改進型雙側(cè)壁導坑法在復雜城區(qū)環(huán)境下超淺埋暗挖地鐵車站的應用研究

王祥WANG Xiang

（貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴陽 550081）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設的快速推進，城市地下空間的開發(fā)利用受到了越來越多的重視。對于山地城市而言，地形、地勢、水文地質(zhì)等方面與平原城市存在著較大差異，對城市地下空間開發(fā)利用的要求更高，對于城市地下空間的開發(fā)利用需求也較大。貴陽市作為典型的喀斯特山地城市，進行城市地下空間工程建設具有“強巖溶、高水壓、構(gòu)造復雜、災害頻發(fā)”等顯著特點。在大量地下空間的開發(fā)利用中，一定程度上實現(xiàn)了集約化，而由此帶來的“城市綜合癥”[1]對后續(xù)城市地下空間建設限制條件也越來越多，主要表現(xiàn)在大量管線入地后明挖工法應用受限、大量地下構(gòu)筑物修建后地下空間再次開發(fā)利用空間困難等方面。這種限制在跨區(qū)域地下線性工程為主的地鐵建設中尤為突出，國內(nèi)的從業(yè)者從暗挖法的角度，也紛紛探索提出了多種辦法。張中杰等在上海軟土地區(qū)創(chuàng)新地采用暗挖法修建地下車站，解決了中心城區(qū)交通、管線帶來的限制[2]。李美群利用有限差分數(shù)值模擬，結(jié)合北京地區(qū)地層特性，對不同暗挖工法進行分析以研究其應用條件[3]。王春凱等通過合理確定車站規(guī)模及建筑布置，調(diào)整暗挖工法步序等方式實施了貴陽地鐵換乘車站建設[4]。趙迎等結(jié)合貴陽軌道交通建設中上軟下硬的復合地層，研究疊合初支拱蓋法的適用性及受力狀態(tài)，豐富貴陽暗挖工法的應用[5]。

貴陽軌道交通3 號線一期工程黔靈山公園站受線站位及周邊環(huán)境條件限制，作為采用暗挖工法施工的超淺埋地下車站，經(jīng)多方論證后，采取改進型的雙側(cè)壁導坑法實施暗挖施工，有效保障了對周邊環(huán)境及工程建設的安全，取得了較好的應用效果，可為類似工程的建設提供參考借鑒。

1 工程概況

貴陽軌道交通3 號線一期黔靈山公園站位于貴陽老城核心區(qū)城市主干道路下方，為地下二層島式車站，車站長度約220m，有效站臺寬11m，標準段結(jié)構(gòu)凈寬19.4m。根據(jù)地面的地勢條件，車站拱頂覆土埋深呈南淺北深，埋深范圍為8～12m，屬超淺埋大跨車站。

1.1 地質(zhì)條件

車站區(qū)域地質(zhì)分別為雜填土、紅粘土、中風化白云巖及中風化白云巖地層構(gòu)成，巖石節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，為巖溶強發(fā)育區(qū)。且地下水豐富，受構(gòu)造節(jié)理裂隙、巖溶洞（隙）及管道控制，呈不均勻無規(guī)律分布，因臨近山體，擬建車站北側(cè)地表水與地下水存在一定的水力聯(lián)系，靜水位埋深高于車站拱頂。站點范圍內(nèi)還存在一條非活動斷層橫跨車站，斷層破碎帶的巖體角礫化嚴重，膠結(jié)性較好。車站地質(zhì)縱斷面如圖1 所示。

圖1 車站地質(zhì)縱斷面圖

1.2 周邊環(huán)境

黔靈山公園站位于貴陽老城核心區(qū)，鄰近貴陽著名的市內(nèi)景點黔靈山公園，車站所處的棗山路為貴陽市區(qū)一環(huán)主干道，道路交通繁忙。車站周邊建構(gòu)筑物密集，人行道較為狹窄，站點結(jié)構(gòu)緊鄰31 層天怡豪生大酒店、28 層鐵道大廈、13 層尚捷酒店、8 層居民樓、7 層煙草公司辦公樓等多棟高層建筑物。車站大里程端位于北京西路與棗山路路口，上有北京西路高架橋，下有棗山路地下通道，周邊環(huán)境較為復雜。

站址范圍內(nèi)管線繁雜，遍布于人行道及車行道地下，管線類型包括燃氣管、雨污水管、電力管線、通訊管線、軍用光纜等。

所處環(huán)境決定了車站實施不具備交通疏解及管線遷改條件，且車站施工對環(huán)境保護要求較高，對車站工法選擇、技術(shù)要求也提出了較為嚴苛的需求。車站總平面如圖2 所示。

圖2 車站總平面圖

2 車站工法比選

車站施工工法的選定，受制于工程水文地質(zhì)、周邊環(huán)境條件、車站埋置深度和道路交通組織等眾多因素。施工工法對結(jié)構(gòu)型式的確定和工程造價也有著決定性的影響。經(jīng)梳理論證，目前巖石地層暗挖車站，主要工法有中洞法、側(cè)洞法、雙側(cè)壁導坑法、拱蓋法、PBA 法等，通過對各暗挖工法的主要特點、實施難度、工程進度、沉降控制、防水質(zhì)量、廢棄工程量及工程造價等方面進行綜合比選，形成對比分析表，如表1 所示。

表1 暗挖施工工法比較表

上述工法各有其優(yōu)缺點，都有成功實施的先例，但也都有一定的不足之處。中洞法工序轉(zhuǎn)換次數(shù)最多，很難限制工序轉(zhuǎn)換中的附加位移，且施工過程中采用大量的臨時支護，廢棄工程量大，施工操作困難，故不予考慮。側(cè)洞法初次揭露的是兩個側(cè)洞，跨度大且要同步施工，對地表擾動大，安全性稍差，故不予考慮。拱蓋法的關(guān)鍵是在于拱腳的穩(wěn)定性，但本車站巖體較破碎，拱腳穩(wěn)定性不足，而且由于車站拱部下穿過街地道，凈距僅有1.2m，不足以施作初支加強拱蓋，故不予考慮。PBA 工法除了需要施作中柱及上下導洞外，還要施作圍護邊樁及成樁導洞，增加了較多的工程量，且防水節(jié)點難以保證，故不予考慮。

雙側(cè)壁導坑法的導坑斷面近似橢圓，周邊輪廓圓順，避免應力集中，利用土層或巖層在開挖過程中短時間的自穩(wěn)能力，采用網(wǎng)狀支護形式，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護結(jié)構(gòu)，用中隔壁核心土承擔部分受力，對周圍環(huán)境影響較小。且車站拱墻一次成型，施工質(zhì)量和防水質(zhì)量效果好。綜合以上情況，黔靈山公園站暗挖施工選用雙側(cè)壁導坑法較為適宜，開挖斷面如圖3 所示。

圖3 車站暗挖斷面圖

3 改進型的雙側(cè)壁導坑工法

3.1 雙側(cè)壁導坑在貴陽硬巖地層應用存在的問題

按照雙側(cè)壁導坑工法，黔靈山公園站開挖豎向最大凈空為19.21m，最大跨度為22.16m，開挖斷面達到360m2，為超大暗挖斷面，分為9 部開挖，豎向設置兩道水平中隔板。同時由于該車站位于中心城區(qū)，鄰近眾多重要建構(gòu)筑物，只能采用非爆破工法開挖。

傳統(tǒng)雙側(cè)壁導坑法施工將面臨幾大難題：一是該區(qū)域巖石強度高達40MPa，采用人工或者小型機械開挖困難，借鑒貴陽軌道交通1、2 號線開挖施工經(jīng)驗，擬選用懸臂掘進機實施車站主體開挖，但懸臂掘進機設備重達近百噸，開挖振動及后坐力較大，無法在中隔板上走行及操作；同時懸臂掘進機開挖時，需在各平行導洞內(nèi)交叉作業(yè)，而上下導坑之間高差無法滿足設備轉(zhuǎn)場需求。二是車站拱頂覆土厚度僅為開挖寬度的0.4～0.6 倍，為超淺覆土車站，且地質(zhì)條件復雜，填土厚度大，巖溶發(fā)育，在開挖完成后二襯施工階段，需拆除中隔壁和中隔板，在巖層自穩(wěn)能力較差的情況下，如何確保工序轉(zhuǎn)換時的結(jié)構(gòu)安全無類似工程經(jīng)驗可照搬，存在較大施工風險。三是車站拱頂位于土石分界線分界，覆土層主要為雜填土及紅黏土，上方道路交通繁忙且路下管線眾多，做好開挖斷面的沉降變形的有效控制，保障道路通行及地下管線的安全也是需要著重考慮和解決的問題。

3.2 對雙側(cè)壁導坑的改進

為解決施工機械配套及施工安全風險的問題，結(jié)合現(xiàn)場實際，參建各方經(jīng)研究論證后，擬對傳統(tǒng)雙側(cè)壁導坑工法進行改進（如圖4 所示），改進后的施工步序為：

圖4 車站開挖步序圖

3.2.1 開挖①部，施作初期支護及徑向錨桿，①部導坑初支封閉成環(huán)。滯后①部35m 后，開挖②部，施作初期支護及徑向錨桿，②部導坑初支封閉成環(huán)。

3.2.2 在①部貫通后，開挖③部，施作初期支護及徑向錨桿，③部導坑初支封閉成環(huán)。在②部貫通后且滯后③部35m 后，開挖④部，施作初期支護及徑向錨桿，④部導坑初支封閉成環(huán)。

3.2.3 在③部貫通后，開挖⑤部，施作初期支護及徑向錨桿，⑤部導坑初支封閉成環(huán)。在④部貫通后且滯后⑤部35m 后，開挖⑥部，施作初期支護及徑向錨桿，⑥部導坑初支封閉成環(huán)。

3.2.4 施作Ⅰ部矮邊墻鋼筋混凝土，在中隔壁位置預留仰拱接駁器，待已澆筑二襯達到強度后架設橫向支撐。

3.2.5 Ⅰ部橫向支撐架設完成后，拆除下層中隔板。澆筑Ⅱ部側(cè)墻鋼筋混凝土，待已澆筑二襯達到強度后架設橫向支撐。

3.2.6 Ⅱ部橫向支撐架設完成后，拆除上層中隔板。澆筑Ⅲ部側(cè)墻鋼筋混凝土，待已澆筑二襯達到強度后架設豎向格構(gòu)柱。

3.2.7 Ⅲ部混凝土縱向全部澆筑完成且達到設計強度后，開挖⑦部上臺階，施作初期支護及徑向錨桿。緊跟掌子面澆筑Ⅳ部拱頂鋼筋混凝土，待已澆筑二襯混凝土達到設計強度后，進行下一循環(huán)的開挖和澆筑。

3.2.8 開挖⑦部下臺階，每開挖一榀逐榀連接橫撐。待⑦部開挖貫通后并架設橫向支撐后，開挖⑧部，每開挖一榀逐榀連接橫撐。

3.2.9 待⑧部開挖貫通后并架設橫向支撐后，開挖⑨部，每開挖一榀及時封閉鋼架，并澆筑Ⅴ部二襯鋼筋混凝土。

3.3 數(shù)值分析

針對暗挖車站開挖工況，采用有限元軟件Plaxis 建模計算，模型尺寸取為100m×60m×300m（X×Y×Z），土層參數(shù)按照實際所處的地層選取，采用15 節(jié)點三角形單元模擬；初支及二襯結(jié)構(gòu)采用8 節(jié)點線彈性板單元模擬；初支與土層之間設置接觸面單元，用二維Goodman 單元模擬；在幾何模型底部施加完全固定約束，在兩側(cè)施加豎直滑動約束，在模型上表面取為自由邊界；車站開挖步驟按照上述開挖步序進行模擬。

通過計算，按照分部開挖后得到暗挖車站開挖引起的地層最大豎向變形為11mm，開挖引起的鋼架拱部最大豎向變形為15mm，模擬分析如圖5 所示。

圖5 拱頂沉降云圖

本車站初支采用360mm 厚C25 噴射混凝土和工28b型鋼，中隔壁、中隔墻采用280mm 厚C25 噴射混凝土和工20b 型鋼。采用“地層—結(jié)構(gòu)”模型進行初期支護的計算，通過計算得到初支內(nèi)力，經(jīng)承載力驗算，得到最大鋼架應力為78MPa，滿足承載力要求。模擬計算如圖6 所示。

圖6 初期支護軸力圖（kN）

4 應用情況

車站主體自2021 年6 月采用懸臂掘進機開挖，目前已依次開挖完成了①部至⑥部導洞，并按順序澆筑了Ⅰ部至Ⅲ部鋼筋混凝土。為保障改進型雙側(cè)壁導坑法施工安全，施工過程中在車站主體及周邊區(qū)域布設了相應監(jiān)測點，對車站區(qū)域地表沉降及拱頂變形進行了長期連續(xù)觀測。

為能直觀反映車站開挖引起的變形數(shù)據(jù)，沿車站縱向選取地表沉降點DBC03、DBC08、DBC12、DBC17、DBC21等五組數(shù)據(jù)，每組自①部至②部方向分別布置3 個測點，依次命名為01～03。同時選取各地表沉降點位置處的拱頂沉降數(shù)據(jù)測點，分別為GDC03、GDC08、GDC012、GDC17、GDC21，每組自①部至②部方向分別布置2 個測點，依次命名為01、02 點，如圖7所示。

圖7 車站主體監(jiān)測點布置圖

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，當暗挖車站各導洞開挖后，除個別點位在鄰近注漿工作影響下呈隆起狀態(tài)外，其余地表測點主要呈沉降趨勢，趨于穩(wěn)定后最大沉降約14mm。地表監(jiān)測點相應位置的拱頂沉降數(shù)據(jù)與地表沉降數(shù)據(jù)較為吻合，大多處于沉降狀態(tài)，趨于穩(wěn)定后除個別點位拱頂最大沉降約15mm，其余拱頂沉降大多在10mm 以內(nèi)。地表及拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8、圖9 所示。

圖8 地表沉降監(jiān)測圖

圖9 拱頂沉降監(jiān)測圖

通過監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，超淺埋大跨度暗挖車站采用改進型雙側(cè)壁導坑法施工，引起的地表沉降、拱頂沉降小于規(guī)范允許值，且與數(shù)值模擬的結(jié)果較為接近。

5 結(jié)語

貴陽軌道交通3 號線一期工程黔靈山公園站施工結(jié)合工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、開挖方法等情況，通過工序優(yōu)化得到改進型的雙側(cè)壁導坑法，并在工程實踐中取得了較好的應用成效，切實推進了工程安全有序的建設。通過研究歸納，可得到如下結(jié)論：

①改進型雙側(cè)壁導坑法可大為降低受力體系轉(zhuǎn)換時的工程風險，并能適應硬巖地區(qū)大型機械開挖的需求，滿足中心城區(qū)嚴格的周邊環(huán)境控制要求。

②通過有限元數(shù)值模擬可較好地得到改進型雙側(cè)壁導坑開挖引起的地面沉降及拱頂沉降，以此分析大斷面暗挖施工對周邊環(huán)境的影響。

③數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比表明，改進型的雙側(cè)壁導坑法在淺埋大跨暗挖車站中的應用，引起周邊環(huán)境的變形較小，能保障有效路面行車及管線安全。