盾构隧道基础上修建三条平行隧道
地铁车站的施工力学行为研究
摘 要 结合我国地铁区间单线盾构隧道直径6m 左右的实情,提出了在盾构隧道的基础上修建三条平行隧道岛式站台车站方案。对该车站结构的施工力学行为进行了二维有限元数值模拟分析,得出了车站主体结构在施作过程中的受力特征,并对其施工安全性作出了评价,最后提出了相应的设计和施工方面的建议。本研究成果可为今后实际工程的设计和施工提供参考。
关键词 地铁车站 盾构隧道 三条平行隧道结构 力学行为 设计与施工
目前,在我国城市地下铁道建设中,盾构法因其良好的防渗漏水性、安全快速、对环境影响小等优点得到了大量采用,如上海、广州和南京等,但仅限于单线区间隧道。如果能直接采用盾构法或在盾构隧道的基础上扩建地铁车站,可有效地提高盾构设备的作业长度,无需先修建车站作为盾构机的进出井, 这样可缩短建设周期,并从总体上较大幅度地降低工程造价,还可解决采用明挖法修建地铁车站时大量占用交通要道、影响车辆通行等弱点。在国外这种方法得到了大量采用,如日本在盾构隧道的基础上,采用托梁法或半盾构法扩挖建成地铁车站(东京地铁7 号线的永田町车站),以及直接采用固定式或分离式连体盾构机修建地铁车站(都营地铁12 号线饭田桥站和六本木站);而前苏联,以小盾构隧道作为拱座,修建单拱结构(单层或双层) 作为地铁车站, 或直接用直径为9～10 m 的盾构机建成三条平行隧道车站(基辅地铁车站) [ 1 ,2 ] 。
结合广州地铁三号线林和西路站,作者在国内首次对在区间盾构隧道的基础上修建地铁车站的方案进行了研究,提出了三条平行隧道岛式站台车站方案。该车站结构系在两条已经建成的区间盾构隧道中间,再单独采用暗挖法修建一条结构独立的隧道作为站台,用联络通道的方式将该隧道与盾构隧道联结,站厅设在地面或两端地下,站台两端还可设辅助用房。其断面的尺寸根据《广州市轨道交通三号线工程总体策划纲要(讨论稿) 》(2001 -02 -19) 中的车站施工方法及综合情况一览表进行确定,三条平行隧道岛式站台车站方案断面图如图1 所示。本文对该车站结构的施工力学行为进行了二维有限元数值模拟分析研究。
图1 三条平行隧道岛式站台车站断面(单位:mm)
1 地形地质概况
林和西路站位于天河北路与林和西路交叉口, 呈南北向,周围超高层的地域标志性建筑物较多,为该地区主要城市景观结点之一。该车站的主要特点:车站所在的林和西路现状道路较窄,交通繁忙; 站两侧建筑物距离较近,站位东、西向调整幅度非常有限;站位所处位置两旁建筑物的地下室已超出道路规划红线,造成出入口及风亭的布置困难;客流量较大;地下管线都很密集。场地为珠江一级堆积阶地,第四系覆盖层以人工堆积、冲洪积、残积为主,厚5. 1～14. 5 m , 局部可见透镜体状淤泥质土和细砂, 地质构造简单,未发现有断层通过。
林和西路站所在的地层从上到下为:人工填土、冲积粘土层、残积土层、岩石强和中等风化带、岩石风化带和岩石微风化带。该段地层水文地质主要为部分地段砂层孔隙水及中风化岩裂隙水,稳定地下水位埋深1.90～5.70 m 。
2 施工过程力学行为有限元模拟分析
2. 1 基本考虑
为了考察该车站主体结构、普通盾构管片和临时支护在施工过程中的可行性与安全性以及围岩的稳定性,采用二维有限元对车站修建整个过程进行了数值模拟分析。采用平面应变有限元法、围岩本构选用Drucker -Prager (D -P) 准则、支护衬砌用弹性本构、用单元的“ 生(alive) ”与“ 死(kill) ”的性质和等效释放载荷的概念来模拟隧道的开挖[3 ] 。使用等参四边形单元(plane42) 模拟围岩,梁单元(beam3) 模拟主体结构、普通盾构管片衬砌和临时支护结构。计算边界为:左右边界为1. 5 倍三连拱隧道跨度,下边界为1 倍三连拱洞室高。整个模型高33. 12 m , 宽80 m , 轨面埋深为20. 0 m 。为了获得较为可靠的分析结果,本次采用大型通用有限元软件ANSYS 程序进行了数值分析,其有限元网格划分如图2 所示。
2. 2 力学参数针对林和西路站地质勘测,将其从上到下围岩
图2 有限元网格
地质情况综合合并简化为3 层材料性质的岩土体进行计算分析,即地表浅层(合并了人工填土、冲积粘土层和稍密残积土层) 、隧道所在层(中密残积土层) 和隧道底层(岩石各种风化带),其合并后地层参数为各合并层参数按层厚的加权平均值。盾构隧道管片衬砌采用C50 钢筋混凝土,考虑到接头对管片结构整体抗弯刚度的影响,取刚度折减系数为0. 8 、弯矩增大率系数为0. 3[4 ] 。主体结构为C30 钢筋混凝土,临时支护钢支撑用14 号工字钢(A3 钢,惯性距712 ×10-8m4,面积21. 5 ×10-4m2,截面高14 cm) 、每米一榀;喷混凝土用C20 混凝土,厚度为25 cm ; 最后修筑的二次衬砌为C30 钢筋混凝土。拱顶地层加固范围为2. 0m , 加固区岩体和超前支护采用将围岩参数提高的等效方法进行模拟。所有材料物理力学参数列于表1 中。
2. 3 开挖模拟过程概述用暗挖法中CRD 工法施工,其施工顺序(图3) 为:首先进行在自重作用下初始地应力场的模拟计算; ① 开挖左右盾构区间隧道; ② 超前支护或地层加固,开挖左侧上导洞并修筑左侧拱部结构; ③ 开挖左侧下导洞并修筑左侧拱底结构; ④ 超前支护或地层加固,开挖右侧上导洞并修筑右侧拱部结构; ⑤ 开挖右侧下导洞并修筑右侧拱底结构后修筑二次衬砌结构; ⑥ 开挖左右两侧联络通道。其荷载释放率初期支护施作好后为75 % 、主体结构(二次衬砌) 施作好后为25 %[3 ] 。初期支护与二次衬砌共用节点,即假设不发生滑动、二次衬砌随着初期支护的变形而变形。
表1 施工过程力学行为有限元模拟分析的材料物理力学参数
图3 车站开挖顺序
3 计算结果分析
3. 1 盾构隧道随车站结构修建的力学分析
左、右盾构隧道最大弯矩和相应轴力随开挖过程变化见表2 , 盾构隧道的部分弯矩图和轴力图见图4 。由内力图可看出,随着车站的开挖,盾构隧道的受力从比较合理变成了局部出现较大的内力(出现在临近中洞侧) 。在左侧盾构隧道开挖中洞左上角部分土体(步骤2) 、右侧盾构隧道开挖右上角部分土体(步骤4) 时,管片衬砌最大弯矩和相应轴力增大了2 倍左右,对管片结构混凝土拉压应力影响不大;在随后的左侧盾构隧道中洞开挖(步骤3 、4 、5) 、右侧盾构隧道中洞的右下角开挖(步骤5) 时,管片结构的变形和内力重新调整,使得弯矩有所下降,而轴力增加,对结构的受力是有利的;在修建联络通道时(步骤6) ,因管片结构右侧的土体被彻底地移去,又加上联络通道与管片结构的刚接作用,使得刚接处弯矩和轴力都急剧增大,这对管片结构的受力是极为不利的。
表2 左右侧盾构隧道管片衬砌结构最大弯矩和相应轴力随开挖过程的变化
注释:左侧为弯矩图(单位:N·m) ,右侧为轴力图(单位:N) ,从上到下分别为步骤1 、步骤2 和步骤6 图4 盾构隧道弯矩和轴力图
总的来说,中洞的开挖与修建对盾构隧道结构修建对盾构隧道结构的受力相当不利,故要采取相应的受力影响不大,可采用普通管片衬砌,但是可适当的措施,如改刚接为搭接和对管片施加临时支撑等。增加洞室间的距离,降低因中洞的开挖对盾构隧道围
3. 2 车站主体结构的力学分析岩的扰动,从而减小所产生的附加弯矩。联络通道的中洞结构最大弯矩和相应轴力随开挖过程的变化见表3 , 中洞的部分弯矩图和轴力图见图5 。由计挖右侧拱底部分时,其弯矩又增大了,这是因为跨度算结果可知:随着中洞的开挖,衬砌上的内力随着地达到了最大;在修建联络通道时,中洞左侧与联络通应力重分布而变换,特别在实施步骤3 时,中洞拱脚道交接处的弯矩最大值为371 kN·m , 轴力最大值左侧弯矩达254 kN ·m , 因处于偏压下,故弯矩较为2 490 kN , 这是因中洞结构两侧的土体被移去和大;然后实施步骤4 时,拱顶和拱脚的弯矩值在数值联络通道与管片结构的刚接,使得连接处弯矩和轴上都有所下降,这是由于偏压减小而导致的;但在开力都急剧增大,这对结构的受力是极为不利的。
表3 中洞结构最大弯矩( M)和相应轴力(N) 随开挖过程的变化
图5 车站结构弯矩(左侧) 和轴力(右侧) 图
总的来说,中洞的开挖其洞室是稳定的,所采用的临时支护结构和二次衬砌结构是安全的,但应加强拱顶开挖前的超前支护和早喷混凝土,封闭开挖的洞室,从而减小对地层的扰动。结构体本身以增大二次衬砌仰拱拱跨比和适当加大两侧拱腰厚度等措施来增加结构的安全性。联络通道的修建对车站主体结构的受力不利,故应采取改刚接为搭接等措施。
3. 3 联络通道结构受力分析
联络通道的弯矩图和轴力图见图6 , 其最大弯矩值达到了123. 7 kN·m , 相应轴力仅为138. 8 kN , 出现在连接处; 而非连接处的弯矩为54. 3 kN·m , 相应轴力为130 kN 左右。表明联络通道与管片衬砌和中隧道二次衬砌的刚接对其结构的安全性相当不利,所以,要将联络通道与管片衬砌和中隧道二次衬砌的刚接改为搭接,这样联络通道结构的受力才是安全的。
图6 联络通道结构弯矩(左侧) 和轴力(右侧) 图
4 结 论
针对广州地铁三号线林和西路站,按照其车站规模和相应技术指标,本文提出了三条平行隧道岛式站台车站方案以及设计了主体结构参数,并对该车站结构的施工力学行为进行了二维有限元数值模拟分析。分析结果表明:
(1) 将联络通道与管片衬砌和中隧道二次衬砌的连接从刚接改为搭接后,本文提出的三条平行隧道岛式站台车站主体结构的受力是合理安全的。
(2) 在盾构法隧道基础上修建三条平行隧道地铁车站的思路是切实可行的,其车站主体结构和临时支护结构是安全的,这可缩短建设周期、提高盾构机的作业长度和利用率,因而可从总体上降低工程造价。
(3) 对盾构隧道,采取管片与联络通道的连接由刚接改为搭接措施后,管片可按同样条件下的区间隧道设计,但应对拼装管片进行特殊考虑,以利于联络通道修建时管片的拆卸和再利用。在实际工程应用中,应对车站内站台、站厅与其它辅助用房的连接等构造细部进行设计研究,以及进一步研究在扩挖修建车站主体结构时对周围环境的影响等。本文的研究成果,对今后采取在区间盾构隧道的基础上修建地铁车站的设计与施工技术方面,有一定的参考价值。
参考文献
[1 ] 李围,何川,李志南,等. 地铁车站盾构法综合技术在我国的应用前景探讨[ C]. 见:地下铁道专业委员会第十四届年会论文集. 北京:中国科学技术出版社,2001
[2 ] 施仲衡,张弥,王新杰等. 地下铁道设计与施工[ M ]. 陕西科学技术出版社,1997
[3 ] 潘昌实. 隧道力学数值方法[ M ]. 北京:中国铁道出版社, 1995
[4 ] (日) 地盘工学会. ? -????? ? の新技术[ M ]. 土木工学社出版社,1995
