地铁车站开挖对下穿道和B匝道的影响分析

熊辉

摘要：重庆市轨道交通环线一期工程天星桥车站总长为214m，根据周边环境条件和地质变化情况，采用暗挖法、明挖法分段施工。暗挖段位于道路正下方，地下两层岛式，长度195.74m，车站周边建筑物较多，工程環境复杂。本文以天星桥车站为工程依托，采用有限元数值模拟方法对车站主体与凤天路立交下穿道、B匝道重叠段的施工力学效应进行深入的研究，分析车站隧道平行下穿过程中立交B匝道和下穿道的位移及内力变化规律，对类似地铁车站施工有重要的参考意义。

关键词：天星桥车站；浅埋暗挖；数值模拟；下穿道；B匝道

1.引言

为缓解日益严重的城市交通压力，地铁建设规模不断扩大，已形成较为完善的地下交通体系。在城市地铁网络的建设中，不同线路间的穿越问题将不可避免。目前，国内外大中城市地区新建隧道穿越既有建构筑物的工程实例非常普遍。

截止2014年12月，重庆地铁拥有已开通运营的地铁线路有1号线、2号线、3号线、6号线，重庆地铁总里程已达130km。按照2020年的规划，重庆地铁总长度将达到195.6km，而且远景的规划线路应该会更多，更密。城市轨道交通的快速发展必然会存在很多的换乘和线路交叉问题，产生很多换乘节点和线路交叉，重庆地铁2015年线路换乘车站和区间隧道穿越的数目已经高达数十次，这给地铁工程建设提出了很大的挑战。因此新建隧道下穿既有结构工程有不少问题亟待解决。在上世纪80年代Attewell等研究了相应的计算方法。近年来随着国内邻近工程的增多，不少研究成果相继提出，陈岳峰[1]等研究了盾构下穿施工对已建隧道沉降的影响；白廷辉[2]等从分析地层的机理出发，系统地分析了盾构近距离下穿对既有地下构筑物的影响；朱合华[3]（1999）等在二维平面上采用应变分析方法模拟了盾构施工过程，分析讨论了隧道开挖对地层沉降的影响；刘元雪[4]（2004）认为在隧道施工过程中，周围土体发生的是小应变，基于这一假定模拟了盾构隧道施工的过程；以盾构法隧道施工工程案例为依托，根据实际监测资料，同济大学的李淼[5]（2008），分析总结了既有临近构建筑物对地表沉降的影响。

2.工程概况

天星桥车站为重庆市轨道交通环线第五座车站，车站位于凤天大道与天马路交汇处，为地下两层暗挖岛式车站。车站有效站台中心里程为YDK6+153.130m，设计起讫里程YDK6+011.550～YDK6+237.551，长225.00m。

天星桥站位于凤天大道天马路立交下，呈南北走向，南接凤天路站，北接沙坪坝站。车站西南侧为沙坪坝区人民政府和锦华大楼；东南侧为升伟精品装饰材料城；西北侧为大川建材城与青田家私城和西南药业公司；东北侧为马家岩停车场。凤天路站～天星桥站区间采用钻爆法施工，天星桥站～沙正街站区间采用复合式TBM施工。

3.数值模拟

3.1模型的建立

选取车站里程YDK06+012至YDK06+072段为研究对象，该段初始围岩为IV级围岩，天星桥结构顶距离凤天路下穿道5.43m，距匝道B线地通道5.17m（图1）。采用MIDASGTS有限元软件进行三维有限元数值分析，研究浅埋暗挖天星桥车站主体与凤天路立交下穿道和B匝道重叠段的施工力学效应。模型中岩体采用实体模型，初次衬砌采用平面单元进行模拟，锚杆采用植入式桁架单元进行模拟。模型共生成153603个单元，33303个节点，42个施工步。在隧道两侧分别取3倍洞径作为本段车站模型宽度，共170m；工程地势平坦模型顶面取平面；模型底边界至隧道取3倍洞高，共50m；模型计算长度取60m，最终获得模型尺寸为170m×92m×60m。B匝道和下穿道施加20kPa路面荷载。隧道计算模型如图2所示。

图1车站与立交下穿道、B匝道重叠段空间关系图2隧道计算模型

3.2模型参数选取

本文采用有限元软件MidasGTS对隧道进行三维开挖数值模拟，根据相关规范、地勘资料、公路隧道设计细则以及类似工程地勘参数，获得的围岩物理力学参数和支护结构参数如表1所列。

表1围岩及支护材料参数

材料

重度（kN/m3）

内摩擦角（°）

粘聚力（MPa）

弹性模量（GPa）

泊松比

抗拉强度（MPa）

厚度或直径（m）

人工填土

砂质泥岩

18

25.6

30

27

0.03

0.2

0.05

1.361

0.4

0.35

-

0.05

初期支护

22

-

-

23

0.2

1.1

0.32

混凝土

25

-

-

20.3

0.18

1.1

-

锚杆

75.5

-

-

200

0.3

260

0.025

3.3施工方法概述

车站开挖依照短进尺、早支护、快封闭、勤量测、速反馈的方针，采用三台阶法进行施工。为控制围岩变形及保证作业面的展开，每次开挖进尺为2m，开挖后进行初期支护，然后进行下一阶段的开挖，依次循环。上下相邻台阶间隔5个施工步（即10m）。进行施工阶段模拟计算，施工过程中的开挖及支护以单元的激活和钝化来模拟。模拟施工步骤为：初始状态→下穿道和B匝道修建，位移清零→车站主体按三台阶法开挖。

4.下穿道和B匝道计算结果分析

为了解车站硐室开挖对下穿道和B匝道的应力和变形的影响，分别选取下穿道和B匝道的4个典型断面，每个断面選取4个特征点。断面及特征点分布如图3～图5所示。

图3下穿道各分析断面分布图

图4 B匝道各分析断面分布图图5特征点分布图

4.1下穿道和B匝道的应力特征如图6和图7所示。

下穿道和B匝道的最小主应力和最大主应力云图：

图6下穿道和B匝道最小主应力云图

图7下穿道和B匝道最大主应力云图

由图6可以看出，下穿道和B匝道硐室结构的最小主应力既存在压应力，也存在拉应力。从图中可以明显的看出，最大拉应力出现在下穿道右下角的位置，最大值为1.09MPa，该位置相对于其它位置更容易产生裂缝。施工过程中必须加强对该位置的监控量测，严格执行勤量测、速反馈方针，保证工程安全施工。

由图7可以看出，下穿道和B匝道硐室结构的最大主应力以压应力为主；下穿道硐室结构的最大主应力较B匝道硐室结构明显，这是由两者与主体结构的相对位置关系导致的：B匝道位于车站主体结构的正上方，整体结构发生均匀沉降；下穿道位于主体结构的左上方位置，施工过程中发生的不均匀沉降较B匝道严重。

4.2下穿道的竖向位移特征

下穿道四个特征点的竖向位移变化曲线如图8～11所示。

图8下穿道a点竖向位移曲线图图9下穿道b点竖向位移曲线图

图10下穿道c点竖向位移曲线图图11下穿道d点竖向位移曲线图

从图8～11可以看出，对某一个特征点来说，随着掌子面向前推进的过程中，下穿道各个断面竖向位移的变化趋势也基本相同。从图中可以看出，a点的最大竖向位移为2.7mm，d点的最大竖向位移为4.2mm，上顶板发生了2.5mm的不均匀沉降；b点的最大竖向位移为2.7mm，c点的最大竖向位移为4.3mm，下底板发生了2.6mm的不均匀沉降。下穿道的上顶板和下底板均发生了不同程度的不均匀沉降，不均匀沉降量在0.005L（L为上顶板或下底板的宽度（mm））的控制值之内；总沉降值也远远小于道路沉降控制值20mm。

4.3B匝道的竖向位移特征

B匝道四个特征点的竖向位移变化曲线如图12～15所示。

图12B匝道a点竖向位移曲线图图13B匝道b点竖向位移曲线图

图14B匝道c点竖向位移曲线图图15B匝道d点竖向位移曲线图

从图12～15可以看出，B匝道四个断面的特征点a、b的最大竖向位移数值相差不大，而特征点c、d的最大竖向位移：断面1最大，断面2次之，再次是断面3，断面4最小，这说明离车站中线越近，竖向位移越大。取断面4来分析，a点的最大竖向位移为4.7mm，d点的最大竖向位移为3.8mm，上顶板发生了1.5mm的不均匀沉降；b点的最大竖向位移为4.8mm，c点的最大竖向位移为3.9mm，底板发生了1.7mm的不均匀沉降。下穿道的上顶板和下底板均发生了不同程度的不均匀沉降，不均匀沉降量在0.005L（L为上顶板或下底板的宽度m）的控制值之内；总沉降值也远远小于控制值20mm。

5.结论与建议

结合天星桥车站与立交下穿道和B匝道重叠段这一工程实例，通过数值计算以及类似工程调研，得到了合理的施工方案，充分保证了既有结构的安全，研究得到如下结论：

5.1既有结构下穿道和B匝道的最大主应力以压应力为主，下穿道较明显；既有结构下穿道和B匝道的最小主应力既存在压应力又存在拉应力，最大拉应力发生在下穿道右下角的位置。

5.2在车站开挖完成后，既有结构发生的水平位移较小，主要发生竖向位移，最大竖向位移发生在底板中部位置，发生的沉降值符合工程实际，在安全控制范围之内。

参考文献

[1]陈岳峰，张庆贺.盾构下穿越施工对已建隧道沉降的影响[J].地下空间与工程学报，2011，7（增1）：1490-1494.

[2]白廷辉.盾构近距离穿越地下构筑物研究[D].同济大学.2000.

[3]朱合华，丁文其，桥本正，等.盾构隧道施工过程模拟分析[C].第一届海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会，太原，1999.

[4]刘元雪，施建勇，许江，等.盾构法隧道施工数值模拟[J].岩土工程学报，2004，26（2）：239-243.

[5]李淼.建筑物对盾构隧道施工引起地面沉降模式的影响[J].工程勘察，2009，37（6）：30-33.