地鐵車站站臺(tái)暗挖隧道的施工力學(xué)分析

熊健

【摘 要】淺埋暗挖法在地鐵車站施工中具有較大的作用，既能夠確保地下管線正常使用、地面交通不中斷，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)工法中的污染。但值得注意的是，淺埋暗挖法也存在著一些缺點(diǎn)，如高水位地層的結(jié)構(gòu)防水較難、施工工藝要求較高、機(jī)械化程度不高、施工速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大、噴射混凝土粉塵多等，在施工過程中要仔細(xì)權(quán)衡利弊，應(yīng)該基于周圍環(huán)境條件、隧道斷面構(gòu)成、地質(zhì)條件等來選擇適宜的施工方法，確保地鐵車站施工的安全運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】地鐵車站；暗挖隧道；施工力學(xué)

引言：

目前，我國各大城市都在大力發(fā)展地鐵建設(shè)，地鐵交通具有緩解交通擁堵、環(huán)保、安全、節(jié)能、運(yùn)量大、準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，地鐵所到之處樓宇興旺、經(jīng)濟(jì)繁榮。隨著地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，地鐵施工技術(shù)也處于快速發(fā)展的階段。在地鐵施工中，若采用明挖大揭蓋的方法，那么往往會(huì)對(duì)地面商業(yè)、交通造成了嚴(yán)重干擾，并會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，而淺埋暗挖法以處理、加固軟弱的地層為前提，在地下施行各種地下暗挖施工的方法，實(shí)踐證明，施工效果較佳。

1、淺埋暗挖施工技術(shù)在地鐵車站中的應(yīng)用

1.1大管棚超前支護(hù)施工

大管棚超前支護(hù)是一種在不對(duì)地表進(jìn)行破壞的前提下來鋪設(shè)地下管線的技術(shù)，它以一定的外插角在擬開挖地鐵隧道的外輪廓周邊上鉆孔，將慣性矩大的鋼管以一定的間距進(jìn)行安裝，然后再注漿固結(jié)。它的工作原理是：（1）為了讓拱頂形成加固的保護(hù)環(huán)，應(yīng)該施行管棚注漿。（2）若超前管棚在沿隧道開挖輪廓周邊位置較密，那么必然會(huì)大幅度降低隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的上部荷載。施工工序：開挖支護(hù)的掌子面→搭建鉆孔的平臺(tái)→安裝鉆機(jī)→施行安裝管棚鋼管→鉆注漿孔→驗(yàn)孔→注漿操作→結(jié)束。大管棚超前支護(hù)往往具有較為明顯的作用，能夠?qū)﹂_挖區(qū)域的巖土體起到加固作用，也能夠?qū)﹂_挖過程中出現(xiàn)的地表位移、地表應(yīng)力進(jìn)行有效控制。

1.2全斷面帷幕注漿施工

（1）注漿孔成孔。各注漿孔的長度、角度、精確位置可由設(shè)計(jì)來進(jìn)行計(jì)算，施作注漿孔的順序應(yīng)為：先外后內(nèi)、先上后下，一個(gè)注漿孔完成后，那么就要在第一時(shí)間內(nèi)退出鉆機(jī)，然后再安裝注漿管，緊接著二次封閉工作面后再注漿。

（2）注漿。后退式分段注漿是最為常見的注漿方式，每完成一次退式分段注漿之前，都要填充加固所有注漿管。為了防止在注漿時(shí)出現(xiàn)隆起、裂紋，還應(yīng)該封閉處理工作面（施行網(wǎng)噴混凝土）。

1.3隧道開挖支護(hù)施工方法

在地鐵車站施工前，務(wù)必要對(duì)施工區(qū)域內(nèi)的地下管線和地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，確定地下管線是否存在著障礙物，以及其精確位置，這樣一來，能夠避免對(duì)地下管線造成破壞。同時(shí)，隧道開挖支護(hù)施工時(shí)，務(wù)必要基于中導(dǎo)坑法組織施工，施工次序是：將雙向隧道的中導(dǎo)洞開挖及支護(hù)→隧道中隔墻→將中導(dǎo)坑橫撐予以恢復(fù)→對(duì)兩側(cè)導(dǎo)洞進(jìn)行開挖及支護(hù)→兩側(cè)導(dǎo)洞二襯施工。

2、工程概況

某地鐵2號(hào)線站東廣場(chǎng)站位于某市三環(huán)路東五段與規(guī)劃道路的十宇交義路口下方，呈東、西向布置，為地下三層三跨明暗結(jié)合島式站臺(tái)車站。車站站臺(tái)暗挖隧道橫穿三環(huán)路，為兩個(gè)斷面高為9.3m，寬為9.4m的馬蹄形隧道，單條隧道長80m，暗挖段總寬度為23.78m隧道與車站的空間關(guān)系如圖1所示。

隧道穿越土層主要為黏土、粉土、細(xì)砂、小粒徑砂卵石等，采用CRD暗挖法施工。共分為四個(gè)小導(dǎo)洞，上部兩個(gè)小導(dǎo)洞采用臺(tái)階法加預(yù)留核心土法進(jìn)行開挖，下部兩個(gè)小導(dǎo)洞采用全斷面法開挖。隧道初期支護(hù)形式為超前大管棚+超前小導(dǎo)管+350mm厚C25網(wǎng)噴混凝土的復(fù)合襯砌，二襯結(jié)構(gòu)為450mm厚C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隧道襯砌斷面見圖2。

3、模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)該隧道的具體情況，選取計(jì)算范圍為：上部至地表，下部至隧道仰拱以下50m，左右各取50m，隧道埋深為14.3m，隧道凈距4.6m，其計(jì)算模型見圖3。

計(jì)算模型中，噴射混凝土初期支護(hù)采用梁單元予以模擬，對(duì)于表中圍巖管棚超前加固區(qū)的支護(hù)效果采用提高圍巖物理力學(xué)參數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)的。考慮到圍巖加固效果受諸多因素影響，鑒于目前國內(nèi)外對(duì)于該方向研究資料也較為缺乏，故此，本文在參考已有資料的基礎(chǔ)上，將預(yù)加固區(qū)圍巖參數(shù)中的彈模及粘聚力大幅提高，計(jì)算選用的材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

計(jì)算采用平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型、Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，通過設(shè)置不同開挖步驟模擬隧道開挖階段，并以對(duì)各開挖步驟在不同荷載增量下加設(shè)錨噴支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)來模擬支護(hù)施作時(shí)機(jī)的影響，由此達(dá)到對(duì)隧道開挖施工過程的模擬。

針對(duì)CRD法，選擇了3種不同的施工步驟，以確定最優(yōu)化施工步驟，為便于比較，3種方案均采用左、右洞同時(shí)施作的方式。方案A為先每洞均為從內(nèi)側(cè)向外側(cè)施作；方案B為由外側(cè)向內(nèi)側(cè)施作；方案C為由上向下施作，具體步驟如圖4所示。

4、計(jì)算結(jié)果分析

4.1城市公路路面沉降分析

施工開挖順序不同，對(duì)城市公路的影響也不同，從各施工方案得到的地表沉降曲線（圖5）可見，隧道開挖引起的地表橫向沉降槽曲線呈典型的正態(tài)曲線形狀，且離隧道中心越遠(yuǎn)，受到的影響越小。三種施工方案中，采用方案A開挖，引起的公路路面沉降值最小，為15.95mm，方案C次之，為18.77mm，方案B最大，為35.49mm，為方案C的1.89倍。

從三種方案最大沉降量的變化情況（圖6）可知，方案A與方案C施工引起的最終的路面沉降差異并不大，先內(nèi)側(cè)后外側(cè)的開挖方式要略優(yōu)于先外側(cè)后內(nèi)側(cè)的方式。而較之方案A與方案C，方案B的路面沉降成倍增加，其原因在于方案B先上側(cè)后下側(cè)的開挖方式使開挖范圍形成大跨度的空腔，易于造成拱頂?shù)膰鷰r變形與沉降。選取沉降較小的方案A，考察施工過程中公路路面的沉降情況，如圖7所示。可見，隨著開挖過程的推進(jìn)，路面的最大沉降量與沉降槽寬度都在不斷增加。右洞左半側(cè)開挖完成后，路面最大沉降出現(xiàn)在中間略偏于右洞上方，量值為4.12mm；隨著左洞右半斷而開挖完成，其產(chǎn)生的沉降槽與已形成的沉降槽疊加，造成路面最大沉降發(fā)生了向左的偏移，其量值為6.96mm。而當(dāng)左洞與右洞繼續(xù)開挖，沉降槽又繼續(xù)疊加，造成沉降槽的形態(tài)再次出現(xiàn)了較大變化，路面最大沉降隨之發(fā)生了兩次偏移，且沉降值大幅提升。

4.2支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

對(duì)于具有大斷面、小近距屬性的車站站臺(tái)隧道而言，施工過程的差異除了造成路面沉降的顯著變化外，還將引起支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的差異。

三種施工方案下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩與軸力分布圖如圖8所示。可見，由于開挖順序不同，支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩分布差異較為明顯，方案A與方案C的最大正彎矩均出現(xiàn)于拱頂，最大負(fù)彎矩均出現(xiàn)于拱腳處，而方案B最大正彎矩均出現(xiàn)于拱腰，而最大負(fù)彎矩出現(xiàn)于拱肩處。從量值上看，方案A最大負(fù)彎矩位于右洞拱腳，達(dá)到198.21kN·m，最大正彎矩位于右洞拱頂，量值為28.63kN·m，方案B最大負(fù)彎矩位于左洞拱肩，達(dá)到198.35kN·m，最大正彎矩位于右洞拱底，量值為29.33kN·m，方案C最大負(fù)彎矩位于右洞拱腳，量值為81.02kN·m，最大正彎矩位于左洞拱頂，量值為43.92kN·m。從三種方案支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力分布情況可見，開挖順序?qū)τ谥ёo(hù)結(jié)構(gòu)軸力的影響也較顯著。相比之下，方案B的軸力較之方案A與方案C分布更為不均勻，而方案A與方案C無論從分布形態(tài)或量值上都更為接近。從量值上看，方案A最大軸力位于右洞拱腰，達(dá)到847.68kN，最小軸力位于左洞拱頂，量值為134.75kN；方案B最大軸力位于左洞拱肩，達(dá)到973.51kN，最小軸力位于右洞拱底，量值為90.89kN；方案C最大軸力位于右洞拱肩，量值為566.25kN，最小軸力位于左洞拱底，量值為142.9kN。

結(jié)語：

本文以某地鐵2號(hào)線站東廣場(chǎng)站站臺(tái)暗挖隧道為例，研究了在不同施工工序下，隧道下穿高速公路對(duì)高速公路路面沉降的影響以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的變化情況，得出以下幾點(diǎn)有益結(jié)論。

（1）對(duì)于具有大斷面、小近距屬性的車站站臺(tái)隧道而言，不同的施工工序?qū)⒃斐陕访娉两档娘@著差異。從路面沉降控制的角度看來，先內(nèi)側(cè)后外側(cè)的開挖方式要略優(yōu)于先外側(cè)后內(nèi)側(cè)的方式，而先上側(cè)后下側(cè)的開挖方式使開挖范圍形成大跨度的空腔，易于造成拱頂?shù)膰鷰r變形與沉降。

（2）從支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的角度看來，不同的施工過程同樣將引發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的差異，相比之下，先上側(cè)后下側(cè)的開挖方式將使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不利，而先內(nèi)側(cè)后外側(cè)的開挖方式要略優(yōu)于先外側(cè)后內(nèi)側(cè)的方式。

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