广州地铁双线交汇段放坡支护方案优化研究.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 0 4 年5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V o 【_ 3 3N o ．3 M a v2 0 0 4 文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 30 2 6 8 0 5 广州地铁双线交汇段放坡支护方案优化研究 杨晓杰1 ，邓飞皇1 ，曹伍富1 ，刘玉香1 ，郭志明2 1 ．中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．中铁十六局集团有限公司广州地铁项目部，广东广州5 1 0 6 2 0 摘要运用F I 。A C 3 0 程序，对广州地铁体育西路站双线交汇处暗挖段放坡支护引起的稳定性问题 进行模拟计算，采用多方案对比淘汰逐步优化的方法进行最佳放坡支护方案选择，并对按最佳放 坡支护方案施工引起的力学行为特性进行了分析研究．研究表明，土层注浆、管棚超前支护和喷 锚对交汇段岩土体和一号线车站结构的稳定性起了十分积极的作用． 关键词地铁双线交汇；数值模拟；边坡支护；喷锚；管棚f 注浆 中固分类号U2 3 1 ．3 文献标识码A O p t i m u mD e s i g no fS l o p eS u p p o r ti nI n t e r j u n c t i o n S e c t i o no fS u b w a yS t a t i o ni nG u a n g z h o u Y A N GX i a oi i e l ，D E N GF e i - h u a n 9 1 ，C A OW u f u l ，L I UY u x i a n 9 1 ，G U OZ h i m i n 9 2 1 ．S c h o o lo fM e c h a n i c s ，A r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，C U M T ．B e i j l n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．G ZS u b w a yP r o i e c tS e c t ．，C h i n aR a i l w a y1 6R u r e 日uC 0 ，L i d ，G u a n g z h o u ，G t m n g d o a g5 1 0 6 2 0 ，C h i n a A b s t r a e t W i t ht h en u m e r i c a lc o d eF L A C ”，s o m en u m e r i c a Is i m u l a t i o n so ft h es t a b i l i t yo fr o c k m a s sa n ds t r u c t u r ea r em a d ef o ras l o p ei nt h ei n t e r j u n c t i o nb e t w e e nN o ．1f i n ea n dN o ．3l i n eo f G u a n g z h o us u b w a y ．U s i n gt h ec o m p a r i s o nm e t h o dt h eo p t i m u ms c h e m ef o rs u p p o r tp a r a m e t e r s w a ss e l e c t e df r o m4s c h e m e s ．T h em e c h a n i c a lb e h a v i o r sc a u s e db ys l o p ec u t t i n ga n ds u p p o r tf i x i n g a r es t u d i e da tl a s t ，I ti ss h o w nt h a tt h eg r o u t i n g ，p i p el o d g ep o l ea d v a n c et u n n e ls u p p o r ta n d s h o t e r e a t b o l th a v et a k e ng r e a tp o s i t i v ee f f e c tf o rt h es t a b i l i t yo fr o c km a s sa n ds t r u c t u r e ． K e yw o r d s i n t e r j u n c t i o no f t w oC R O S S s u b w a yl i n e s ；n u m e r i c a Is i m u l a t i o n ；s l o p es u p p o r t ； s h o t c r e t e b o l t ；p i p el o d g ep o l e ；g r o u t i n g 随着城市交通的发展和地铁线路的增多，不可 避免地会出现越来越多的地铁双线交汇穿越和可 相互换乘的地铁车站，如北京的复兴门和建国门地 铁站、上海的人民公园站等[ 1 。2 ] ．在早期的地铁车站 建设中，主要涉及单线路车站的建设．目前，对单线 路车站的研究已较多，而地铁双线交汇车站的影响 研究很少．当地铁双线交叉垂直穿越并要在交汇处 建成可相互换乘的地铁车站时，不可避免地涉及到 后建站对已建站的时空效应和负面影响问题““， 这些问题都是迫切需要解决的．正在建设中的广州 地铁体育西路站就是其中典型的一例． 1 工程概况 位于广州天河城旁边的广州地铁体育西路站 为地铁一号线与三号线交汇站．东西走向的地铁一 号线车站 已在运营中 为两层；南北走向的三号线 车站 正在建设中 为三层，其中上部两层与一号线 车站一、二层同标高并可相互换乘，第三层需从一 号线车站底部以暗挖隧道形式穿越．因此，三号线 车站基坑形成两端明挖中间暗挖的施工布局．明挖 收藕日期2 0 0 3 一0 6 16 作者筒介；杨晓杰 1 9 6 8 ，男，山西省万荣县人，中国矿业大学副教授，工学博士，从事岩土工程力学和数值模拟方面的研究 万方数据 第3 期杨晓杰等广州地铁双线交汇段放坡支护方案优化研究 2 6 9 与暗挖交界处拟采用放坡并加支护处理，如图1 所 示．为保证暗挖段岩土体在上部结构荷载作用下保 持稳定，并且不影响一号线车站结构的稳定与正常 运营，放坡支护方案的选择、参数的优化成为本工 程关注的重点和难点． 根据国家标准[ 4 ] ，依据钻孔所揭露岩土资料， 体育西路站暗挖段各岩土层具体划分如表1 表中 仅列出暗挖段一号线车站底板以下的土层 ． 图1 体育西路站暗挖段剖面图 F i g ．1 S e c t i o np l a n eo fs h a l l o w - e x c a v a t e dp a r t 表1 暗挖段各岩土攫状态划分 T a b | e1T h ec l a s s i f yo fg t r a t as t a t e 屡号岩土名称岩土特征开挖后的状态 吴翥置搴7 2 研究思路和计算模型 F L A C 3 D 是目前世界上优秀的岩土工程数值分 析程序之一，它采用有限差分法，按时步进行显式 迭代求解，考虑了岩土体的复杂性、可变性，及非均 质、不连续、大变形、大应变、非线性和峰后强度特 性等0 1 ] ，适合于求解地铁施工开挖等大变形问题． 本工程为岩土工程大变形问题，且充分考虑了支护 结构 管棚、锚杆和喷网 的空间分布性，决定选用 F L A C 。程序，对体育西路站交汇处暗挖段放坡支 护引起的稳定性问题进行数值模拟研究，采用多方 案对比淘汰逐步优化的方法来选择最佳放坡支护 方案，并进～步对按选定的最佳放坡支护方案来施 工引起的力学行为特征进行分析． 2 ．1 研究思路 从设计施工经济性、可行性和可靠性等方面来 考虑，采用从简单到复杂、循序渐进逐步优化的研 究思路，依次分析研究了以下4 种方案 方案一一次放坡开挖，不支护； 方案二采用管栅超前支护一号线车站底板， 一次放坡开挖，对斜坡进行喷锚护坡； 方案三采用管棚超前支护一号线车站底板， 二次放坡开挖，对斜坡进行喷锚护坡； 方案四对暗挖段岩土体进行注浆加固，采用 管棚超前支护一号线车站底板，二次放坡开挖，对 斜坡进行喷锚护坡． 研究过程中，后一方案是在弥补前一方案不足 的基础上对放坡形式和支护方式进行改进和优化 而得到的，直至求得满足工程要求的最佳方案为 止；最后对按最佳方案施工引起的力学行为特征进 行了详细分析． 2 ．2 计算模型 为了分析下部变形对上部结构的影响，建模时 除考虑交汇处暗挖段岩土体外，还把一号线车站结 构也包括在模型中．计算模型沿三号线基坑纵向取 8 0m ，沿一号线纵向取3 0m 1 i p 为三号线基坑的宽 度 ，地表以下4 0m 为模型的底部边界．其中，二 次放坡时 方案三、四 模型网格划分如图2 所示． 图2 计算模型 F i g ．2C a l c u l a t i n gm o d e 模型分两部分来考虑边界条件．第一部分为岩 土体部分，边界条件为四周边界设定为沿Y 轴取 向的边固定z 位移，沿z 轴取向的边固定y 位移， 底面固定z 位移，上表面的基坑明挖部分为自由边 界；第二部分为一号线车站结构都分，边界条件为 沿线路纵向两端固定x y z 考虑此段结构要与两端 的延伸结构相连接 ，两侧自由，顶部自由，底部置 于其下的岩土体上． 计算荷载主要考虑明挖完成后一号线车站内 的各种静动荷载及其上覆土的重力作用，一号线地 铁列车通过时的振动作用本文不予考虑． 对支护结构的模拟，管棚采用p i l e S E L 构件， 锚杆采用c a b l e S E L 构件，喷射混凝土与钢筋网一 并考虑采用s h e l l S E L 构件． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 破坏准则采用奠尔一库仑模型，计算参数见 表2 ． 表2 一号线结构及地层物理力学参数 T a b l e2 P h y s i c a la n dm e c h a n i c sp a r a m e t e r s o fN o ．1s t r u c t e r e 地层类型釜稳耋糕。。要肇q 内翟脚弩7 警7 磊嚣蕊3 9 1 , 7 1 3 2 2 ．1 7zs o os s o3 0， 霎呈擎1 6 ．6 6 7 7 ．6 9 2zo o oz z1 8z ．z 嚣麓n s ，n 。- z o o 。3 6 2 5 一 器銎化6 6 ．6 7 s 。．。zz 。。。。2 8e ．。 鑫风化z ，，．，s 2 0 3 szzo。25。28r ．。 3 方案选择与优化 3 ．1 方案一分析 从传统理论上来说，一次放坡开挖不进行任何 支护是最经济工艺最简便的一种方式，本文将其作 为考虑方案之一．本方案采用1 0 ．7 的坡度．计算 过程中对一号线车站结构倾斜、底板中心处和边坡 顶部的位移变形情况进行了模拟记录，所得位移曲 线如图3 所示．由图可知，三个记录点的变形在超 过允许值后仍呈加速状态，整个模型不能达到稳 定．因此，该方案不能满足要求，必须对暗挖段放坡 开挖进行支护． 图3 方案一位移倾斜曲线 F i g ．3T h ed i s p h c e m e n tc u l y v e 3f n ￡b eN o ．is c h e m e 3 ．2 方案二分析 从方案一的分析得知，一号线底部的 5 2 硬 塑粉质粘土层和斜坡最容易进入翅性变形产生破 坏，故需对此两处进行支护处理．在 5 2 土层中从 一号线底梁下面 不接触 垂直贯穿地打入一排 1 2 1 4 0 0 长2 4m 管棚超前支护一号线车站结 构，再进行放坡开挖，并在开挖的过程中在斜坡面 上采用 8 2 0 0 x2 0 0 的钢筋网、1 5 0 m m 厚C 2 0 的 喷砼、} 2 2 4 0 0 x4 0 0 的长4m 的中空注浆锚杆进 行喷锚护坡．由模拟计算结果知，一号线车站底板 和坡顶的最大沉降量分别为3 ．7c m 和4 ．0c m ，超 过了允许值，局部剪切破坏情况如图4 所示．由图 可知，局部剪切破坏的危险点处于斜坡中上部，说 明一次放坡支护难以满足要求． 图4 方案二局部剪应变增量等值线 F i g ．4 C o n t o u ro fs h e a rs t r a i ni n c r e m e n ti nN o ．2s c h e m e 3 ．3 方案三分析 方案二在斜坡中上部会首先出现局部剪切破 坏，为弥补其不足，本方案拟采用二次放坡，上边坡 高为4 ．5m ，坡度为1 0 ．7 5 ；下边坡高为4 ．5m ， 坡度为1 t 0 ．5 ；上下台阶宽均为1 ．5 m 图1 ．在 5 - 2 土层中从一号线底梁下面 不接触 垂直贯穿 地打人一排, ／, 1 2 1 4 0 0 长2 4m 管棚超前支护一号 线车站结构，再进行放坡开挖，并在开挖的过程中 在斜坡面上采用} 8 2 0 0 2 0 0 的钢筋网、1 5 0h i m 厚C 2 0 的喷砼、 2 2 4 0 0 x 4 0 0 的长4m 的中空注 浆锚杆进行喷锚护坡．计算所得的位移曲线如图5 所示，底板沉降量约为3 ．5c m ，依然略大于允许 值，虽然整体受力较均匀，但上边坡依然产生了较 大的塑性变形．因此，需进一步优化方案， 0 ．0 - 0 ．5 - 1 0 l5 2 ．0 ．2 ．5 - 3 ．0 - 3 ．5 - 4 m 时步／I 扩 图5 方案三沉降变形曲线 F i g ．5T h ed i s p l a c e m e n tc u r v e si nN o ．3s c h e m e 3 ．4 方案四分析 按方案三计算依然不能得到满意的结果，因 此，应采取进一步的措施．本方案在方案三的基础 上 即坡高、坡率和台阶宽度与方案三对应相同，如 图1 所示 ，对暗挖段岩土体进行注浆加固，且采用 表3 的支护方式进行支护．注浆方案采用袖套管法 进行微劈裂注浆；为保持浆液的稳定性和足够的强 度，浆液采用水泥浆，水灰比为1 1 } 并加有三乙 醇胺与食盐的复合外加剂 分别为水泥重的0 ．0 4 ％ 与0 ．4 ％ o ] ．按此方案计算所得结果显示，整体受 力较均匀，一号线车站底板最终沉降量在1 ．8 9 ～ 2 ．0c m 之间 图6 ，并且由于支护方式参数的优 化，使成本得到有效控制．可见，土层注浆、管棚超 目鑫罩 万方数据 第3 期杨晓杰等；广州地铗双线交汇段放坡支护方案优化研究 前支护和喷锚护坡对交汇段岩土体和一号线车站 结构的稳定性起了十分积极的作甩 表3 方案四所采用支护方式 T a b l e3T h es u p p o r tp a r a m e t e r si ns c h e m e4 构件参数 管棚 直1 2 贯1 雾0 0 长2 4 m ，一排’从一号线底粱下面‘不接触’垂 喷锚j 噬鬟群濯警謦帖 ”””H “印0 0 0 X 1 ．02 0 4 加6 _ o8 - l0 ．12 - I4 - 1 ．6 ．18 ．20 00 ．206I ．01 4I82 2 时步门0 4 图6 方案四位移沉降雎线 F i g ．6 T h ed i s p l a c e m e n tc u r v e si nN o ．4s c h e m e 3 ．5 方案选定 通过上述4 个方案的计算分析可知，不同的放 坡形式及支护方式都对暗挖段岩土体和一号线车 站结构的变形和应力状态产生不同影响，最终方案 的选定应充分考虑各方面因素．采用F L A C 3 D 程序 计算的不同的放坡形式和支护方式下的一号线车 站底板沉降情况和暗挖段的应力应变状态结果列 于表4 ．从表中的对比可看出，方案四变形量最小， 应力应变状态最为理想． 裹44 种放坡支护方案的计算结果对比 T a b l e4R e s u l t sc o m p a r i n gb e t w e e nf o u rs c h e m e s 为进一步证明方案四的可靠性，特分析了一号 线车站底板在z 方向某截面的沉降变形情况，如 图7 所示．由图可知，底板中心处沉降最小，累积沉 降量为1 ．8 9c m ；底板两侧沉降最大，累积沉降置 为2 ．0c m 左右．二者问不均匀沉降差为1 ．1m m ， 对结构的稳定性影响不大，在允许范围内． 』方一位置，m g 嚣 掣嚣 图7 ～号线车站底板沉降曲线 F i g ．7D i s p l a c e m e n tc u r v f } o ft h eN o ．1s t r u c t u r ef l o o r 以上从两方面证明了方案四的可行性和可靠 性，因此，最终决定选择方案四作为本工程的放坡 支护方案． 4 施工力学行为分析 在选定方案四 即对暗挖段岩土体进行注浆加 固，采用管棚超前支护一号线车站底板，二次放坡 开挖，对斜坡进行喷锚护坡 作为工程的放坡支护 方案后，对按此方案施工可能引起的力学行为特性 作了进一步的分析研究． 4 ．1 位移变形过程分析 及时进行管棚超前支护、注浆加固和采用喷锚 护坡后不同计算时步下的位移变化过程如图8 所 示．由图8 a 中的管棚和锚杆作用处位移变形颜色 云可知，当岩土体位移变形开始发生时，支护结构 马上起到承担荷载并阻止变形进一步发生的作用； 随着时间的推移，位移变形进一步加大，支护结构 也随岩土体发生少许的变形 见图8 b 1 支护结构 和暗挖段岩体共同阻止位移变形的进一步发生， 有效地防止了一号线车站的倾斜沉降 见图8 c ； 直到最后稳定的状态 见图8 d ，支护结构和暗挖 段岩土体发生了共同作用，起到了很好的支护效 果，暗挖段岩土体和一号线车站结构均较快达到稳 定状态。并且岩土体和上部结构产生的变形都在允 许范围内，从而保证了暗挖段岩土体的稳定和一号 线车站的正常运营． 。 I ；1 3 0 时爹 田t 6 0 0 耐步 图8 位移变化过程 F i g ．8 T h ec h a n g i n gp r o c e s s0 fd i s p l a c e m e n t 4 ．2 应力分析 在选定方案四作为工程的放坡支护方案后，达 到稳定时的最大主应力等值图如图9 所示． 图9 最大主应力分布 F i g ．9D i s t r i b u t i n go ff n a x ．p r i n ．s t r e s s S，爨翟 万方数据 2 7 2 中国矿业大学学报第3 3 卷 暗挖段岩土体应力分布相对较均匀，斜坡附近 仅产生很小的塑性软化区，最大主应力主要集中在 管棚周围，一号线车站结构应力集中较小，保证了 整体稳定性． 4 ．3 应变分析 应变分布如图1 0 所示，应变量较小，且主要集 中在管棚周围很有限的范围由．因此保证了暗挖段 岩土体和一号线车站结构的安全稳定． 图l o 应变分布图 F 电．1 0D i s t r i b u t i n go fs t r a i n 4 ．4 支护结构受力 图1 1 为计算达稳定时管棚和锚杆受力状态． 由图可知，由管棚和喷锚组成的支护体系起到了很 好的承担荷载阻止岩土体变形的作用．管棚由于承 担一号线的重力荷载阻止周围岩土体的沉降倾斜 变形，形成了中间受力大，而两端受力相对较小的 受力状态．图中显示上台阶的锚杆受力大于下台阶 锚杆受力，是因为上台阶暗挖段岩土体截面较小而 要承担一号线车站结构荷载，敝在岩土体中产生较 大应力．由此引起较大变形，而锚杆则要阻止岩土 体的变形，因此上台阶锚杆也就产生了较大的反作 用力，从而形成了如图所示的锚杆受力状态． 图1 1 管棚和锚杆受力状态 F i g ．1 1 T h e [ o r c es t a t eo fs u p p o r t i n gs y s t e m 5 结论 放坡支护方式对地铁双线交汇处暗挖段岩土 体和一号线车站结构的影响分析中，采用方案四的 放坡支护方式最为理想．土层注浆、管棚超前支护 和喷锚对交汇段岩土体和一号线车站结构的稳定 性起了十分积极的作用．在放坡开挖方式和支护方 法上采取合理有效的措施，最大限度地减小开挖对 暗挖段岩土体和一号线车站结构的扰动． 在实际工程施工中具体做法是当基坑开挖到 地下二层即一号线车站底板标高时，采用袖筏管对 底板下部的暗挖段岩土体进行注浆加固，要注意控 制注浆压力，防止压力过大而使地层鼓起影响一号 线车站结构或压力过小而不能达到很好的注浆效 果．注浆完成后往下开挖Im 后应立即在底板下 部 52 地层 不接触一号线车站底板地水平打人 管棚进行超前支护．然后随挖随喷锚护坡，做到支 护及时跟上及时封闭．同时，采用信息化施工，即在 一号线车站结构和暗挖段岩土体周围布设位移变 形观测点，在施工过程中进行严密的监测，随时进 行信息反馈，以指导下一步施工，做到万无一失． 此方案在工程中的应用已取得了明显的效果， 暗挖段岩土体保持稳定，各部位变形位移量均在控 制范围内，有效地保证了上部一号线车站结构的安 全稳定与正常运营．工程结果与以上分析相吻合． 参考文献 [ 1 ] 张庆贺，朱台华，庄荣，等．地铁与轻轨[ M ] ．北 京人民交通出版社，2 0 0 2 ． [ 2 ] 陶龙光．巴肇伦．城市地下工程[ M ] ．北京科学出 版社．1 9 9 6 ． [ 3 ] 施仲衡．地下铁道设计与施工[ M ] ．陕西陕西科学 技术出舨社，1 9 9 7 ． [ 4 ] G B5 0 3 0 7 1 9 9 9 ，地下铁盗、轻轨交通岩土工程勘察 规范[ s ] ． [ 6 ] I t a s c aC o n s u l t i n gG r o u p ，I n c ．F L A C ”V e r s i o n2 ．0 o n l i n em a n u a lt a b l eo fc o n t e n t s [ M ] ．U S A I t a s c a C 曲s u k i n gG r o u p ，b c ．，1 9 9 7 ． [ 6 ] 寇晓东，周维埴，杨若琼．F L A C 一3 D 进行三峡船闸 高边坡稳定分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 1 ， 2 0 I 6 - 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