盾構隧道基礎上修建三條平行隧道
地鐵車站的施工力學行為研究

摘　要　結合我國地鐵區間單線盾構隧道直徑6m 左右的實情,提出了在盾構隧道的基礎上修建三條平行隧道島式站臺車站方案。對該車站結構的施工力學行為進行了二維有限元數值模擬分析,得出了車站主體結構在施作過程中的受力特征,并對其施工安全性作出了評價,最后提出了相應的設計和施工方面的建議。本研究成果可為今后實際工程的設計和施工提供參考。
關鍵詞　地鐵車站　盾構隧道　三條平行隧道結構　力學行為　設計與施工

　　目前,在我國城市地下鐵道建設中,盾構法因其良好的防滲漏水性、安全快速、對環境影響小等優點得到了大量采用,如上海、廣州和南京等,但僅限于單線區間隧道。如果能直接采用盾構法或在盾構隧道的基礎上擴建地鐵車站,可有效地提高盾構設備的作業長度,無需先修建車站作為盾構機的進出井, 這樣可縮短建設周期,并從總體上較大幅度地降低工程造價,還可解決采用明挖法修建地鐵車站時大量占用交通要道、影響車輛通行等弱點。在國外這種方法得到了大量采用,如日本在盾構隧道的基礎上,采用托梁法或半盾構法擴挖建成地鐵車站(東京地鐵7 號線的永田町車站),以及直接采用固定式或分離式連體盾構機修建地鐵車站(都營地鐵12 號線飯田橋站和六本木站);而前蘇聯,以小盾構隧道作為拱座,修建單拱結構(單層或雙層) 作為地鐵車站, 或直接用直徑為9～10 m 的盾構機建成三條平行隧道車站(基輔地鐵車站) [ 1 ,2 ] 。
結合廣州地鐵三號線林和西路站,作者在國內首次對在區間盾構隧道的基礎上修建地鐵車站的方案進行了研究,提出了三條平行隧道島式站臺車站方案。該車站結構系在兩條已經建成的區間盾構隧道中間,再單獨采用暗挖法修建一條結構獨立的隧道作為站臺,用聯絡通道的方式將該隧道與盾構隧道聯結,站廳設在地面或兩端地下,站臺兩端還可設輔助用房。其斷面的尺寸根據《廣州市軌道交通三號線工程總體策劃綱要(討論稿) 》(2001 -02 -19) 中的車站施工方法及綜合情況一覽表進行確定,三條平行隧道島式站臺車站方案斷面圖如圖1 所示。本文對該車站結構的施工力學行為進行了二維有限元數值模擬分析研究。

圖1 　三條平行隧道島式站臺車站斷面(單位:mm)
1 　地形地質概況
林和西路站位于天河北路與林和西路交叉口, 呈南北向,周圍超高層的地域標志性建筑物較多,為該地區主要城市景觀結點之一。該車站的主要特點:車站所在的林和西路現狀道路較窄,交通繁忙; 站兩側建筑物距離較近,站位東、西向調整幅度非常有限;站位所處位置兩旁建筑物的地下室已超出道路規劃紅線,造成出入口及風亭的布置困難;客流量較大;地下管線都很密集。場地為珠江一級堆積階地,第四系覆蓋層以人工堆積、沖洪積、殘積為主,厚5. 1～14. 5 m , 局部可見透鏡體狀淤泥質土和細砂, 地質構造簡單,未發現有斷層通過。
林和西路站所在的地層從上到下為:人工填土、沖積粘土層、殘積土層、巖石強和中等風化帶、巖石風化帶和巖石微風化帶。該段地層水文地質主要為部分地段砂層孔隙水及中風化巖裂隙水,穩定地下水位埋深1.90～5.70 m 。
2 　施工過程力學行為有限元模擬分析
2. 1 　基本考慮
為了考察該車站主體結構、普通盾構管片和臨時支護在施工過程中的可行性與安全性以及圍巖的穩定性,采用二維有限元對車站修建整個過程進行了數值模擬分析。采用平面應變有限元法、圍巖本構選用Drucker -Prager (D -P) 準則、支護襯砌用彈性本構、用單元的“ 生(alive) ”與“ 死(kill) ”的性質和等效釋放載荷的概念來模擬隧道的開挖[3 ] 。使用等參四邊形單元(plane42) 模擬圍巖,梁單元(beam3) 模擬主體結構、普通盾構管片襯砌和臨時支護結構。計算邊界為:左右邊界為1. 5 倍三連拱隧道跨度,下邊界為1 倍三連拱洞室高。整個模型高33. 12 m , 寬80 m , 軌面埋深為20. 0 m 。為了獲得較為可靠的分析結果,本次采用大型通用有限元軟件ANSYS 程序進行了數值分析,其有限元網格劃分如圖2 所示。
2. 2 　力學參數針對林和西路站地質勘測,將其從上到下圍巖

圖2 　有限元網格
地質情況綜合合并簡化為3 層材料性質的巖土體進行計算分析,即地表淺層(合并了人工填土、沖積粘土層和稍密殘積土層) 、隧道所在層(中密殘積土層) 和隧道底層(巖石各種風化帶),其合并后地層參數為各合并層參數按層厚的加權平均值。盾構隧道管片襯砌采用C50 鋼筋混凝土,考慮到接頭對管片結構整體抗彎剛度的影響,取剛度折減系數為0. 8 、彎矩增大率系數為0. 3[4 ] 。主體結構為C30 鋼筋混凝土,臨時支護鋼支撐用14 號工字鋼(A3 鋼,慣性距712 ×10-8m4,面積21. 5 ×10-4m2,截面高14 cm) 、每米一榀;噴混凝土用C20 混凝土,厚度為25 cm ; 最后修筑的二次襯砌為C30 鋼筋混凝土。拱頂地層加固范圍為2. 0m , 加固區巖體和超前支護采用將圍巖參數提高的等效方法進行模擬。所有材料物理力學參數列于表1 中。
2. 3 　開挖模擬過程概述用暗挖法中CRD 工法施工,其施工順序(圖3) 為:首先進行在自重作用下初始地應力場的模擬計算; ① 開挖左右盾構區間隧道; ② 超前支護或地層加固,開挖左側上導洞并修筑左側拱部結構; ③ 開挖左側下導洞并修筑左側拱底結構; ④ 超前支護或地層加固,開挖右側上導洞并修筑右側拱部結構; ⑤ 開挖右側下導洞并修筑右側拱底結構后修筑二次襯砌結構; ⑥ 開挖左右兩側聯絡通道。其荷載釋放率初期支護施作好后為75 % 、主體結構(二次襯砌) 施作好后為25 %[3 ] 。初期支護與二次襯砌共用節點,即假設不發生滑動、二次襯砌隨著初期支護的變形而變形。
表1 　施工過程力學行為有限元模擬分析的材料物理力學參數

圖3 　車站開挖順序

3 　計算結果分析
3. 1 　盾構隧道隨車站結構修建的力學分析
左、右盾構隧道最大彎矩和相應軸力隨開挖過程變化見表2 , 盾構隧道的部分彎矩圖和軸力圖見圖4 。由內力圖可看出,隨著車站的開挖,盾構隧道的受力從比較合理變成了局部出現較大的內力(出現在臨近中洞側) 。在左側盾構隧道開挖中洞左上角部分土體(步驟2) 、右側盾構隧道開挖右上角部分土體(步驟4) 時,管片襯砌最大彎矩和相應軸力增大了2 倍左右,對管片結構混凝土拉壓應力影響不大;在隨后的左側盾構隧道中洞開挖(步驟3 、4 、5) 、右側盾構隧道中洞的右下角開挖(步驟5) 時,管片結構的變形和內力重新調整,使得彎矩有所下降,而軸力增加,對結構的受力是有利的;在修建聯絡通道時(步驟6) ,因管片結構右側的土體被徹底地移去,又加上聯絡通道與管片結構的剛接作用,使得剛接處彎矩和軸力都急劇增大,這對管片結構的受力是極為不利的。
表2 左右側盾構隧道管片襯砌結構最大彎矩和相應軸力隨開挖過程的變化

注釋:左側為彎矩圖(單位:N·m) ,右側為軸力圖(單位:N) ,從上到下分別為步驟1 、步驟2 和步驟6 圖4 　盾構隧道彎矩和軸力圖
　　總的來說,中洞的開挖與修建對盾構隧道結構修建對盾構隧道結構的受力相當不利,故要采取相應的受力影響不大,可采用普通管片襯砌,但是可適當的措施,如改剛接為搭接和對管片施加臨時支撐等。增加洞室間的距離,降低因中洞的開挖對盾構隧道圍

3. 2 　車站主體結構的力學分析巖的擾動,從而減小所產生的附加彎矩。聯絡通道的中洞結構最大彎矩和相應軸力隨開挖過程的變化見表3 , 中洞的部分彎矩圖和軸力圖見圖5 。由計挖右側拱底部分時,其彎矩又增大了,這是因為跨度算結果可知:隨著中洞的開挖,襯砌上的內力隨著地達到了最大;在修建聯絡通道時,中洞左側與聯絡通應力重分布而變換,特別在實施步驟3 時,中洞拱腳道交接處的彎矩最大值為371 kN·m , 軸力最大值左側彎矩達254 kN ·m , 因處于偏壓下,故彎矩較為2 490 kN , 這是因中洞結構兩側的土體被移去和大;然后實施步驟4 時,拱頂和拱腳的彎矩值在數值聯絡通道與管片結構的剛接,使得連接處彎矩和軸上都有所下降,這是由于偏壓減小而導致的;但在開力都急劇增大,這對結構的受力是極為不利的。
表3 　中洞結構最大彎矩( M)和相應軸力(N) 隨開挖過程的變化

圖5 　車站結構彎矩(左側) 和軸力(右側) 圖
　　總的來說,中洞的開挖其洞室是穩定的,所采用的臨時支護結構和二次襯砌結構是安全的,但應加強拱頂開挖前的超前支護和早噴混凝土,封閉開挖的洞室,從而減小對地層的擾動。結構體本身以增大二次襯砌仰拱拱跨比和適當加大兩側拱腰厚度等措施來增加結構的安全性。聯絡通道的修建對車站主體結構的受力不利,故應采取改剛接為搭接等措施。
3. 3 　聯絡通道結構受力分析
聯絡通道的彎矩圖和軸力圖見圖6 , 其最大彎矩值達到了123. 7 kN·m , 相應軸力僅為138. 8 kN , 出現在連接處; 而非連接處的彎矩為54. 3 kN·m , 相應軸力為130 kN 左右。表明聯絡通道與管片襯砌和中隧道二次襯砌的剛接對其結構的安全性相當不利,所以,要將聯絡通道與管片襯砌和中隧道二次襯砌的剛接改為搭接,這樣聯絡通道結構的受力才是安全的。

圖6 　聯絡通道結構彎矩(左側) 和軸力(右側) 圖
4 　結　論
針對廣州地鐵三號線林和西路站,按照其車站規模和相應技術指標,本文提出了三條平行隧道島式站臺車站方案以及設計了主體結構參數,并對該車站結構的施工力學行為進行了二維有限元數值模擬分析。分析結果表明:
(1) 將聯絡通道與管片襯砌和中隧道二次襯砌的連接從剛接改為搭接后,本文提出的三條平行隧道島式站臺車站主體結構的受力是合理安全的。
(2) 在盾構法隧道基礎上修建三條平行隧道地鐵車站的思路是切實可行的,其車站主體結構和臨時支護結構是安全的,這可縮短建設周期、提高盾構機的作業長度和利用率,因而可從總體上降低工程造價。
(3) 對盾構隧道,采取管片與聯絡通道的連接由剛接改為搭接措施后,管片可按同樣條件下的區間隧道設計,但應對拼裝管片進行特殊考慮,以利于聯絡通道修建時管片的拆卸和再利用。在實際工程應用中,應對車站內站臺、站廳與其它輔助用房的連接等構造細部進行設計研究,以及進一步研究在擴挖修建車站主體結構時對周圍環境的影響等。本文的研究成果,對今后采取在區間盾構隧道的基礎上修建地鐵車站的設計與施工技術方面,有一定的參考價值。

參考文獻
[1 ] 李圍,何川,李志南,等. 地鐵車站盾構法綜合技術在我國的應用前景探討[ C]. 見:地下鐵道專業委員會第十四屆年會論文集. 北京:中國科學技術出版社,2001
[2 ] 施仲衡,張彌,王新杰等. 地下鐵道設計與施工[ M ]. 陜西科學技術出版社,1997
[3 ] 潘昌實. 隧道力學數值方法[ M ]. 北京:中國鐵道出版社, 1995
[4 ] (日) 地盤工學會. ? -????? ? の新技術[ M ]. 土木工學社出版社,1995