地铁渡线段工法转换施工变形特性研究

张 旭

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

地铁隧道建设过程中会遇到渡线段。渡线段的断面一般大于标准断面，因此存在标准断面向大断面施工转换的情况。不同断面相互转换过程中，存在施工工序复杂、结构受力转换多变、易导致出现异于常规的围岩松动圈、对地表和周围建筑物造成影响等问题，工程措施若有疏忽，便会造成不可估量的损失。针对以上问题，很多学者针对工法转换力学特性开展相关研究[1-8]，即依托实际工程，采用数值分析与现场测试的方法探究台阶法、CRD法、双侧壁导坑法之间工法转换时的施工力学特性；但研究多从工法转换角度考虑，设置工况较为单一，本文对此进行加强。

1 工程概述

1.1 工程概况

西安地铁9号线一期工程田洪区间，自田王站起沿田洪正街到达洪庆站。区间隧道有长约138.64 m的渡线段，该渡线段以E断面为中心对称。A、B、C、D均为马蹄形断面，其中A断面采用台阶预留核心土法施工；B断面采用CRD法施工。渡线段区间隧道平面布置如图1所示。

图1 平面布置

1.2 施工方案

1.2.1 A断面施工方案

A型断面尺寸为7.25 m×7.49 m，初支厚度300 mm，二衬厚度400 mm。A型断面标准断面均采用预留核心土法开挖，隧道分为上下台阶，错开开挖，上台阶预留核心土。断面循环开挖长度为0.5 m，台阶长度为4 m，核心土根据现场施工确定留置长度。

1.2.2 B断面施工方案

B断面的尺寸为9.440 m×7.978 m，初支厚度为350 mm，二衬厚度为500 mm。B型断面采用CRD法施工，隧道分成4个洞室开挖，采用人工配合机械施工。渡线段B断面每循环开挖长度为0.5 m，台阶长度为4 m。

2 数值分析

2.1 模型建立

计算模型中，地层与二衬结构采用的是三维实体单元，初期支护结构采用的是板单元。土体采用修正摩尔-库伦本构模型；初支、二衬与临时支撑采用弹性本构模型。模型底部竖向位移约束，模型两侧水平位移约束。部分模型如图2所示。

图2 突变形式有限元模型

根据现场的地质勘察报告与结构设计参数，具体围岩及结构的物理力学参数如表1所示。

表1 地层及支护结构物理力学参数

台阶法应用于A断面，CRD法应用于B断面。依据资料建立相关模型：渐变断面转换形式下的渐变模型A型断面台阶预留核心土法区段共长20 m，包含4 m的渐变段；B型断面CRD法区段共长18 m。突变断面转换形式下的突变模型A型断面台阶预留核心土法区段共长18 m；B型断面CRD法区段共长20 m。依据现场施工情况设立工况：采用渐变形式由A到B，采用突变形式由B到A。为探究断面转换形式的合理性，在实际工况的基础上设立对比组：采用突变形式由A到B，采用渐变形式由B到A。计算工况如图3所示。

图3 A、B断面施工工况

2.2 A断面到B断面数值分析

2.2.1 地表沉降分析

由小断面向大断面施工时，两种断面转换形式下地表沉降情况如图4～图6所示。

图4 隧道贯通后地表竖向变形云图

图5 纵向地表竖向变形云图

图6 地表沉降曲线

断面转换渐变形式下地表沉降最大值为-25.8 mm，位置在渡线段台阶法起始施工加固土体的拱顶位置。断面转换突变形式下地表沉降最大值为-30.8 mm，位置在渡线段台阶法起始施工加固土体的拱顶位置。渐变形式下模型横向0～9 m最大范围内的地表沉降值为-2.5 mm；突变形式下模型横向0～9 m最大范围内的地表沉降值为-6.0 mm。

横向地表沉降曲线沉降槽随着左右侧隧道施工发生移动，渐变形式下地表沉降最大值为-12.6 mm；突变形式下地表沉降最大值为-15.3 mm；突变形式下地表沉降影响范围要大于渐变形式。纵向渐变形式下地表沉降最大值为-14.1 mm，突变形式下地表沉降最大值为-17.0 mm。纵向地表沉降变化主要依据各施工区段的施工。

2.2.2 结构变形分析

(1)两种断面转换形式下拱顶沉降如图7所示。

由图7可知：①突变形式下拱顶沉降最大值为-22.7 mm，渐变形式下拱顶沉降最大值为-20.4 mm。②渐变形式下对于拱顶沉降的控制是要优于突变形式的。但突变形式下在断面转换位置处拱顶沉降突然变小到-12.8 mm，后期随之又不断增加。渐变形式下在渡线段的台阶预留核心土法区段拱顶沉降不断减小到-11.3 mm。突变形式下在断面转换附近数值变动比较大，渐变形式下要相对平缓一些。

图7 拱顶沉降

(2)两种断面转换形式下水平位移如图8所示。由图8可知：①突变形式下水平位移最大值为-3.8 mm，渐变形式下水平位移最大值为-4.2 mm。②由于A型断面到B型断面的渡线段与标准段之间没有设置加固土体，可以看出隧道左、右侧水平位移呈对称形式。③两种断面形式下左右侧水平位移基本相同，隧道结构受挤压向左侧发生形变。

图8 隧道水平位移

2.3 B断面到A断面数值分析

2.3.1 地表沉降分析

突变形式下地表沉降最大值为-30.2 mm；渐变形式下地表沉降最大值为-26.9 mm，其最大值均出现在CRD区段末尾的加固土体位置。由大断面到小断面施工时，突变形式下对地表沉降的影响范围也很大.相较渐变形式差别不大。①横向地表沉降槽随着施工不同隧道发生移动，突变形式下横向地表沉降最大值为-16.6 mm，渐变形式下横向地表沉降最大值为-13.7 mm。②纵向地表沉降随着施工不同工法区段的隧道而增加，突变形式下纵向地表沉降最大值为-18.4 mm；渐变形式下横向地表沉降最大值为-15.2 mm。③当从大断面向小断面施工时，两种断面形式下，在控制地表沉降方面渐变形式是优于突变形式的。

2.3.2 结构变形分析

(1)两种断面转换形式下拱顶沉降如图9所示。

图9 渡线段拱顶沉降

突变形式下拱顶沉降的最大值为-22.7 mm；渐变形式下拱顶沉降的最大值-23.4 mm。

在台阶法区段突变形式下的拱顶沉降是要大于渐变形式下的，在断面转换区段渐变形式下的拱顶沉降是大于突变形式下的，进入CRD法区段后两种断面转换形式的拱顶沉降基本相同。

(2)两种断面转换形式下水平位移如图10所示。

图10 渡线段水平位移

由图10可知：①突变形式下水平位移最大值为2.8 mm；渐变形式下水平位移最大值为-7.1 mm。②渐变形式下水平位移的值要大于突变形式下的，在施工断面转换位置之后突变形式下的隧道右侧由x轴负向变成正向，左右两侧向内挤压。③渐变形式下在断面转换区段之后左右两侧位移值发生正负变化，在CRD工法区段隧道左右侧向内挤压，等转到台阶预留核心土法区段时隧道左右两侧开始向外挤压。

3 断面转换施工技术

3.1 渡线段A断面向B断面渐变过渡

渡线段A型断面断施工至最后4 m时开始采取8榀渐变过渡至A断面，成喇叭型外扩；渡线段A型断面开挖尺寸7 250 mm×7 400 mm，B型断面开挖尺寸9 400 mm×7 978 mm；考虑保护层等，渡线段A断面到B断面渐变过渡段每榀格栅钢架每侧比前一榀钢架扩大，每榀步距0.5 m，钢架之间通过“L”型加强筋和纵向连接筋将每榀钢架连接为整体，每侧锁脚处打设两根注浆锚管，将锁脚锚管与格栅钢架焊接为整体，利于整体受力，经过8榀连续渐变至B型断面。渡线段A型断面向B断面渐变过渡段采用CRD法施工；二衬施工时设置堵头墙直接变化至B型断面。断面转换示意图如图11所示。

图11 A、B断面转换施工方案

3.2 渡线段B断面向A断面突变变化

渡线段B型断面向A型断面变化时依据设计和监控量测稳定的情况下，可直接采用大断面变至小断面，在大小断面间设置堵头墙，即采用型钢和钢筋网片封堵，二衬施工时直接采用钢筋混凝土浇筑。

4 结论

(1)在A断面向B断面施工时采用渐变断面转换形式要优于突变；在B断面向A断面施工时可采用突变的断面转换形式，方便施工。

(2)当A断面向B断面采用渐变的断面转换形式施工时，地表沉降最大值为12.6 mm，其最大值位置为双线隧道中间部位上方土体；隧道结构拱顶沉降最大值为20.4 mm，水平位移最大值为-4.1 mm，其最大值位置均发生在台阶法起始段位置。

(3)当B断面向A断面采用突变的断面转换形式施工时，地表沉降最大值为16.6 mm，其最大值位置为渡线段上方土体；隧道结构拱顶沉降最大值为22.7 mm，水平位移最大值为2.8 mm，其最大值位置均出现在台阶法起始段位置。

(4)两种工法转换施工顺序下的地表沉降与隧道结构变形均符合设计要求，现场测试结果也表明以上施工的安全性。类似工程建议当大断面向小断面施工时可以采用突变的断面转换形式；当小断面向大断面施工时可以采用渐变的断面转换形式。