[摘要] 1 绪 论 1 1 问题的提出及研究意义进入 21 世纪以后，
1 绪 论
1.1 问题的提出及研究意义
进入 21 世纪以后，人类社会迎来了高速发展。随着人口、资源、环境以及交通等问题的日益突出，加快开发地下空间资源，使之成为全人类在地球上安全舒适的第二个生活空间已经成为各国广泛关注和大力研究的内容。目前国际上已经提出了把“21 世纪作为人类开发利用地下空间的年代”。中国工程院院士王梦恕[1]则从我国“可持续发展”的高度，提出了“21 世纪是隧道及地下空间大发展的年代”的观点。我国的近邻日本则提出了利用地下空间，将国有领土扩大数倍的设想。随着我国社会经济的蓬勃发展，对公共基础设施，尤其是城市地下空间以及城市交通设施的需求都在不断的增加。 我国城市轨道交通中地铁建设正处于快速发展中。截止至 2014 年底，北京、上海、武汉、深圳、南宁、天津、重庆、成都、南京、大连、杭州、西安、青岛、南昌、香港、苏州和哈尔滨等多个城市正在进行地铁建设，共有 40 多个城市处于在建、筹建或者规划中。其中已有 22 个城市修建了 95 条地铁，总的运营里程达到了 2900 公里。在土地资源奇缺的大都市里，地下轨道交通已经成为占用空间资源最少、运行速度最快、输送能力最大、安全舒适最强的交通方式。 然而，在都市繁华地区、交通要道和人口密集地段，为了不破坏现有的交通条件，不影响在建工程周边居民的日常生活，地铁的施工要求也越来越严格，我国修建地铁的方式也在不断的发生改变，从起初的明挖基坑法到盖挖法再到暗挖法，都是由于要求的不断提高而产生的施工方法。特别是在地面交通资源极为紧张而地铁建设又在如火如荼进行中的重庆，采用明挖法破坏原有地面交通来修建地铁早已不再适用，特别是市区的繁华地段。因此采用通过修建辅助施工通道再转入地铁车站的方式进行施工，然而由于辅助施工通道与地铁隧道的转换处存在着施工工序复杂、围岩多次扰动、应力释放不均匀等特点，容易导致隧道整体失稳而引起大面积塌方等安全事故，所以施工通道与主隧道间的转换段成为了施工的重点难点，应当对转换段的施工采取高度的重视。
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1.2 国内外的研究现状
目前，国内外关于施工通道转地铁车站的研究较少，相比于对转换段的研究，交叉隧道的研究比较多，与交叉隧道不同的是，转换段往往是由小断面辅助隧道进入大断面主隧道，交叉隧道通常是断面形式非常接近或者由大断面进入小断面的情况。虽然如此，除断面形式、转换方法外，其研究现状在一定程度上可以借鉴交叉隧道的研究。在隧道工程的理论研究中有荷载-结构法以及地层-结构法两种计算模式[18]。前者是长期以来工程界的主要分析方法，但它是将围岩和支护结构体系分开进行研究的，因此无法真正地反映施工过程中围岩的力学行为；20 世纪中期以来，人们开始运用连续介质力学理论来计算地下结构内力。其是以岩体力学为基础，认为巷道开挖引起的洞室变形而释放的围岩应力，由围岩和支护体系共同承担。但用连续介质力学建立的解析方法任务繁重，目前为止也仅是对圆形衬砌有较多的研究成果。比较典型的有：缪尔伍德(A.M.Muirood)得出的圆形衬砌简化弹性解析解；塔罗勃(J.Talobre)和卡斯特奈(H.Kastner)得出了圆形洞室的弹塑性解；塞拉格(S.Serata)、柯蒂斯和樱井春辅应用岩土介质中各种流变模型进行了圆形隧道的黏弹性分析；I D Moore[19]等提出了圆形单洞隧道的弹性分析方法；CB Kooi[20]等解出了圆形双洞隧道弹性分析法；Ng C WW[21]等针对小净距隧道施工的相互作用力学行为进行了研究；E Soliman[15]等研究了不同施工方法中围岩和衬砌的应力变化规律。地层-结构法主要是基于连续介质力学理论的不断完善和计算机技术的快速发展，以及各种数值模拟方法如有限元法(FEM)、有限差分法(FLAC)、离散元法(DEM)、边界元法(BEM)、流形元法(MEM)、以及无单元法(EFM)等的相继出现，使其在科学研究的工程应用方面发挥着重要作用[22]。
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2 转换段施工方法和分析模型
重庆市轨道交通建设中施工通道转地铁车站的施工方法主要采用门型转换爬坡法，如二郎车站、沙正街车站、莲花村车站、沙坪坝车站等。在施工调研过程中发现有的车站采用扇型转换扩挖法，如凤天路车站、天星桥车站等。本章以凤天路车站为例，分别介绍“门型转换爬坡法”和“扇型转换扩挖法”这两种施工方法，建立其分析模型。
2.1 凤天路车站工程概况
重庆市轨道交通环线凤天路车站为环线第四座车站，凤天路车站位于风天大道正下方，呈南北走向。车站西南侧为重庆图书馆；西北侧为重庆覃家岗建筑公司；东南侧为天骄年华梅园 A 栋；东北侧为金阳易城国际小区。凤天路车站起点里程为 YDK4+974.512m，终点里程为 YDK5+183.516m，总长 209m。有效站台中心里程处轨面设计高程为 257.017m，车站主体为直线，站前局部为曲线，站后区间设交叉渡线，车站站台区为地下双层标准岛式暗挖车站，采用 12m 宽的岛式站台。车站主体内部采用单柱和双柱两种结构形式，断面开挖宽度为 23.440m，交叉渡线局部加宽 24.190m，开挖高度为 20.710m，拱顶岩土层厚度 20.54~24.98m（中风化岩层厚度为 8.59~22.4m），开挖断面为直墙圆拱断面，为浅埋隧道，局部为超浅埋隧道。
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2.2 施工方法
在凤天路的实际施工过程中，采用的是“扇型转换扩挖法”。其施工原理是：施工通道采用全断面开挖，施工通道开挖至与车站边界线接口位置时，在通道架设门型框架，将施工通道上挑至车站拱顶位置。之后进入转换部位施工，将转换部位以三个“扇型扩挖体”的形式挖除，开挖宽度与施工通道宽度相同，随工作面掘进紧跟架立施工转换临时支护，通过多次扩挖将车站上部拱架封闭成环，开挖后立即进行门型拱架的支护，完成转换段施工。“门型转换爬坡法”的施工原理是：施工通道采用全断面开挖，施工通道开挖至与车站边界线接口位置时，在施工通道与车站结合部位连立三榀门型拱架。由于施工通道断面小且拱顶标高低于车站拱顶标高，因此需要在施工通道与车站接口位置挑高通道，按照车站轮廓线向外上挑至拱顶。之后在施工通道与车站隧道转换部位，采用将施工通道以 12%的坡度继续向前掘进，进行车站扩挖，开挖宽度与通道宽度相同，随工作面掘进紧跟架立施工转换临时支护，通过多次扩挖将车站上部拱架封闭成环，开挖后立即进行门型拱架的支护，转换段开挖至车站边界位置，完成爬坡段施工。
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3 扇型转换扩挖法施工力学行为分析 ........ 23
3.1 围岩位移变化特征 .......... 23
3.1.1 测点及分布断面的选取 ........... 23
3.1.2 位移变化特征 .......... 23
3.2 围岩及支护结构应力变化特征 ....... 28
3.3 围岩塑性区特征 ..... 36
3.4 隧道监测位移分析 .......... 36
3.5 本章小结 ......... 37
4 门型转换爬坡法施工力学行为分析 ........ 39
4.1 围岩位移变化特征 .......... 39
4.1.1 测点及分布断面的选取 ............ 39
4.1.2 位移变化特征 .......... 39
4.2 围岩及支护结构应力变化特征 ....... 44
4.3 围岩塑性区特征 ..... 52
4.4 本章小结 ......... 53
5 凤天路车站转换段施工方法讨论 ..... 55
5.1 扇型转换扩挖法与门型转换爬坡法对比 ........ 55
5.2 扇型转换扩挖法施工方法讨论（台阶扩挖法的提出） .......... 58
5.3 本章小结 .......... 63
5 凤天路车站转换段施工方法讨论
以重庆市轨道交通环线凤天路车站为例，在分析施工通道转换到车站的门型转换爬坡法和扇型转换扩挖法进行数值模拟分析的基础上，对比分析这两种施工方案的优劣。进而提出施工通道转换到车站的另一种施工方案，并对其进行模拟分析。
5.1 扇型转换扩挖法与门型转换爬坡法对比
下面从安全性的角度出发对比扇型转换扩挖法以及门型转换爬坡法中位移场、应力场、塑性区、支护结构应力。 将两种开挖方式产生的围岩位移、围岩最大主应力曲线、最小主应力曲线对比发现，二者变化规律较类似，因此，不研究两者开挖过程中的变化，只通过对比开挖完成后围岩的位移，来判断两种工法中围岩的稳定性。，位移对比情况见表5.1、围岩应力对比情况见表 5.2、支护结构应力对比情况见表 5.3、围岩塑性区对比情况见表 5.4。由表 5.1 可知：对于转换段（即断面 1），扇型转换扩挖法中各点的位移值均大于门型转换爬坡法，但是其差值最大值为 0.542mm，要小于断面 2 中差值最大值 0.965mm。对比最后两行数据可以发现，断面 2 中由扇型转换扩挖法与门型转换爬坡法产生的拱顶相对位移变化值与拱肩相对位移变化值均要大于断面 1。从扇型转换扩挖法中两断面位移的比值与门型转换爬坡法中两断面位移的比值可以发现，扇型转换扩挖法中围岩的整体位移发展情况要比门型转换爬坡法更加均衡。 
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结论
本文以凤天路站为研究对象，建立了三维 MIDAS/GTS 有限元计算模型，结合监控量测资料，分析转换段的施工力学行为，主要得出以下的结论：施工通道向车站转换的扇型转换扩挖法施工力学行为研究表明： 1）转换段的拱顶和拱肩的位移曲线相类似，二者都具有明显的阶段性，大部分位移主要在转换段开挖时形成，并在后期开挖中有持续发展。转换段拱底隆起位移与车站隧道类似。与车站隧道不同，转换段拱腰水平位移曲线明显受转换段开挖的影响，且离施工通道近端的竖向位移要明显大于其水平位移； 2）围岩的最大主应力都为压应力，转换段接口处有明显的应力集中，其最大主应力为-4.03MPa，转换段以外车站隧道围岩最大主应力最大值为-2.52MPa；围岩最小主应力出现有拉应力，拱腰最大为压应力，拱底最小为拉应力；围岩剪应力主要集中在隧道拱脚与拱肩处，拱脚处剪应力最大，其最大值为 0.85MPa；转换段处剪应力明显要小于其他断面剪应力； 3）支护结构混凝土最大主应力都为压应力，转换段交界面处有明显的应力集中现象，最大主应力最大值为-13.7MPa，应力集中程度为 3.17。最小主应力都为拉应力，转换段交界面处有明显的应力集中，最小主应力最大值为 5.62MPa.
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参考文献(略)
