既有隧道上方修建力学分析轻轨车站的

摘　要　研究了在既有隧道上方修建轻轨车站的方案。采用荷载2结构模型及连续体模型对轻轨车站进行了力学计算分析,确定了方案的可行性。对轻轨车站实施过程中有关既有隧道的保护以及轻轨车站的设计和施工提出了切实可行的措施。

关键词　既有隧道,隧道保护,轻轨车站,施工设计,施工监控

1 　工程概况
1. 1 　既有隧道概况
某轻轨车站座落于一条长128 m 的隧道上方。该隧道为双洞双向四车道城市道路隧道,单洞隧道宽
13. 94 m , 高9. 15 m , 两洞之间的岩柱宽5. 8 m 。隧道南北两端分别设有6～10 m 的明洞。洞身初期支护为喷锚支护,喷射砼标号为c25 , 厚15 cm , 钢筋网<8 @20 cm ×20 cm 。<22 超前支护锚杆长4 m , 环向间距0. 5 cm , 搭接段水平投影长度不小于1 m ; <22 径向支护锚杆长3 m , 环向间距1 m 。超前锚杆、径向锚杆均采用梅花型布置。另外, ⅲ 类围岩地段增设格栅钢架支撑,中至中间距为0. 5 m 。模筑砼衬砌标号为c20 。ⅲ类围岩地段模筑衬砌厚60 cm , ⅳ 类围岩地段模筑衬砌厚45 cm 。隧道衬砌断面见图1 、2 。两端洞门端墙采用m7. 5 号水泥砂浆砌条石砌筑,其表面采用斧剁石饰面。仰坡采用挂网喷射砼。喷射砼标号为c25 , 厚15 cm , 钢筋网<8 @20 cm ×20 cm 。<22 锚杆长3～3. 5 m , 间距1 m ×1 m , 呈梅花型布置。该隧道于2000 年6 月建成通车。

图1 　ⅲ 类围岩衬砌断面

图2 　ⅳ 类围岩衬砌断面
1. 2 　轻轨车站概况
该轻轨车站为地面一层(局部带夹层),侧式站台车站,修建于既有隧道顶的山坡上。原隧道上方岩层覆盖厚度9～18 m 。轻轨车站将直接座落于隧道上方。修建轻轨车站时需掘除隧道上方部分岩层,建成后,隧道上方的岩体覆盖厚度约8 m 左右。拟修建的轻轨车站长120. 6 m , 车站总宽为42. 3 m , 站台部分标准段宽为14. 9 m ; 车站南北向布设,站位附近为居住区及城市型商业金融用地;车站东西两侧为阳光花园小区、园丁小区、翠湖花苑、陶瓷市场等。车站标准段建筑横剖面见图3。

图3 　车站建筑横剖面图
1. 3 　工程地质及水文地质
隧道洞顶表层为第四系残坡积粉质粘土(q4el + dl) ,呈褐色、紫褐色,可塑状态,一般厚0～1. 0 m ; 下伏岩层为侏罗系中统沙溪庙组的砂质泥岩(j2s) ,呈紫色、紫褐色,粉砂泥质结构,巨厚层状构造,含钙质结核、砂质条带、团斑。上部强风化层厚1～2 m , 其岩体破碎,完整性差;下部中风化层强度较高,裂隙不发育,完整性较好,其岩石室内单轴自然抗压强度为6. 6～11. 9 mpa , 饱和抗压强度为4. 1 ～7. 5 mpa , 内摩擦角为39. 6°～ 41. 1°,内聚力为1. 8～2. 2 mpa , 抗拉强度为0. 4～0. 6 mpa , 变形模量为1 500 mpa , 弹性模量为1 800 mpa , 泊松比为0. 34 。隧道围岩为ⅲ～ ⅳ 类(本隧道围岩分类标准按《公路隧道勘测规程》(j tj063 -85) 附录三划分, 与现有规范对隧道围岩的分类标准有所不同) 。
隧道区地貌为构造剥蚀丘陵地貌,丘顶呈脊状东西向延伸,地表水排泄条件好。隧道区表层土薄, 下伏岩层为砂质泥岩,其隔水性好,节理不发育,无地下水运移、储存空间。强风化层薄,岩基面陡,地表水渗入地下很快顺岩面排出,在土层及风化层中局部可形成上层滞水。上层滞水受季节性影响大, 久旱干枯。水文地质条件简单,地下水量极其微弱。
2 　数值计算分析
在结构静力计算分析中,采用两种力学模型对轻轨车站建成后的状况进行力学分析。
2. 1 　荷载—结构模型
假设衬砌为弹性梁,梁的变形为小变形。将衬砌离散为多个等厚直杆单元,计算中计及基底不均匀沉陷的影响,用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与衬砌间的相互约束。假定弹簧不承受拉力,即不计围岩与衬砌间的粘结力,弹簧受压时的反力ri 即为围岩对衬砌的弹性抗力ri = kixi (式中i 为节点码; xi 为弹簧的压缩位移; ki 为弹簧的弹性系数, ri = klib , 其中k 为围岩弹性抗力系数, li 为抗力作用范围, b 为结构纵向计算宽度) 。
按浅埋隧道计算隧道衬砌所受的荷载:
垂直压力q =γh 式中:γ为围岩重度,kn/ m3 ; h 为洞顶至地面高度, m。
水平压力ei =γhi
λ tgβ-tg<g
其中λ= tgβ[1 + tg βtg<g]
tgβ= tg<g + tg2 <g + 1 式中:λ为侧压力系数; <g 为围岩计算摩擦角;β为产生最大推力时的破裂角; hi 为任意点至地面的距离m。
结构计算时计及衬砌自重。拟建轻轨车站及已建地面建筑物作为地面超载作用于地面。边墙基础弹性固定,只产生竖向和转角位移,而不产生水平位移。分析时将基底水平方向给以刚性约束,竖向和转角方向用弹性支座单元给以弹性约束。结构计算模型见图4 。计算得到的衬砌断面弯矩和轴力图分别见图5 、6 。按现行隧道规范判定砼衬砌结构的强度安全系数满足要求。

图4 　荷载—结构计算模型

图5 　衬砌断面弯矩图
2. 2 　连续体模型
为了更好地发挥和利用围岩的自承作用,将围岩与支护衬砌视作统一的承载结构共同进行分析。把围岩和支护衬砌当作一个联合体系来考虑,为半无限平面应变问题。计算边界上部取至地表,左右两侧及隧道底部取至5 倍洞径之外,采用四边形等参元划分计算网格。其力学计算模型见图7 。

图6 　衬砌断面轴力图

图7 　连续体计算模型
　　计算中假定岩体及衬砌是各向同性的连续介质。计算模型为弹性模型。围岩体及支护衬砌结构物理力学计算参数见表1 。拟建轻轨车站及已建地面建筑物作为地面超载作用于地面.
表1 　围岩体及支护衬砌结构物理力学计算参数

由计算结果可知: (3) 轻轨车站施工过程中,运营隧道洞体及洞
(1) 采用drucker2prager 准则对围岩和衬砌进体间的岩柱是稳定的。
行塑性屈服判定,围岩体内未出现压剪塑性区; 2. 3 　结构计算模式的讨论(2) 隧道衬砌的边墙及墙脚处为受力较不利区在已建浅埋隧道上方修建轻轨车站,作用于隧域,隧道基底围岩局部出现拉应力,但其值均在抗拉道结构上的围岩压力不可能出现推导浅埋荷载公式强度范围之内; 时的破裂面,因此用于浅埋隧道围岩压力的计算公式的适用性是值得商榷的。为安全计,作用于隧道衬砌结构上的垂直压力采用上覆岩层的全部重力, 并视为均匀分布。本工程在已建隧道上方修建的轻轨车站,其荷载视为加载,它不同于新建隧道的开挖、衬砌过程,其围岩压力应为围岩自重应力场、地面建筑物荷载和轻轨车站荷载的应力叠加。荷载结构模型和连续体模型相比,后者计算结果更符合结构的实际受力过程。
3 　设计与施工措施
(1) 隧道上方上覆岩层的开挖宜采用浅层控制爆破和光面爆破技术,降低对既有隧道衬砌、围岩以及周围建筑物的扰动。在爆破作业时,为使产生的振动不致破坏既有隧道及地面建筑物,应对爆破引起的既有隧道衬砌周围建筑物的振动速度分别进行量测比较,并据此确定爆破规模,慎重选择钻爆参数,加强施工管理。
(2) 泥岩风化崩解易产生掉块或塌落,对开挖边坡应采用挂网喷射砼封闭开挖坡面。喷砼标号c25 厚15 cm , 钢筋网为<8 @20 cm ×20 cm ; 垂直于边坡设<22 锚杆,长3. 5 m , 间距1 m ×1 m , 按梅花型布置,使锚喷网与岩体组成一个整体。
(3) 开挖中应随时检查边仰坡,如有滑动、开裂等现象,应适当放缓坡度,保证边仰坡稳定和施工安全。
(4) 基坑开挖应水平成层开挖,避免造成隧道的偏压现象。坡角与基坑底连接处应平顺开挖,避免引起应力集中。在建筑布局上,要尽量使车站基础置于同一标高处,以简化设计,方便施工,减少支护工作量,降低工程造价。
(5) 做好地表水的引排设施,排除积水。
4 　监控量测
监控量测是监视围岩稳定、判断设计与施工方法是否正确的重要手段,亦是保证安全施工、提高经济效益的重要条件,必须贯穿施工的全过程。监控量测包括洞内外观察、隧道净空水平收敛量测、隧道拱顶下沉量测和地表沉陷量测。每座单洞隧道可考虑设置3 个量测断面,两端洞口各一个断面,中间一个断面,量测频率每天1～2 次。及时根据量测数据绘制净空水平收敛和拱顶下沉时态曲线,配合地质、施工各方面的信息,优化施工方法,调整作业时间, 力求安全可靠、经济合理。
依靠振动量测来监控爆破对隧道衬砌及地面建筑物的扰动和破坏情况。爆破振动量测用振动速度、加速度等判断。不同的建筑物允许的振动速度不同,应符合国家标准《爆破安全规程》有关规定。

参考文献
1 　铁二院主编. 铁路工程设计技术手册·隧道. 北京:中国铁道出版社,1995
2 　罗衍俭. 大型地下交叉洞群的围岩稳定性分析. 西部探矿工程, 1997(6) :59～61