地鐵車站站臺暗挖隧道下穿城市快速路的施工力學分析

張 慶

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

近年來，我國地下鐵道建設方興未艾，而隨著城市建設與交通需求的不斷增長，城市地下空間的開發利用不斷深化，新建地鐵工程經常面臨著大跨度、淺埋深、穿越城市道路、建筑物密集區等種種不利的情況［1］－［3］。其中，地鐵車站站臺隧道下穿城市公路的情況尤為典型。

地鐵車站站臺隧道通常采用暗挖法施工，隧道斷面較大、間距較小，無論從圍巖穩定性、支護結構的復雜程度還是從城市環境保護角度看，施工難度都相當大［4、5］。鑒此，本文采用數值計算方法對成都地鐵2號線一期工程站東廣場站站臺暗挖隧道下穿車流量特別大的城市公路時的影響進行研究，進而提出了保障既有城市公路正常運營和新建隧道安全施工的方法與監測手段，可為今后類似工程設計和施工提供參考。

1 工程概況

成都地鐵2號線站東廣場站位于成都市三環路東五段與規劃道路的十字交叉路口下方，呈東、西向布置，為地下三層三跨明暗結合島式站臺車站。車站站臺暗挖隧道橫穿三環路，為兩個斷面高為9.3 m，寬為9.4 m的馬蹄形隧道，單條隧道長80 m，暗挖段總寬度為23.78 m。隧道與車站的空間關系如圖1所示。

隧道穿越土層主要為含卵石黏土、含黏土卵石、泥巖及局部粉砂，采用CRD暗挖法施工。共分為四個小導洞，上部兩個小導洞采用臺階法加預留核心土法進行開挖，下部兩個小導洞采用全斷面法開挖。隧道初期支護形式為超前大管棚+超前小導管+350 mm厚C25網噴混凝土的復合襯砌，二襯結構為450 mm厚C30現澆鋼筋混凝土結構，隧道襯砌斷面見圖2。

圖2 暗挖隧道襯砌斷面圖

2 模型建立及參數選取

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

圖3 計算模型

計算模型中，噴射混凝土初期支護采用梁單元予以模擬，對于表中圍巖管棚超前加固區的支護效果采用提高圍巖物理力學參數的方法來實現的。考慮到圍巖加固效果受諸多因素影響，鑒于目前國內外對于該方面研究資料也較為缺乏，故此，本文在參考已有資料的基礎上，將預加固區圍巖參數中的彈模及粘聚力大幅提高［6］，計算選用的材料物理力學參數見表1。

表1 材料物理力學參數指標

計算采用平面應變彈塑性本構模型、Mohr－Coulomb準則和相關聯流動法則，通過設置不同開挖步模擬隧道開挖階段，并以對各開挖步在不同荷載增量步加設錨噴支護或襯砌結構來模擬支護施作時機的影響，由此達到對隧道開挖施工過程的模擬［7］。

針對CRD法，選擇了3種不同的施工步驟，以確定最優化施工步驟，為便于比較，3種方案均采用左、右洞同時施作的方式。方案A為先每洞均為從內側而外側施作;方案B為由外側而內側施作;方案C為由上而下施作，具體步驟如圖4所示。

圖4 不同施工步驟示意圖

3 計算結果分析

3.1 城市公路路面沉降分析

施工開挖順序不同，對上伏城市公路的影響也不甚同，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曲線形狀，且離隧道中心越遠，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15.95 mm，方案C次之，為18.77 mm，方案 B最大，為34.79 mm，為方案 C的2.18倍。

圖5 不同施工方案下路面最終沉降

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，先內側后外側的開挖方式要略優于先外側后內側的方式。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先上側后下側的開挖方式使開挖范圍形成大跨度的空腔，易于造成拱頂的圍巖變形與沉降。

圖6 不同施工方案下路面沉降的變化

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，路面的最大沉降量與沉降槽寬度都在不斷增加。右洞左半側開挖完成后，路面最大沉降出現在中間略偏于右洞上方，量值為4.12 mm;隨著左洞右半斷面開挖完成，其產生的沉降槽與已形成的沉降槽疊加，造成路面最大沉降發生了向左的偏移，其量值為6.96 mm。而當左洞與右洞繼續開挖，沉降槽又繼續疊加，造成沉降槽的形態再次出現了較大變化，路面最大沉降隨之發生了兩次偏移，且沉降值大幅提升。

圖7 方案A施工中路面沉降情況

3.2 支護結構受力分析

對于具有大斷面、小近距屬性的車站站臺隧道而言，施工過程的差異除了造成路面沉降的顯著變化外，還將引起支護結構受力的差異。

三種施工方案下，支護結構的彎矩與軸力分布圖如圖8所示。可見，由于開挖順序不同，支護結構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于拱頂，最大負彎矩均出現于拱腳處，而方案B最大正彎矩均出現于拱腰，而最大負彎矩出現于拱肩處。從量值上看，方案A最大負彎矩位于右洞拱腳，達－198.21 kN·m，最大正彎矩位于右洞拱頂，為28.63 kN·m，方案B最大負彎矩位于左洞拱肩，達－198.35 kN·m，最大正彎矩位于右洞拱底，為29.33 kN·m，方案C最大負彎矩位于右洞拱腳，量值為－81.02 kN·m，最大正彎矩位于左洞拱頂，為43.92 kN·m。

從三種方案支護結構的軸力分布情況可見，開挖順序對于支護結構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847.68 kN，最小軸力位于左洞拱頂，為134.75 kN;方案B最大軸力位于左洞拱肩，達973.51 kN·m，最小軸力位于右洞拱底，為90.89 kN·m;方案C最大軸力位于右洞拱肩，量值為566.25 kN，最小軸力位于左洞拱底，為142.9 kN。

圖8 不同施工方案下支護結構內力雷達圖

從總體受力情況來看，方案B的彎矩明顯大于方案A與方案C，而軸力的分布十分不均勻，為較差的施工方案，而方案A彎矩相對較小，軸力分布較為均勻，為優選的施工方案。

4 結論

本文以成都地鐵2號線站東廣場站站臺暗挖隧道為例，研究了在不同施工工序下，隧道下穿高速公路對高速公路路面沉降的影響以及支護結構受力的變化情況，得出以下幾點有益結論。

(1)對于具有大斷面、小近距屬性的車站站臺隧道而言，不同的施工工序將造成路面沉降的顯著差異。從路面沉降控制的角度看來，先內側后外側的開挖方式要略優于先外側后內側的方式，而先上側后下側的開挖方式使開挖范圍形成大跨度的空腔，易于造成拱頂的圍巖變形與沉降。

(2)從支護結構受力的角度看來，不同的施工過程同樣將引發支護結構受力的差異，相比之下，先上側后下側的開挖方式將使支護結構受力不利，而先內側后外側的開挖方式要略優于先外側后內側的方式。

［1］何川，蘇宗賢，曾東洋.地鐵盾構隧道重疊下穿施工對上方已建隧道的影響［J］.土木工程學報，2008，41(3):91－98

［2］張海波，殷宗澤，朱俊高.近距離疊交隧道盾構施工對老隧道影響的數值模擬［J］.巖土力學，2005(2):282－286

［3］張志強，何川.地鐵盾構隧道近接樁基的施工力學行為研究［J］.鐵道學報，2003，25(1):92－95

［4］李強，王明年，李德才，等.地鐵車站暗挖隧道施工對既有樁基的影響［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(1):184－190

［5］朱澤兵，劉新榮，張永興.大跨超淺埋輕軌車站隧道開挖方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(2):290－295

［6］李志業，曾艷華.地下結構設計原理與方法［M］.成都:西南交通大學出版社，2003

［7］朱合華，丁文其.地下結構施工過程的動態仿真模擬分析［J］.巖石力學與工程學報，1999，18(5):558–562