盾構法施工三條平行隧道地鐵車站時的開挖結(jié)構力學行為

PAGE5盾構法施工三條平行隧道地鐵車站時的開挖結(jié)構力學行為研究前言我國地鐵車站的施工大多采用明挖法，如北京西客站地鐵車站[1]。明挖車站的結(jié)構型式有矩形框架結(jié)構和拱形結(jié)構兩種，明挖法造價底、施工方便。但是，明挖法施工對城市居民的生活干擾大，應用受到各種因素的限制，特別是地面交通和環(huán)境。當?shù)孛娌荒芴峁┤棵魍谧鳂I(yè)條件時，可采用蓋挖法施工，如上海延吉中路地鐵車站[2]。蓋挖法修建地鐵車站時，采用圍護結(jié)構和支撐體系在較繁忙交通路段利用結(jié)構頂板或臨時結(jié)構設施維持路面交通，在其下進行車站施工。因此，目前蓋挖法也成為修建地鐵車站的主要方法，在世界上蓋挖法修建車站占有很大比例。當?shù)孛娼煌ú惶峁┟魍诨蛏w挖作業(yè)條件時，只能采用暗挖法施工，當車站埋深小時，采用暗挖法施工，如北京地鐵西單車站就是采用淺埋暗挖法修建的。而目前，在我國城市地下鐵道建設中，區(qū)間隧道多采用盾構法修建，如上海、廣州和南京等，盾構法具有良好的防滲漏水性、安全快速和對環(huán)境影響小等優(yōu)點。這樣就要求先修建地鐵車站，然后將車站的端頭井作為盾構施工的始發(fā)與到達井，而車站所占的土建費用又昂貴，故導致工期增長、造價增加。如果采用在盾構隧道的基礎上擴建地鐵車站這一施工思路，可有效地提高盾構機的掘進長度，同時無需先修車站，這樣可縮短建設周期，從而從總體上降低工程造價，還可避免明挖法對交通要道的占用、影響車輛通行等弱點[3]。在國外配合盾構法修建地鐵車站得到了大量采用，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，如日本采用托梁法建成了營團地鐵8號線的永田町站[4]；而前蘇聯(lián)，以小盾構隧道為拱座，修建單拱結(jié)構車站，如俄羅斯彼得保勇敢廣場站[5]。本文對在區(qū)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。并就中間車站隧道的開挖方法進行了方案研究，包括全斷面、預留核心土臺階法和CRD法，得出推薦施工方法。同時，就施工對地面環(huán)境的影響范圍和隧道襯砌結(jié)構的安全性進行了分析。1車站情況概要模擬車站地層從上到下為人工填土，沖積粘土層，殘積土層，巖石強、中等風化帶，巖石風化帶和巖石微風化帶。該段地層主要為部分地段砂層孔隙水,及中風化巖裂隙水，穩(wěn)定地下水位埋深1.90～5.70m。場地為第四系覆蓋層以人工堆積、沖積、洪積、殘積為主，厚5.1～14.5m，局部可見透鏡體狀淤泥質(zhì)土和細砂，地質(zhì)構造簡單。擬采用盾構過站后擴挖建成三條平行隧道島式站臺車站的施工方案。即在兩條已經(jīng)建成的區(qū)間盾構隧道中間，再單獨采用暗挖法修建一條結(jié)構獨立的隧道作為站臺，用聯(lián)絡通道的方式將該隧道與盾構隧道聯(lián)結(jié)，站廳設在地面或兩端地下，站臺兩端還可設輔助用房，按照三級車站的標準設計的斷面如圖1所示。盾構隧道采用常用的斷面3m半徑。圖1車站站臺斷面圖（單位：mm）2施工方案設計共設計了四種施工方案，包括全斷面開挖法（方案A和方案B，其中方案A為沒有加固圈）、預留核心土臺階法（方案C）和CRD法（方案D），其施工順序見圖2。圖中：S0為初始地應力場的模擬計算；S1開挖并支護左盾構隧道；S2開挖并支護右盾構隧道；S3—S7為超前支護開挖中間隧道土體和噴射混凝土支護以及二次襯砌的施作等。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(jié)構整體抗彎剛度的影響，取剛度折減系數(shù)為0.75、彎矩增大率系數(shù)0.3[4]。二次襯砌為C30鋼筋混凝土，臨時支護鋼支撐用14號工字鋼、每米2榀、噴射混凝土用C20、厚25cm。拱頂?shù)貙蛹庸谭秶鸀?.0m，采用超前小導管注漿進行加固，加固的效果要達到III類圍巖的要求。3數(shù)值模擬3.1建?？紤]車站隧道為細長結(jié)構物，屬于平面應變力學模型，采用FLAC進行施工數(shù)值模擬分析。由于城市地鐵的地質(zhì)條件多以軟土為主，故采用大變形條件下的彈塑性摩爾－庫侖本構模型進行模擬圍巖，支護襯砌結(jié)構采用彈性本構模擬，采用開挖單元和載荷釋放的概念來模擬隧道的開挖[6]。采用實體單元模擬圍巖和二次襯砌，殼體單元盾構管片襯砌和臨時支護結(jié)構，加固區(qū)巖體和超前支護采用將圍巖參數(shù)提高的等效方法進行模擬，所有材料物理力學參數(shù)列于表1中。計算邊界：左右邊界為2倍三條平行隧道總跨度，下邊界為1.5倍中洞高；則計算模型為150m×38m；隧道埋深13.5m。模型網(wǎng)格見圖3所示。圖2不同方案施工順序圖3計算模型網(wǎng)格宅表貸1丹星竿材料物理力學涼參數(shù)佛材料自γ莫/kN/m嬌3蝴E/GPa鮮μ塔c/kPa竭/°貢圍巖類別現(xiàn)圍巖筍20.0撇0.8劑0.38麥20.5披23.5易Ⅱ嫁加固圈遙20.0顫3.0宿0.32雷300.5盤31.0舒Ⅲ玻C5延0煉鋼筋砼商25.0鋼34.5嫁0.2杰--餐--換--甘C3同0嚴鋼筋砼格25.0椅30.0核0.2評--蔬--拿--綁C2撞0駱混凝土館25.0穴21.0蝶0.2鮮--掙--肚--每3坦.2旺孩計算結(jié)果分析漿（僑1野）施工方案的葬選擇玉不同施工方案啞條件下地表沉費降曲線如印圖霜4率所示，每一種示施工方案對應啦的地表沉降隨拼開挖變化圖見窮圖翠5撞，其割中推L抬為左盾構隧道荒正上方伯，冊R熄為左盾構隧道文正上方騾，澡Z滲為中隧道正上眉方。動由月圖殼4播可知，隨著施秋工方案的不同腔，產(chǎn)生的最大辦地表沉降量也匪不同。在中間抵隧道拱頂?shù)貙永鄱歼M行加固的輸情況下，全斷診面施工（方冊案旅B系）所產(chǎn)生的地芬表沉降最大、漂而居CR宇D瞧法（方念案運D異）所產(chǎn)生的最叛小、預留核心告土臺階法（方駕案智C撲）界于全斷面撿和沾CR冷D導之間。同是全垂斷面開挖，而例不進行拱頂?shù)貞B(tài)層加固所產(chǎn)生俱的地表沉降量檢的最大值為披9.23cm膽，加固時為籠4.15cm若。說明在采用閘暗挖法開挖中魚間隧道之前，謠先進行拱頂?shù)卮鐚蛹庸虒刂瓶畹乇硐鲁料鄬υ褂欣?。由于城晃市地面環(huán)境對斧地表下沉控制至嚴格，通常要違求最大下沉不倦超過農(nóng)3cm談、最大隆起不暴超過耐1cm課，故在采用暗釀挖法開挖中間卵隧道之前，必于須采用超前支恰護措施，如小兔導管注漿加固遵或者大管棚等甜。在中隧道拱孩頂?shù)貙蛹庸虠l愚件下，其加固予參數(shù)應達到本特次計算所采用助的數(shù)值悄，物曲C仍和舍D流兩種施工方案述都是可行的。娛但是采榆用挺CR總D艱法施工時，其轟開挖和支護的查工序較多、施突工進度慢和造刑價高等，故推焰薦采用預留核扔心土臺階法開始挖，即施工方懶案逗C言。刺（躁2張）地表沉降槽框?qū)挾确治稣f由窯圖首5基可看出，隨著宏開挖的進行，相其地表沉降逐蜜漸增加，比較狡三個施工方案熔，方判案低B肆產(chǎn)生的地表沉爸降主要在中間鋤隧道的全斷面私開挖步。由于下盾構掘進而產(chǎn)枝生的地表最大賓沉降為扯1.5cm仙，沒有超過信3cm冰，說明盾構施觀工不需要對地吸層進行加固處銹理。三個施工純方案的地表沉柔降槽寬度為您90m插左右，即兩側(cè)懇影響邊界為盾杜構隧道兩側(cè)距忍離（簡稱總跨誠度，為啦30m逮）架的泡1診倍左右，見笛圖孩5尖（允d兔）。但是，從廚圖門4攝可看出，地表箱沉降大于容2mm而的沉降槽范圍申為論60m授左右，即兩側(cè)帽的影響范圍為仙總跨度吊的忌0.純5歉倍，相當于盾霜構隧道兩口側(cè)千2.史5捏倍盾構隧道外招徑、或中間隧本道兩飯側(cè)常2.礦5背倍隧道跨度左狐右（其跨度為叼10m前）。因此，對奮于城市主干道已建筑紅線為產(chǎn)60m烘的情況，因在思盾構隧道的基獨礎上暗挖修建只三條平行隧道輝地鐵車站時，責不會影響兩側(cè)素房屋建筑的正賠常使用。給圖扯4桃礙不同施工方案介條件下地表沉浩降曲線（橫坐頭標單學位紋m施，豎坐標單茫位段m陷m赴）絲（衛(wèi)a主）方蔥案但B康增父蠶勢蔬即沫（僵b為）方構案文C胡（老c脖）方辰案刑D微槽船盛底鍋（猛d雀）方裙案菠C篩開挖完成遠時償y誠方向位移（單孔位胳：薦m臭）須圖帶5讓幼地表沉降隨開曬挖變化圖疏注倡：席L鬼為左盾構隧道桃正上方匠，里R僚為左盾構隧道席正上方寸，準Z勾為中隧道正上確方。顧（男3相）推薦施工方鏟案隧道襯砌結(jié)嗎構內(nèi)力分析給盾構隧道管片娃襯砌結(jié)構、初邪期支護和二次淘襯砌的第一主派應力和第三主搞應力如開圖液6淹所示。盾構隧惹道管片和初期私支護結(jié)構的最喉大壓應力頃為美0.15MP齒a嚷、而最大拉應沸力挨為狗0.16MP俘a帳，滿足結(jié)構設甚計時的承載能夾力極限狀態(tài)的珠要求。中間隧網(wǎng)道二次襯砌只錫受壓，其最大用壓應力爽為壽1.2MP資a木，而二次襯砌瞇采用的妥是駁C3譜0牙混凝土，同樣壤滿足承載能力儉極限狀態(tài)的要飾求。所以，采辜用預留核心土懶臺階法開挖（騰施工方納案夕C吵）時，其采用煙的襯砌結(jié)構是緒安全的。儉盾構隧道管片既和初期支護第嗚三主應力丙圾師盾構隧道管片些和初期支護第拌一主應力貸錯房二次襯砌的第域一主應灌力丘傲脅咱疾獻盟二次襯砌的第掀三主應力躲圖核6陜泊方壟案來C桑修建完成時隧威道襯砌結(jié)構應煌力（單位員：按P鴉a僻）4結(jié)束語當（暖1至）在中隧道拱燙頂?shù)貙蛹庸虠l偶件下輕，覺C禮和矮D塞兩種施工方案損都是可行的，附但是綜合考慮皆施工進度和造木價高等因素，幅推薦采用施工梁方枕案故C