周相識

(湖南路橋建設集團有限責任公司,湖南 長沙,411004)

地鐵車站多工法施工的地層變形研究

周相識

(湖南路橋建設集團有限責任公司,湖南 長沙,411004)

以重慶交通軌道環(huán)線冉家壩地鐵車站為工程依托,采用現(xiàn)場監(jiān)控量測方法研究了雙側壁導坑法開挖、側洞法開挖及明挖法施工下的地層變形規(guī)律。結果表明:3種工法下明挖法引起的地表沉降變形最小,雙側壁導坑法開挖次之,側洞法引起的沉降變形最大;2種暗挖施工下初次開挖擾動引起的地層變形最大,占總沉降量的50%以上。分析隧道拱頂變形發(fā)現(xiàn),變形過程可分為左導洞開挖后的快速沉降階段、左右導洞開挖及時支護后的過渡變形階段和臨時支撐拆除后穩(wěn)定變形階段,且2種暗挖工法下的拱頂變形曲線均可由指數(shù)函數(shù)擬合。

隧道工程;雙側壁導坑法;側洞法;地表沉降;監(jiān)控量測

地鐵車站常位于城市中心地帶,通常有埋深淺、斷面大、地質條件復雜且變形要求高等特點。因此車站有時被迫采用多種工法進行施工。各工法施工的相互影響、圍巖的多次擾動以及其穩(wěn)定性成為學者們關注的焦點[1-6]。關于城市地鐵施工對地層變形的影響,國內(nèi)外學者做了大量研究。李淑等[7]通過對北京地鐵 30個明挖車站引起的地表變形進行研究,認為北京城區(qū)地表變形模式為“凹槽形”;田利鋒[8]結合有限元方法和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對弧形壁和雙側壁開挖方案進行研究,對比分析了隧道變形和支護結構內(nèi)力;周倩[9]基于 FLAC3D軟件和監(jiān)測數(shù)據(jù)對比研究了側洞法和洞柱法施工所引起的地層變形和支護結構力學特性;黃明利等[10]基于現(xiàn)場地層變形監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整隧道支護參數(shù),實現(xiàn)了施工及設計方案優(yōu)化。本文將對重慶軌道交通環(huán)線冉家壩地鐵車站的3種不同工法施工條件下地層變形進行研究,通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析各工法下的地表沉降和拱頂沉降變形規(guī)律,為隧道的安全施工提供保障。

1 工程概況

冉家壩站位于龍山一路與龍山大道交叉口下方,與 5、6號線換乘。5、6號線在上沿龍山大道南北向布置,平行換乘。環(huán)線位于5、6號線下方,沿龍山一路呈東西向布置,與5、6號線十字換乘。環(huán)線冉家壩站為側式站臺車站,站臺寬度5 m。車站起止里程為CK23+146.502～CK23+391.902,車站總長245.5 m。附屬結構包含2座風道及地面風亭(不包含風井開挖,風井作為復合式TBM吊出井)、2個疏散通道及4個站廳至站臺通道。具體施工內(nèi)容及布置見圖1,縱剖面及斷面見圖2～4。

圖1 冉家壩站平面布置圖

圖2 A區(qū)斷面

圖3 B區(qū)斷面

圖4 C區(qū)斷面

(1)車站主體概況。車站設計分為3個區(qū)段,分區(qū)位置見圖1。車站施工利用兩端風井及風道作為施工通道進入車站兩端A區(qū)(單拱斷面,結構為2層)施工,完成后進入B區(qū)(連拱斷面,單層結構),最后進入預留節(jié)點區(qū)域C區(qū)。C區(qū)位于已建6號線結構下方,采用類似明挖掏挖法進行施工,結構與6號線結構底板連接。車站設計詳見表1。

(2)車站附屬概況。車站共設2座風道及地面風亭(不包含風井開挖)、2個疏散通道、4個站廳至站臺通道。1、2號風道及風亭位于車站兩端北側,作為車站施工通道及兩端區(qū)間復合式TBM吊出井;4個站廳至站臺通道分別位于車站B區(qū)南北側,自站臺層連接站廳層已建通道;1、2號疏散通道分別位于東、西段B區(qū)北側,通過豎井至地面。

表1 冉家壩站主體結構設計

2 監(jiān)控量測分析

結合設計要求及工程特點對該工程進行監(jiān)控量測。監(jiān)測的項目主要有:地下管線變形、重慶廣電中心高層建筑物及臨近建筑物的變形、爆破振動、地表沉降、拱頂下沉及側面收斂量測等。其中地表沉降A區(qū)、B區(qū)于開挖上方每5～20 m布置一組斷面,每組斷面5～10個測點,測點間距5～10 m;C區(qū)于基坑四周布設測點,測點間距10 m。沉降設計控制值為地面隆起+10 mm,地面沉降-30 mm。

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法

監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定沉降是反應隧道圍巖穩(wěn)定的主要手段之一。通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析,預測地層及圍巖變形速率及最終穩(wěn)定變形值,進而為后續(xù)施工提供指導。目前最常用的回歸方程主要有3種:(1)對數(shù)函數(shù)y=a+b/ln(1+x);(2)指數(shù)函數(shù)y=a(1-e?bx);(3)雙曲線函數(shù)y=x/(a+bx)。式中,a,b為擬合常數(shù)。

2.2 地表沉降結果分析

選取雙側壁導坑法施工下的CK23+200斷面及側洞法開挖下CK23+295斷面監(jiān)測結果,對不同工法下地層變形規(guī)律進行分析。2種工法施工下的地表累計沉降曲線如圖5所示。由圖5可知,雙側壁導坑法施工條件下,地表最大沉降發(fā)生在隧道中線附近的#1測點,沉降值為25.75 mm;側洞法施工條件下地表最大沉降發(fā)生在左洞中線上方的#1測點,最大值達31.46 mm,大于設計控制值30 mm。進一步繪制雙側壁導坑法和側洞法下地表沉降隨時間變化曲線如圖6所示。由圖6可發(fā)現(xiàn),隧道的初次擾動(左導洞的開挖)對地層變形影響最大,其中左導洞的開挖引起 A區(qū)地表沉降達-16.45 mm,占總沉降量的58.9%;引起B(yǎng)區(qū)沉降達-19.17 mm,占總沉降量的50%。而右導洞開挖引起A、B區(qū)的地表沉降分別占29.5%和25.3%。C區(qū)明挖法下地表日沉降曲線如圖7所示。由圖7可知,在基坑四周形成有效支護結構后,明挖法施工引起的地表沉降變形較小,且日沉降曲線中出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象。

圖5 A區(qū)和B區(qū)地表累計沉降

圖6 A區(qū)和B區(qū)地表沉降曲線

選取雙側壁導坑法斷面CK23+200和側洞法斷面CK23+295圍巖變形進行分析,繪制不同工法下拱頂沉降隨時間變化曲線如圖8所示。由圖8可知,采用雙側壁導坑法施工時,該斷面的拱頂沉降變形累計沉降量為25.69 mm,小于該斷面最大地表沉降值;側洞法施工下拱頂沉降累計值為34.71 mm,稍大于地表沉降值。2種工法下變形過程均可分為3個階段:(1)快速變形階段,對應于隧道左導洞開挖后的沉降變形;(2)變形過渡階段,該階段對應于左右導洞開挖后并及時支護時產(chǎn)生的沉降;(3)變形穩(wěn)定階段,對應于臨時支撐拆除后各圍巖應力重新達到平衡后產(chǎn)生的沉降變形。對比圖6與圖8發(fā)現(xiàn),拱頂沉降變化曲線的3個階段與地表沉降變形較為一致。采用前述常用的3種回歸方程分別對2工法下拱頂數(shù)據(jù)進行回歸分析。擬合結果顯示指數(shù)函數(shù)為2種工況下的拱頂沉降與時間曲線的最佳擬合函數(shù)。A區(qū) CK23+200擬合結果為y=39.8(1-e-0.03x),相關系數(shù)R2=0.975;B區(qū) CK23+295擬合結果為y=29.4(1-e-0.028x),相關系數(shù)R2=0.976。

圖7 C區(qū)地表監(jiān)測沉降—時間曲線

圖8 拱頂沉降曲線

3 結論

本文對重慶軌道交通環(huán)線冉家壩地鐵車站的雙側壁導坑法開挖、側洞法開挖及明挖法施工下的3種工法施工條件下地層變形進行了研究。通過冉家壩地鐵車站現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析各工法下的地表沉降和拱頂沉降變形規(guī)律發(fā)現(xiàn):不同工法對地表變形影響不同,其中明挖法對地表沉降影響最弱,側洞法開挖影響最大;隧道的初次開挖擾動對地層變形影響最大,其影響可達50%以上;暗挖施工下的隧道拱頂沉降曲線可用指數(shù)函數(shù)進行較好地擬合,因此,暗挖施工時可采用指數(shù)函數(shù)進行拱頂沉降預測。

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(責任編校:江河)

Research on deformation of surrounding rock of subway station multimethod construction

Zhou Xiangshi
(Hunan Road and Bridge Construction Group Co Ltd,Changsha 411004,China)

As an example of a certain constructing Ranjiaba subway station of Chongqing transit circle line,by site monitoring method,the deformation characteristics of surrounding rock affected by the subway station with multi method construction are studied.The results show that the deformation induced by open cut method induces is smaller than the deformation induced by the double side drift method and side drifts-support method,and the first stratum deformation caused by the two kinds of underground construction is more than 50% of the total settlement.Also,cures of crown settlement ts obtained by in-situ convergence deformation measurement can be characterized into three phase:rapid deformation phase after the left tunneling,transition phase,due to the working of preliminary bracing;and stable convergence phase after the temporary support dismantled.Regression analysis was carried out on the deformation of surrounding rock,and the results show that exponential function fit the dates obtained from in-situ monitoring better than other functions.

Tunnel engineering;double side drift method;side drifts-support method;surface subsidence;Monitoring

U 25

A

1672-6146(2017)02-0073-04

周相識,asan600@126.com。

2016-12-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2017.02.017