侧壁导洞施工方法在隧道下穿既有地铁车站应用分析

姚杰 崔文辉 于金龙

中铁六局集团有限公司 北京 100036

前言

近年来，我国隧道、地铁迅速发展，城市地铁建设中常出现隧道下穿既有地铁车站、地下商场等复杂问题。在受地形空间等限制下，常出现两个相邻隧道最小净距超出规范要求的现象。因此，城市地铁常采用大断面小净距隧道结构形式。小净距隧道相比普通隧道，施工难度大、工期长，施工过程中左右洞和中间岩柱的相互影响，围岩稳定性差，结构受力十分复杂，存在许多关键问题需要解决[1]。当小净距隧道下穿已有地下工程，围岩受力变形则更复杂多变[2]。侧壁导洞施工方法在对地面沉降要求严格时较为常用。本文采用有限差分计算方法，分析研究侧壁导洞施工方法在小净距隧道下穿既有车站中的应用，揭示位移、内力规律。

1 工程概况

本文依托重庆市轨道十号线下穿轨道六号线红土地车站工程。轨道六号线红土地站为已建工程，呈东西向布置，正常运营。新建重庆轨道交通十号线红土地站呈南北向布置，主体采用暗挖法施工，为复合式衬砌结构。两车站平面上呈十字相交（如图1所示）；在竖直方向上，轨道六号线红土地站位于十号线红土地车站上方，为减小十号线下穿施洞室开挖对上部车站的影响，将大跨度单洞隧道分成两个分离的单洞双层拱形结构（如图2所示）。

图1 下穿地铁隧道平面关系图

图2 下穿地铁隧道立面图

2 数值模型建立及控制

侧壁导洞开挖通常在对地面沉降要求严格时使用。一般将隧道断面从中间分成4～6部分，使上、下台阶左右各分成2～3部分，每一部分开挖并支护后形成独立的闭合单元，各部分开挖时，纵向间隔的距离可根据具体情况按台阶法确定[3]。每步的台阶长度都应控制，一般为5～7m，为稳定工作面，往往与预注浆等辅助施工措施配合使用，采用人工或机械开挖方式。本次施工顺序如图3所示。开挖过程采用先开挖一侧先行洞，再开挖另一侧后行洞，开挖过程如图3所示。侧壁导洞开挖：开挖支护顺序先开挖①部，然后开挖②部，最后开挖③部，再开挖④⑤⑥部。④⑤⑥部开挖顺序同①②③部。三种施工方案均每步开挖3m，上台阶先行下台阶3m，每步开挖后开挖后立即进行喷射混凝土支护，二衬支护紧跟开挖工作面。

图3 侧壁导洞开挖方式

十号线隧道下穿段为35m，为消除边界影响，两侧分别再取12.5m长的大断面，最终长度60m；六号线隧道长度取160m；岩土体厚110m，按地质条件划分为三层，上部为砂质泥岩，中部为砂岩，下部为砂质泥石，均为缓倾岩层。岩土体结构采用实体单元，已建六号线车站衬砌采用实体单元模拟；拟建十号线下穿段隧道初衬采用壳结构单元模拟，支护锚杆采用锚索单元模拟，二衬采用实体单元模拟。采用摩尔-库伦本构模型，物理力学参数如下表1。

表1 岩土体物理力学参数

4 计算结果分析

4.1 变形分析

（1）六号线车站结构变形

随着十号线下穿段施工的不断推进，其周边围岩受到扰动，发生应力重分布，致使六号线围岩位移场也发生改变，沿施工导洞方向偏移，且数值逐步增加。六号线车站最大位移出现在洞底，位移值逐渐向隧道两侧和洞顶扩展减小。十号线侧壁导洞开挖完毕后，六号线总位移云图如图4所示，十号线正上方的六号线总位移约有4.3～4.4mm。

图4 六线号隧道位移

（2）十号线下穿段围岩变形

图5为十号线下穿段洞顶位移曲线图，沿十号线下穿段中部，位移较小，沿两侧位移先出增大趋势，随后减小。在两侧位移峰值处（约±12.5m位置处）正位于六号线车站两帮下部，此处为六号线车站应力集中区，十号线开挖使得该处应力向下传递并释放，使得该处位移量较大；而下穿段中部（约0m位置）为六号线车站底板正下方，六号线开挖建成后，此处地应力较小，十号线开挖向下传递释放应力相对较小，因此，位移量较小[4-5]。后行洞在穿越六号线车站正下方位置后区域，位移较先行洞小，因为先行洞开挖使得六号线两帮应力集中区应力得到释放。

图5 十号线下穿段洞顶位移曲线

4.2 应力分析

（1）最大主应力

图6为十号线下穿施工完毕后，六号线支护结构的最大主应力云图，可知在洞顶与洞底部位存在应力集中特征[6]。而在隧洞两帮具有一定的压应力。在六号线变形速率较大的区域，即十号线正上方，因受下方隧洞开挖影响，其压应力与两侧压应力规律相比，有明显向下错动趋势[7-8]。根据局部放大的二衬支护结构截面最大主应力云图可见，六号线下方十号线先、后行洞之间预留的岩柱因两侧洞子开挖而承受的压应力[9]。洞底处最大主应力最大，其最大值为310kPa。

图6 支护结构最大主应力

（2）最小主应力

十号线下穿施工完毕后，分别以先（后）行洞间轴对称线、先（后）行洞的轴线两个剖面上的围岩及其支护结构最小主应力变化如图7所示。可见沿六号线轴线方向最小主应力变化并不大，隧道支护结构两帮的最小主应力最小，拱底处最小主应力最大，为200 kPa。

图7 围岩及支护结构最小主应力

5 结束语

本文基于有限差分法研究十号线采用侧壁导洞施工方法下穿六号线车站，对隧道围岩及六号线结构的影响。通过计算分析表明，侧壁导洞法施工引起的洞底沉降值较小，引起的扰动程度较弱，受扰动后的围岩能够更快地进入稳定阶段。下穿段隧道采用侧壁导洞施工方法，对上部六号线车站隧道洞顶变形、洞底变形都能起到较好好的控制效果。

参考文献

[1] 靳晓光,刘伟,秦峰,等.高速公路小净距隧道施工方法探讨[J].铁道工程学报,2004,21(2)63-68.

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[3] 陈卫忠,郑东,于建新,等.交叉隧道施工对已有隧道稳定性影响研究[J].岩石力学与工程学报,2015,(s1):3097-3105.

[4] 赵瑜,彭海游,卢义玉.深埋隧道围岩与支护结构相互作用的非线性动力学特性研究[J].公路交通科技,2009,26(11):98-102.

[5] Zhao Yu, Peng Haiyou, Analysis of nonlinear dynamic character in the surrounding rock system for deep buried underground engineering[J].Journal of Coal Science and Engineering 2010,16(4):362-366.

[6] 刘金朋.复杂交叉隧道开挖的相关力学特性研究[硕士学位论文][D].重庆:重庆大学,2008.

[7] Zhao Yu,Peng Haiyou.Analysis of Stability of Rock Pillar in Highway Tunnel through Coal Seam-Based on Fast Lagrangian Analysis of Continua[J] International Journal of Advancements in Computing Technology.JJAC,2012,4(19):10-17.

[8] 张玉军,刘谊平.上下行隧道立交处围岩稳定性的有限元计算[J].岩土力学,2002,23(4):511-515.

[9] 杜立兵,严松宏,蔡白洁.小净距空间交叉隧道台阶法施工安全性研究[J].隧道建设,2013,33(5):378-382.