陈圆圆
山东洪通集团有限公司 山东 272000
摘要：为了了解在建某市轨道交通10号线该地车站通风井施工过程中围岩受力和位移变化情况，利用Midas－GTS(NX)建立超深地铁车站通风结构－风井和通风道交叉段三维有限元计算模型，分析风井漏渣法施工对风井和通风道交叉段围岩稳定性的影响。分析结果表明，漏渣竖井的开挖对交叉段隧道围岩的位移和支护结构的应力有较大影响，施工过程中应加强监测，避免拱脚和拱肩出现挤压破坏以及隧底出现拉裂破坏。
关键词：深埋地铁车站；通风结构；通风井；漏渣法施工；数值模拟
深埋地铁车站通风结构施工，其空间结构受力复杂，交叉段应力易集中，既是结构的薄弱环节，又是施工的咽喉。因此，只有充分了解该段结构的受力特征和空间施工力学行为，才能选择合理的施工方法和有效的加强措施，保证施工质量和安全，同时降低造价、提高工效。以往关于地铁车站通风井施工的数值模拟研究中，大部分学者研究的都是常规的开挖方式，并取得了较多研究成果。例如，谢顺义等通过有限元数值模拟，对车站与风道暗挖洞桩法施工过程进行施工模拟，分析了交叉段的地表位移和结构主应力变化规律。
基于三维数值模拟方法对不同的导洞开挖方案地表沉降分布规律进行研究，并于地表沉降检测结果进行比较分析。王镇等基于三维有限元方法，设置3个计算工况来模拟斜井与联络风道交叉结构不同开挖支护顺序，研究了斜井与联络风道交叉结构施工力学行为。然而对于漏渣法施工的情况，相关开挖技术以及衬砌应力等方面的研究并不深入。因此，对采用漏渣法施工的深埋地铁车站通风井与风道交叉段的变形行为与衬砌应力等方面进行深入的研究，对促进该类型工程的发展具有十分重要的作用。
1数值分析模型的建立
漏渣法是风井开挖的一种特殊方法，其前提是风道先开挖完成并能够作为运输通道。漏渣法施工的简要顺序为:首先在风井开挖范围内钻设一定大小的孔洞作为风井爆破施工时的临空面和施工过程中的通风和漏渣孔;然后由上而下按照一定的步序开挖风井直至风道。
由于该工程的复杂性和地层结构的不确定性，为了数值模拟计算顺利有效地进行，在满足工程精度要求的前提下，作如下假定:1)忽略地表和各岩层和土层的起伏和不均匀性，假定地表和各岩土层呈均质水平层状分布。2)假定围岩为各向同性、连续的弹塑性材料。3)只考虑岩土体的自重应力，忽略构造应力。
1.1模型及边界条件
根据该地车站的勘察及施工图设计资料，将通风井影响范围内的地层简化为6层，从上到下分别为素填土、中风化砂岩、中风化砂质泥岩、砂岩、砂质泥岩和砂岩，厚度分别为4.0m，3.0m，16.0m，20.0m，44.0m和79.0m。模型固定左、右边界和前后边界上的法向位移，固定底面X、Y、Z方向的位移，模型顶面为自由面。建立的数值模型范围为:左边界取隧道外边缘侧80m，右边界取隧道外边缘侧50m，下边界取隧道下边缘75m，上边界为地表面;沿隧道前进方向取166m，建立的数值模型划分网格之后共有161243个单元，45833个节点。
1.2材料参数及本构模型
材料采用Mohr－Coulomb本构模型，这种本构模型物理概念明确，参数较少，且参数的获取较为方便简单，可以考虑到岩土体的各种工程性质，因此在地下工程有限元分析中得以广泛应用。初期支护结构喷射混凝土参数为:弹性模量，泊松比。支护锚杆力学参数为:弹性模量。
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2计算结果分析
选取通风道与风井交叉断面作为研究对象，通过分析断面的围岩和支护结构的位移、应力等随施工步序推进的变化规律和最值来判断围岩和支护结构的稳定性。根据计算结果总体的变化趋势，每个断面选择3个位移特征点，分别位于断面的拱顶和左右拱腰位置;选择5个应力特征点，分别位于拱顶、左右拱腰和拱脚处。
2.1围岩位移
1)围岩竖向位移
围岩的竖向位移主要集中在通风道拱顶及隧底，隧道拱顶的竖向位移为负，发生沉降，隧道底部的竖向位移为正，发生向上的隆起。分析通风道和风井交叉断面(分析断面)拱顶沉降及底部隆起随施工开挖步距的推进位移变化规律。通风道开挖初期交叉断面竖向位移均不明显，变化曲线斜率较小，位移值缓慢增大;当开挖至交叉断面时，该断面的拱顶沉降及隧底位移迅速增大，变化曲线斜率较大，随着施工开挖的进行而又趋于稳定。当风井由上而下开挖与通风道的距离越来越小时，交叉断面拱顶沉降受到的影响越来越大，拱顶沉降值由于风井开挖卸荷先缓慢减小，当开挖至交叉断面时发生突变，又小幅增大直至最后变形稳定，交叉断面围岩最终的拱顶沉降值为8.0mm;隧底隆起值非常缓慢地增加直至趋于稳定，说明风井开挖对交叉断面的隧底位移影响较小。
2）围岩水平位移
风道的最大正向水平位移为3.68mm，发生在右侧拱腰位置;最大负向水平位移为3.78mm，发生在左侧拱腰位置，断面最大的水平净空收敛值为7.45mm。风井短边的水平位移只出现在风井中下部分，而且符号相反，即发生向内的净空收敛，其中最大的正向位移为2.13mm;最大负向位移为1.92mm，风井短边的最大净空水平收敛值为4.05mm。提取出通风道和风井交叉断面拱腰部分随施工开挖步距的推进而发生的位移变化规律如下，通风道开挖初期交叉断面几乎不发生水平收敛，变化曲线斜率为0;当通风道开挖至交叉断面时，该断面的水平收敛迅速增大，变化曲线斜率较大，随施工的进行而又迅速趋于稳定。风井开挖过程中交叉断面的水平收敛值非常缓慢地增加直至趋于稳定，说明风井开挖对交叉断面的水平收敛影响较小。
2.2围岩及支护结构应力
围岩的主应力对围岩稳定性有重大影响，主应力的大小与围岩是否由弹性状态进入弹塑性状态密切相关。而支护结构的应力也直接决定了支护结构的稳定性和安全性，若应力过大那么支护结构就会出现开裂、变形过大等破坏形式，严重影响隧道的安全性和正常使用。
1）围岩主应力
围岩的最大主应力在隧道的拱脚和拱肩处相对较大，而在拱顶和隧底处相对较小。其中拱脚处的围岩最大主应力值为3.58MPa(压应力)，拱肩处围岩的最大主应力值为2.71MPa(压应力)，在实际施工过程中应加强对拱脚和拱肩的保护和监测，避免出现挤压破坏的情况。风井和通风道交叉断面处的围岩最小主应力有拉应力，也有压应力，除隧底围岩出现拉应力外，其他部分均为压应力。最大拉应力发生在隧底处为0.45MPa，所以在施工过程中应注意保护隧底仰拱，避免其出现拉裂破坏。
2)支护结构主应力
施工完成后初期支护结构的最大主应力有压应力也有拉应力，在通风道与风井交叉的部位和通风道的转弯处有应力集中现象，其中主应力最大压应力为22.07MPa，出现在通风道转弯处;交叉断面最大压应力值为15.12MPa，发生在交叉断面拱顶处;最大拉应力为1.53MPa，发生在通风道和风井交叉断面。初期支护采用的素混凝土的抗压强度为25.0MPa，抗拉强度为1.27MPa，而主应力的最大压应力值接近素混凝土的抗压强度，最大拉应力已经超过素混凝土的抗拉强度，所以在施工过程中应更加重视通风道和风井交叉段和通风道转弯处的施工，以免由于应力集中而产生不良后果。
3结语
本文依托某市轨道交通10号线该地车站隧道工程，利用三维有限元分析软件Midas－GTS(NX)，对地铁车站通风井与风道交叉段的复杂力学行为进行研究，为风井漏渣法施工的施工方案优化和支护设计及安全控制提供科学依据。
参考文献：
[1]王明均, 齐伟, 姚杰,等. 深埋地铁车站通风井分层开挖法施工力学分析[J]. 西部探矿工程, 2018(3).
[2]姚杰, 张国强, 于金龙. 谈超深超大断面地铁车站施工要点[J]. 山西建筑, 2017, 43(32):150-151.
论文作者:陈圆圆
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/30
标签：应力论文; 围岩论文; 断面论文; 通风道论文; 位移论文; 拱顶论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第13期论文;