长沙地铁渡线暗挖区间结构施工安全计算分析

胡柱奎 （中铁四局集团第一工程有限公司，安徽 合肥 230021）

0 前言

随着我国经济增长和城市化进程的加速，城市交通压力不断上升，城市轨道交通建设的进程日益加快。但由于城市施工环境复杂，建筑物密集，管线交错，路面交通繁忙，施工空间限制，给地铁施工带来了挑战。同时对于地铁停车线、折返线、渡线等大断面的异形结构，地铁施工常采用的盾构法不再适用，而采用矿山法施工。在城市隧道矿山法施工中，需要借助竖井和横通道辅助施工，而由于受到临街建筑物和交通运行的影响，需慎重选择竖井位置和严格控制施工场地大小[1-3]。

为满足城市地铁建设的需要和施工场地的限制，往往出现施工竖井、横通道、正洞立体正交于一体的结构体系，给施工带来了极大的安全风险，同时给施工技术也提出了很高的要求。长沙地铁3号线侯家塘至东塘站右线渡线暗挖区间出现了上述情况，即施工竖井、横通道以及正洞结构立体交叉与一体，为降低施工风险，确保施工安全，在施工前对该立体正交结构体系进行安全计算分析非常必要，并给出相应的安全控制措施。

基于以上背景，本文以长沙地铁3号线侯家塘至东塘站右线渡线暗挖区间竖井、横通道及正洞立体正交结构施工为依托，运用三维数值计算方法，对其施工过程进行计算分析，研究成果一方面可以指导长沙地铁3号线的施工，另一方面也可为今后类似工程的修建提供借鉴。

1 依托工程概况

1.1 工程概况

长沙地铁3号线侯家塘站～东塘站区间左线为盾构区间，右线分盾构区间段与渡线暗挖区间段2段，暗挖区间西端与盾构段相接，东端与东塘站相接。暗挖部分设计起点里程YDK19+226.644，终点里程YDK19+449.825，全长223.181m。渡线区间暗挖段设计为马蹄形断面结构，复合式衬砌。

渡线暗挖段在靠近盾构、暗挖交接处设置1座竖井，竖井深度34.1m；竖井围护结构采用直径1.2m钻孔桩，钻孔桩长度37m；围护桩竖井净空尺寸宽5m、长7.5m，冠梁尺寸宽1.2m、高1m，冠梁高出地面20cm兼做挡水墙作用；竖井井深分别在距冠梁7m、14m、18.5m处设置4道钢筋混凝土环梁，环梁尺寸高1.4m、宽1m；由于场地限制，竖井位置侵占暗挖区间部分区域，横通道较短，总长7.989m，高度11.5m。在横通道侧壁和竖井侧壁面修建暗挖正洞，正洞采用CRD法施工，使用φ108大管棚作为超前支护。施工竖井、横通道及正洞立体正交结构如图1～图2所示。

图1 正交结构体系示意图

图2 剖视图

1.2 地质条件

竖井围护桩穿越的地层包括冲积粘性土层、冲积圆砾层、冲积卵石层、硬塑状粉质粘土层、强风化泥质粉砂岩、中风化粉砂质泥岩。立体交叉段主体结构位于强风化泥质粉砂岩中，最小埋深为横通道拱顶位置，埋深约22.0m；正洞拱顶位置埋深约为23.1m。建筑场地处于湘江三级阶地上，未发现能引起场地滑移、大的变形和破坏等的不良地质作用。立体交叉结构上覆地层中的冲积圆砾层和冲积卵石层是地下水赋存岩层，地下水类型主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水。

2 三维数值计算说明

2.1 计算模型

根据长沙地铁3号线侯家塘站～东塘站实际情况模拟隧道埋深及隧道开挖，模拟计算采用FLAC3D有限差分元通用程序[4]。为充分模拟隧道的三维空间效应，计算模型所取范围是：根据实际工程情况沿纵向取100m，沿横向取140m，沿竖向取150m，模型中竖井围护桩的深度按设计取37.1m，围护桩下方围岩深度取112.9m；模型中横通道开挖断面跨度为9.5m，高度为11.77m，正洞开挖断面跨度为12m，高度为9.366m；约束情况为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由面；计算中地层采用弹塑性实体单元模拟，管棚采用弹性结构单元模拟，初期支护、加强初期支护、临时仰拱采用弹性实体单元模拟。模型按照实际土层分界面进行建模，选取了土层最厚区间进行计算。整个计算模型采用四面体单元划分，模型共641600个节点、456480个单元。

围岩计算参数表 表1

材料物理力学参数表 表2

2.2 计算参数

围岩的物理力学指标参照《长沙市轨道交通3号线一期工程KC-1标段详细勘察阶段侯家塘站至东塘站区间岩土工程勘察》资料选取，衬砌材料的物理力学指标参照《长沙轨道交通3号线一期工程施工图设计第一分册矿山法平纵断面及主体结构变更图》选取，混凝土材料物理参数根据《铁路隧道设计规范》选取，所确定的计算参数如表1、表2所示。

2.3 计算施工步序

①施作钻孔桩作为竖井围护结构，施作冠梁，开挖竖井内部岩土体，施作3道环梁；

②在横通道曲拱位置施作超前大管棚；

③破除竖井围护桩，开挖横通道；

④施作初期横通道初期支护、中隔壁、临时仰拱以及横通道端墙；

⑤施作正洞门架；

⑥施作钢支撑；

⑦以1m进尺开挖渡线正洞并做初期支护如表1、表2所示。

3 计算结果及分析

3.1 横通道支护位移分析

各施工阶段横通道初期支护最大变形如表3所示。

各施工阶段横通道初期支护最大变形统计表 表3

3.2 横通道初期支护应力分析

各施工阶段横通道初期支护主应力统计如表4所示。

横通道初期支护主应力统计表（MPa） 表4

3.3 正洞初期支护位移分析

各施工阶段正洞初期支护最大变形统计如表5所示；限于篇幅，文中只显示正洞下部开挖支护完成后的竖向位移计算云图，如图3。

3.4 正洞初期支护应力分析

各施工阶段正洞初期支护主应力统计如表6所示；限于篇幅，文中只显示正洞下部开挖支护完成后最大压应力计算云图，如图4。

各施工阶段正洞初期支护最大变形统计表 表5

图3 正洞下部开挖支护完成后竖向位移云图（单位：m）

各施工阶段正洞初期支护主应力统计表（MPa） 表6

图4 正洞下部开挖支护完成后最大压应力云图（单位：Pa）

3.5 竖井围护桩位移分析

各施工阶段竖井围护桩的最大变形统计如表7所示；限于篇幅，文中只显示正洞下部开挖支护完成后的竖井围护桩收敛位移计算云图，如图5。

3.6 竖井围护桩应力分析

各施工阶段竖井围护桩主应力统计如表8所示；限于篇幅，文中只显示正洞下部开挖支护完成后竖井围护桩最大拉应力计算云图，如图6。

图5 横通道和正洞下部开挖支护完成后竖井围护桩收敛位移云图（单位：m）

各施工阶段围护桩最大变形统计表 表7

图6 横通道和正洞下部开挖支护完成后竖井围护桩最大拉应力云图（单位：Pa）

3.7 竖井底对口撑受力分析

各施工阶段竖井底对口撑轴向应力统计如表9所示；限于篇幅，文中只显示正洞下部开挖支护完成后的对口撑轴向应力计算云图，如图7。

各施工阶段围护桩主应力统计表（MPa） 表8

图7 正洞下部开挖支护完成后对口撑轴向应力云图（Pa）

综合以上计算分析结果可得，横通道支护结构、正洞支护结构以及竖井围护桩的变形均远小于《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）的要求[5]；横通道支护结构、正洞支护结构、竖井围护结构以及对口支撑结构的应力水平均小于混凝土的极限强度，所有结构安全。

各施工阶段对口撑轴向应力统计表（MPa） 表9

4 结语

截止目前，长沙地铁3号线侯家塘站～东塘站区间渡线暗挖段的施工竖井及内支撑结构、横通道均施工完毕，已进入正洞的施工，东塘方向累计开挖进尺45m，候家塘方向累计开挖进尺15m。在施工过程中，实时对围护结构的变形、横通道的变形以及正洞的变形进行了现场监测，监测数据均满足《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）的要求，整个结构体系安全可控。

[1]HE Chuan，WANG Bo.Research progress and development trends of highway tunnels in China[J].Journal of modern transportation，2013，21(4):209-223.

[2]黄宏伟.城市隧道与地下工程的发展与展望[J].地下空间，2001，21（4）：311-317.

[3]刘宝琛.急待深入研究的地铁建设中的岩土力学课题[J].铁道建筑技术，2000，22（3）：1-3.

[4]Junru Zhang、Wenge Qiu、Huijian Zhang，Finite element analyze single shell lining based on contact mechanics，Underground Space，WTC-2007：1355-1359.

[5]GB50911-2013，城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.