降、水平收敛和地表沉降,并通过监控量测和理论分析相结合对比分析指导施工.

3 有限元模拟工况及结果分析

(1)结构模型的建立

根据隧道所处地质条件和隧道围岩的岩体结构特征,建立图1所示有限元计算分析模型.车站为平行双岛四线暗挖车站,单洞开挖宽度21.5m,开挖高度20m,洞间岩体厚19.7m.模型模拟为了减少边界条件对模型计算结果的影响,模型自隧道开挖边界左右各取100m,下部自开挖底部取100m,上部取至地表(28.3m).模型的边界条件:左右两侧边约束其水平方向位移;底边约束其水平和竖向位移.隧道所处地质条件无明显地质构造应力,故初始应力场按自重应力场考虑.

图1 有限元模型

整个模型的区域为262.7mX150m.有限元网格划分为个3137个单元和3242个节点.根据车站的工程地质勘查报告和相关规范,选取模型相关物理力学参数如表1所示.

表1 相关物理力学参数

(2)模拟分析过程

图2 双侧壁导坑法开挖顺序

双侧壁导坑法开挖次序如图2(图中阿拉伯数字表示施工次序),隧道模型分析过程:

第1步:开挖右线右侧导坑上台阶和初期支护;第2步:开挖左线右侧导坑上台阶和初期支护;第3步:开挖右线左侧导坑上台阶和初期支护;第4步:开挖左线左侧导坑上台阶和初期支护;第5步:开挖右线右侧导坑中台阶和初期支护;第6步:开挖右线右侧导坑下台阶和初期支护;第7步:开挖右线左侧导坑中台阶和初期支护;第8步:开挖右线左侧导坑下台阶和初期支护;第9步:开挖右线中部核心土上台阶和初期支护;第10步:开挖右线中部核心土中台阶;第11步:开挖右线中部核心土下台阶;第12步:施作右线隧道仰拱;第13步:施作右线隧道二次衬砌;第14步:开挖左线右侧导坑中台阶和初期支护;第15步:开挖左线右侧导坑下台阶和初期支护;第16步:开挖左线左侧导坑中台阶和初期支护;第17步:开挖左线左侧导坑下台阶和初期支护;第18步:开挖左线中部核心土上台阶和初期支护;第19步:开挖左线中部核心土中台阶;第20步:开挖左线中部核心土下台阶;第21步:施作左线隧道仰拱;第22步:施作左线隧道二次衬砌.

(3)模拟结果分析

车站右线隧道核心土开挖前围岩竖向位移等值线云图和右线隧道核心土上台阶开挖后竖向位移等值线云图如图3和图4所示.

从图3和图4可知:车站右线隧道核心土开挖前最大竖向位移为5.58 mm(右线隧道导坑底隆起),最小位移为-1.99 mm(左线隧道导坑拱顶下沉);车站隧道核心土开挖后最大位移为11.4 mm,最小位移为-7.96 mm(右线隧道拱顶下沉).核心土上台阶开挖时,隧道围岩的变形较大,应及时跟进拱顶顶部围岩的初期支护;同时加强监控量测,实时监测围岩的变形及拱顶下沉.根据监控数据指导施工.

图3 围岩竖向位移等值线云图

车站主体开挖完成后,水平方向位移云图如图5所示、竖直方向位移云图如图6所示.隧道水平位移最大值发生在拱腰位置,为-3.42mm;隧道拱顶下沉最大值为-9.19mm.与表2中的相对位移限值[5]相比较,隧道模型计算分析水平相对位移限值、拱顶下沉值限值均比规范规定的水平相对位移限值和拱顶下沉限值小,整个施工过程安全.

图4 围岩竖向位移等值线云图

图5 围岩竖向位移等值线云图

图6 围岩水平位移等值线云图

表2 双线隧道初期支护极限相对位移值

图7 围岩最大主应力等值线云图

图8围岩最小主应力等值线云图

图7 、图8为隧道主体二衬施工完成后围岩最大、最小主应力数值模拟计算结果等值线云图,由图可知,最大主应力比岩石单轴抗压强度标准值小.计算结果表明:最大主拉应力发生在两洞的拱肩和仰拱,最大为0.27MPa.隧道洞周围岩均没有塑性区出现.

4 与监控量测数据对比

(1)拱顶下沉

拱顶下沉式隧道围岩应力发展的最直观最直接的反应,实际监测数据可以初步反应围岩变形的发展情况、稳定性及支护结构的及时性,是指导施工、确保安全、保证质量的重要措施.现收集隧道开挖后布测设点后三个月的隧道拱顶累计下沉值,如图9所示.

图9 拱顶累计下沉累计监测值

由上图可知,隧道在开挖40d后,拱顶下沉逐渐趋于稳定,最大位移为-8.3mm,小于模拟计算的结果(-9.19mm),模拟结果和实际监控数据比较符合,整个施工过程是安全的.

(2)水平收敛

隧道围岩的应力状态反映在隧道断面的水平净空收敛上,判定隧道空间的稳定性要通过水平净空收敛的量测来实现.确定二次衬砌的最佳施工时机需要根据水平净空收敛的位移变化速率来综合考虑.隧道净空收敛的量测对安全施工有着重要作用.现收集隧道开挖布测设点后三个月的隧道净空位移监测值.如图10所示.

图10 水平净空收敛累计监测值

由图可以看出,在隧道断面开挖后,水平净空收敛在隧道开挖完成后50d后,隧道净空收敛逐渐趋于稳定,最大为-5.4mm,实际监测数据小于模拟计算最大水平收敛位移值.实际变形趋势与计算结果的趋势是相一致的,数值模拟计算结果是可靠的.

5 结语

双岛四线浅埋暗挖地铁车站双侧壁导坑法施工有限元数值模拟结果分析表明:隧道在整个施工工程围岩的位移、洞周收敛位移数据均在允许范围之内,隧道在本施工方法和支护参数条件下,围岩一直处于稳定和安全状态.因此,在类似的以砂质泥岩夹砂岩为主的Ⅳ级围岩条件下,小净距大断面浅埋暗挖地铁车站采用双侧壁导坑法施工是可靠和可行的,为城市类似双岛四线暗挖地铁车站的施工方法起到了参考作用.

[1]张建强.特大断面超浅埋立体换乘车站交叉段暗挖施工技术研究[D].北京:北京北京交通大学,2010.

[2]蒋树屏.我国公路隧道建设技术的现状及展望[J].交通世界,2003.

[3]高海宏.双侧壁导坑法在繁华城区超大断面硬岩车站隧道施工中的应用[J].隧道建设,2008(2).

[4]铁道部基本建设总局.铁路隧道新奥法指南[M].北京:中国铁道出版社,1988.

[5]TB10003-2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

责任编辑:孙苏,李红

人居环境

重庆永川区着力抓好农村人居环境改善

一是加快农村信息化建设步伐.大力实施农村电网改造升级、流动文化服务进村社、行政村光纤覆盖和场镇4G通信网络覆盖等工程.截至目前,已完成156个行政村光纤覆盖和22个场镇4G通信网络覆盖;农村电网改造升级、流动文化服务进村社完成年度计划任务的50%.

二是大力改善农村出行条件.改建硬油化农村公路33公里,在建185.6公里;建成泥结石路34公里,在建41公里;新改建病险桥梁3座,在建11座;建成村社便道363.1公里.

三是全力保障农村饮水安全.整治山坪塘333口;印发临江河流域水生态综合治理方案,8个污水处理厂厂区工程已全面完成,正安装管网,3座病险水库主体工程已竣工,其余19座完成招投标.

四是扎实推进扶贫帮困.新识别重点帮扶对象1004户、2933人,并开展节日慰问;完成精准扶贫接力计划贫困户6551户、15995人的大病医疗补充保险.

五是提速清洁乡村行动.场镇拆违27062.7平方米,完善污水管网9280米,建设示范院落144处,建设垃圾池624个,配置垃圾箱1173个,垃圾车39台;常态化清漂水库7497.4亩,清漂河流90.7千米,整治河道29.1千米.

(来源:重庆永川区城乡建委)

Application of Double Side Drifts Method in Construction of Metro Station with Closely-spaced Large Sections

Based on an urban metro station construction with undermining method with shallow overburden,this paper studies the feasibility of double side drifts method applied in the metro station construction with closely-spaced large sections.Through finite element numerical simulation,the time and spatial variation rule of the displacement and plastic zone is obtained,and the calculation results and relevant specifications are compared.The results show that under condition ofⅣclass surrounding rock,the arch crown settlement,the horizontal convergence and the development of plastic zone, caused by this construction method,of the tunnelwith closely-spaced large sections are within the allowed scope,and the whole construction safety can be ensured.

urban metro;double side drifts method;numerical simulation;tunnel construction;closely-spaced large sections;undermining method with shallow overburden

TU745.3

:A

:1671-9107(2017)01-0040-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.01.040

2016-10-13

杨翔(1982-),男,重庆人,研究生,高级工程师,主要从事市政交通工程建设工作.