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
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 -
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9) 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
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
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 [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
