大斷面暗挖車站施工工法優(yōu)化比選研究

祖玲娜

（深圳地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026）

目前，國(guó)內(nèi)的地鐵建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行著[1]，其不可避免地受到各種復(fù)雜環(huán)境的限制。例如，在地面建筑復(fù)雜，建設(shè)條件有限的情況下，需采用暗挖法進(jìn)行地鐵車站的修建。由于采用暗挖法進(jìn)行車站開挖具有斷面大、跨度大、周圍環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，其施工面臨的風(fēng)險(xiǎn)也較大[2-4]。已有部分研究人員對(duì)暗挖法施工工法、開挖支護(hù)的時(shí)空效應(yīng)和支護(hù)參數(shù)的選取優(yōu)化進(jìn)行了研究。目前常用的施工工法包括雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（以下簡(jiǎn)稱“雙側(cè)壁法”）、中隔墻法、臺(tái)階法和洞樁法等[5-11]。由于上述各工法在適用環(huán)境、造價(jià)和工期等方面存在一定的差別，因此根據(jù)所建地鐵站的地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，選擇一種適合于該站施工的工法尤為重要。本文以深圳地鐵8號(hào)線一期工程深外高中站為例，對(duì)雙側(cè)壁法和臺(tái)階法的施工工序進(jìn)行了對(duì)比分析，可為類似地質(zhì)條件下大斷面暗挖車站施工工法的合理選擇提供參考。

1 工程概況

深外高中站敷設(shè)于鹽田區(qū)中青一路下方，全長(zhǎng)205 m，設(shè)4個(gè)出入口、2組風(fēng)亭，采用明暗挖結(jié)合的方法進(jìn)行施工，其平面圖如圖1所示。其中，明挖段長(zhǎng)60 m，為地下4層框架結(jié)構(gòu)，明挖順作法施工；暗挖段長(zhǎng)145 m，最大開挖斷面為21.56 m×18.95 m，開挖面積達(dá)365 m2，為地下2層復(fù)合式襯砌隧道。

1.1 工程地質(zhì)

深外高中站西鄰梧桐山景區(qū)，東側(cè)毗鄰鹽田坳狹長(zhǎng)帶，整體呈西高東低、北高南低，原地貌為丘陵，位于兩丘陵交界的溝谷地帶，因人類活動(dòng)的影響，西南側(cè)削坡修筑成人工邊坡，東北臨鹽排高速。深外高中站跨越丘陵和山坳地貌，南西—北東向高差較大，丘陵地帶（暗挖段）高程范圍為71.66～ 91.30 m，呈緩坡狀下延至路面，北側(cè)與南側(cè)為建筑用地。

根據(jù)地質(zhì)鉆探數(shù)據(jù)顯示，場(chǎng)地內(nèi)的土層主要為填塊石、填碎石、中等風(fēng)化凝灰?guī)r、微風(fēng)化凝灰?guī)r，車站底板位于微風(fēng)化凝灰?guī)r和微風(fēng)化花崗巖之中，車站平均覆土厚度為12.58～57.37 m，地質(zhì)情況如圖2所示。圍巖綜合分級(jí)為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)，其中Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段約長(zhǎng)69.6 m，覆土厚度為16.25～57.37 m，由上到下地層分別為素填土，強(qiáng)、中、微風(fēng)化凝灰?guī)r，洞身范圍均處于微風(fēng)化凝灰?guī)r，上覆基巖厚度為10～27 m，圍巖自穩(wěn)能力較好；Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖段約長(zhǎng)75.3 m，覆土厚度為12.58～16.25 m，由上到下地層分別為素填土，強(qiáng)、中、微風(fēng)化凝灰?guī)r，洞身范圍處于中、微風(fēng)化凝灰?guī)r，上覆基巖厚度約為2.5 m，圍巖自穩(wěn)能力較差。

1.2 設(shè)計(jì)概況

暗挖段為地下2層兩跨鋼筋混凝土大斷面馬蹄形隧道結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用350 mm格柵鋼架錨噴混凝土。直墻拱形結(jié)構(gòu)頂板和側(cè)墻厚度均為1 000 mm，底板厚度為1 200 mm，中板厚度均為400 mm。車站暗挖段根據(jù)不同的圍巖級(jí)別，共采用A、B、C型3種斷面形式。其中明暗挖交界處為Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖。Ⅴ、VI級(jí)圍巖及破洞門處采用C型斷面，C型斷面開挖斷面寬度為21.56 m，高度為19.107 m，開挖總面積為364.59 m2，長(zhǎng)為80.3 m。初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，二次襯砌采用C40模筑鋼筋混凝土，拱墻厚度為1 000 mm，仰拱厚度為1 200 mm。

2 大斷面暗挖車站施工工法比選

深外高中站為國(guó)內(nèi)罕見的大斷面暗挖車站，暗挖開挖斷面大對(duì)于周圍圍巖穩(wěn)定性的影響較大，因此需要對(duì)大斷面暗挖車站施工工序進(jìn)行對(duì)比分析，選取更為適合該大斷面暗挖車站施工的工法，以確保施工的安全。

2.1 模型建立

在深外高中站明暗挖車站交界處采用C型斷面形式，開挖面積為364.59 m2，埋深約為14 m，斷面設(shè)計(jì)圖如圖3所示。依據(jù)開挖斷面尺寸，本文對(duì)九步開挖雙側(cè)壁法與臺(tái)階法的施工工法進(jìn)行比選，以選擇最適合的暗挖車站開挖方式。斷面開挖的順序如圖4所示。

為量化雙側(cè)壁法和臺(tái)階法2種工法施工時(shí)導(dǎo)致的圍巖反應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和施工工序建立車站開挖的數(shù)值模擬模型，在保證施工安全的前提下，選取最優(yōu)施工工序。由于暗挖車站長(zhǎng)145 m，因此可將其簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型計(jì)算，采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算，能更加直觀地得到圍巖的變形規(guī)律。為消除模型邊界對(duì)隧道開挖的數(shù)值模擬影響，模型選取的尺寸為120 m×80 m，模型側(cè)面限制水平方向的位移，底部限制水平和豎向的位移。巖土體、初期支護(hù)、二次襯砌和臨時(shí)支護(hù)均采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模型分析，巖土體服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，初期和臨時(shí)支護(hù)均按彈性考慮，錨桿采用植入式梁?jiǎn)卧M。數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)該車站的施工斷面情況，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，二次襯砌采用C40混凝土，臨時(shí)支撐采用I25a型鋼。數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬分析大斷面暗挖車站的開挖支護(hù)過(guò)程，提取九步開挖雙側(cè)壁法和臺(tái)階法在開挖后的總豎向位移云圖和車站橫斷面水平收斂情況進(jìn)行如下分析。

那進(jìn)獻(xiàn)釣竿的部下難免有些不悅，但還是強(qiáng)打精神討好說(shuō)：“下端重才穩(wěn)得住，用起來(lái)更順手。”說(shuō)著就將握把那一截?cái)Q下，使勁在地面方磚上敲打，篤篤有聲，這還不算，他還高高舉起那一截，朝地上摔去。一聲脆響之后，那一小截釣竿完好無(wú)損。

2.3.1 施工引起的豎向位移

根據(jù)圖4的施工工序，提取九步開挖雙側(cè)壁法和臺(tái)階法開挖引起的豎向（Y向）位移變化圖如圖6所示。圖中展示了與圖4步序①、⑥、⑦、⑨相對(duì)應(yīng)的地層豎向位移。圖中單位均為mm，負(fù)值表示沉降，正值表示隆起。

從圖6中可以看出，在2種工法第1步開挖施工時(shí)，引起的土體位移相同；隨著后續(xù)土體的開挖施工，可以發(fā)現(xiàn)臺(tái)階法施工的拱頂沉降大于雙側(cè)壁法的拱頂沉降，這是因?yàn)殡p側(cè)壁法中部預(yù)留的土體對(duì)于拱頂位移起到了較好的限制作用。2種工法施工引起的拱頂沉降都處于規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

在相同的地質(zhì)條件和支護(hù)情況下進(jìn)行暗挖車站施工時(shí)，土體會(huì)發(fā)生向車站內(nèi)部的位移，2種施工工法引起的拱頂沉降分別為3.16 mm和3.22 mm。由于車站開挖范圍內(nèi)均為中等風(fēng)化凝灰?guī)r，車站施工引起的地表沉降較小，2種工法引起的地表沉降分別為0.82 mm和0.91 mm。由對(duì)比分析可知，雙側(cè)壁法由于在施工時(shí)中間預(yù)留了核心土，對(duì)車站頂部的沉降有較好的限制作用，因此在拱頂和地表沉降方面均略優(yōu)于臺(tái)階法。

在暗挖車站開挖完成之后，將進(jìn)行二次襯砌施工。二次襯砌施工也采取分層分部澆筑，不同二次襯砌施工工況下的位移變化如圖7所示。

在澆筑二次襯砌時(shí)，由于分部澆筑，拱頂位置最后澆筑，因而拱頂沉降在二次襯砌澆筑過(guò)程中也有所增大。在澆筑仰拱二次襯砌并拆除既有臨時(shí)支護(hù)時(shí)，拱頂沉降明顯增大，雙側(cè)壁法從2.54 mm增大到4.29 mm，臺(tái)階法從2.75 mm增大到4.59 mm，在施工中應(yīng)該引起重視。對(duì)比2種工法施工引起的拱頂沉降可以發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)壁法引起的最大拱頂沉降為4.74 mm，而臺(tái)階法施工引起的為5.03 mm。在拱頂沉降方面，雙側(cè)壁法也略優(yōu)于臺(tái)階法。

圖8為雙側(cè)壁法和臺(tái)階法施工后初期支護(hù)沿X方向的位移圖，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可得到車站橫斷面水平收斂情況。圖中，正值表示發(fā)生向右的位移，負(fù)值表示向左的位移。

由圖8可知，2種工法施工時(shí)引起的水平位移基本對(duì)稱分布。雙側(cè)壁法的水平收斂值為4.2 mm，臺(tái)階法的水平收斂值為4.3 mm，二者的水平收斂情況類似，均能滿足大斷面暗挖施工的要求。

圖9為2種工法施工后的二次襯砌沿X方向的位移圖，向右位移為正。由圖9可知，在二次襯砌澆筑完成之后，2種工法施工時(shí)引起的二次襯砌水平位移基本對(duì)稱分布。2種工法的水平收斂值均為6.6 mm，且水平收斂情況類似，均滿足大斷面暗挖施工的要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

3.1 監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布設(shè)

與常規(guī)的車站監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置相同，本次大斷面暗挖車站在拱頂、車站兩側(cè)邊墻處均布置了監(jiān)控測(cè)點(diǎn)，對(duì)大斷面開挖時(shí)的拱頂沉降和周邊收斂情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

3.2 開挖步序優(yōu)化

在綜合對(duì)比后，深外高中站暗挖段整體采用九步開挖的施工工序。根據(jù)圍巖地層情況，其中Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段，采用九步臺(tái)階法進(jìn)行開挖施工；Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖段采用九步雙側(cè)壁法進(jìn)行開挖施工。臺(tái)階法在自穩(wěn)能力較強(qiáng)的Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段使用，可以有效地提升開挖施工效率，節(jié)約工期。

3.3 二次襯砌澆筑步序優(yōu)化

深外高中站暗挖段施工工序在Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段中根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行了調(diào)整，二次襯砌施工分3步實(shí)施，即豎向分3層施工（圖10）：第1步，分段間隔拆除底部豎撐，施工仰拱及回填；第2步，拆除底部橫撐及中部豎撐，施工側(cè)墻、中板及立柱；第3步，拆除中板以上支撐，施作拱頂。調(diào)整后二次襯砌施工時(shí)中板及側(cè)墻采用支架法施工，拱部采用二次襯砌整體臺(tái)車施工，提高了施工效率。二次襯砌施工縱向分段距離：仰拱施工每段為12 m，中板及側(cè)墻施工每段為9 m或12 m，拱部施工每段為6 m。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由于數(shù)值模擬難以全面模擬地質(zhì)情況的變化，以及施工的時(shí)間間隔，因此根據(jù)施工提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)施工安全性進(jìn)行分析，以確保大斷面暗挖車站的施工安全非常重要。圖11a為統(tǒng)計(jì)的拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖11b為統(tǒng)計(jì)的車站斷面水平收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，拱頂沉降最大值為4 mm，車站橫斷面的水平收斂值為4.9 mm，水平收斂值趨于穩(wěn)定，與數(shù)值模擬計(jì)算所得的結(jié)果較為接近，再次驗(yàn)證了數(shù)值模擬的適應(yīng)性。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，采用九步雙側(cè)壁法及臺(tái)階法開挖施工所引起的拱頂沉降和水平收斂值均較小，能夠較好地適應(yīng)該站的地質(zhì)情況。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)大斷面暗挖車站不同施工工法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體地質(zhì)情況、施工監(jiān)測(cè)情況，對(duì)施工工法進(jìn)行優(yōu)化選取。通過(guò)數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，在Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段采用九步開挖臺(tái)階法相較于九步開挖雙側(cè)壁法，地層變形均有加大，但仍保持在規(guī)范允許的安全范圍之內(nèi)。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了該數(shù)值模擬分析結(jié)果的適應(yīng)性。在大斷面暗挖車站施工過(guò)程中，通過(guò)工序優(yōu)化，明確了九步開挖雙側(cè)壁法及臺(tái)階法施工的地質(zhì)適應(yīng)范圍，其中Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖段采用九步開挖雙側(cè)壁法，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖段采用九步開挖臺(tái)階法，能夠確保超大暗挖車站施工更安全更高效的完成。