淺埋暗挖大斷面地鐵區間隧道開挖施工技術

李景濤

（中鐵十六局集團地鐵工程有限公司， 北京 100018）

1 工程概況

文章以北京市昌平區未來科技城地鐵區間為例展開探討，該工程為典型的南北走向，位于魯疃西路西側未來科技城開發地塊南側。近車站處設置單渡線（渡線曲線段R=290），線路由南向北2‰下坡。軌頂標高最高點11.825m，最低點11.526m。區間隧道結構斷面尺寸為:13.90m×10.78m（寬×高）。

2 施工方法的比選

2.1 傳統施工方法的局限性

雙側壁導坑法的具體內容如圖1所示，作為1種較為傳統的工程方法，其在施工中具有明顯的局限性，具體為:①所需使用的機械設備規模較小，不適用于大型設備施工作業；②施工工序繁多，施工效率較差，耗費大量的成本；③施工中臨時支護結構拆除作業時極易引發變形現象，甚至會對工程安全造成影響；④各時期支護之間的銜接性較差，彼此之間具有相對獨立性，因此所得到的整體初支結構不夠圓順，加大了應力集中現象出現的可能性。

圖1 雙側壁導坑法開挖步驟

2.2 改進方法

雙側壁導坑法的可行性較差，出于工程效率及質量的考慮，在原有工藝方法上進行了改進，提出如下2種方法。

首先是臺階分步臨時支撐法。全斷面將會形成3個臺階部分，對于上臺階斷面而言，以分步開挖的方式進行施工，同時應使用豎向臨時型鋼進行支撐處理，當結束上述施工后依次進行中、下臺階的開挖施工。需注意的是，臺階分步臨時支撐法所涉及的工序較少，所形成的開挖斷面較大；但在進行臨時支護拆除作業時，極易出現初支應力大幅增加的現象，如果該值超出了初支結構所具備的極限強度，則極易引發坍塌。此方法的具體內容如圖2所示。

圖2 臺階分步臨時支撐法開挖步驟

考慮到上述方法存在的弊端，在該基礎上進行了改進，此時得到了臺階臨時支撐與部分雙側壁法相結合的方式，其具體內容如圖3所示。

圖3 臺階臨時支撐與部分雙側壁法開挖步驟

在施工前期，有必要進行動態數值模擬分析，由此確定合適的開挖工法。基于對地鐵車站隧道進行數值模擬的方式，綜合考慮工程所提出的質量、成本等多方面要求，最終確定1套可行性較高的方法。此外，為了驗證方案的可行性，應對施工過程中的各項參數進行監測，并將其與模擬值進行對比，從而對工藝方法進行全面掌握。

3 3種開挖方法的數值模擬

3.1 計算模型

該項目采用二維彈塑性平面應變模型，考慮到邊界效應所帶來的影響，基于提升計算結果精確性的目的，最終設定的模型尺寸有:于隧道中線部分而言，其左、右2側分別取70m和100m，在進行上邊界選取時應延展至地表處位置。在進行邊界條件計算時應考慮的內容有:有必要給左右邊界設置水平約束，同時應在底邊界處設置豎向約束；而對于地表處，則將其設置為自由邊界的形式。基于ANSYS有限元軟件分析可知，無論圍巖、錨桿還是鋼支撐等結構，均需要遵循D-p屈服準則。在進行模擬分析時，圍巖設置為Plane42單元，噴射混凝土環節則將其設置為Beam3單元。此外，諸如錨桿及鋼支撐等結構則采用Linkl單元模擬的方式。

3.2 數值模擬方案

該工程項目中，所提出的方法均遵循圖1～3所給的開挖順序進行模擬分析。

3.3 計算結果分析

對于淺埋暗挖超大斷面隧道工程而言，圍巖必須具備足夠的安全性，具體體現在拱頂下沉和地表沉降2方面。對此，本文以這兩大指標為對象進行分析，所得結果如表1所示。此外，還對所提出的3種方法對應的錨桿軸力狀態進行分析，所得結果如表2所示。

表1 位移計算結果

表2 錨桿軸力最大值對比分析

對上述結果進行如下分析。

1）關于改進后的方法二，這種多技術綜合的方式可大幅縮減施工工序，此時圍巖的擾動次數得到了良好控制，工程施工周期較短，在確保工程質量的前提下還具有良好的效益。因此，只要嚴格遵循施工原則，所得到的效果不亞于雙側壁導坑法。

2）經改進后的方法二，其所帶來的錨桿軸力得到了良好控制，為了進一步驗證方法的可行性，工程人員對錨桿承載力進行了全面檢測，結果表明其達到了工程標準，在施工中具有足夠的安全性。

3）基于改進后的方法二，所得到的圍巖應力應變現象均可控制在工程許可范圍內，所設置的支護結構較為簡單，所得到的隧道整體穩定性較佳。

基于上述分析可知，臺階臨時支撐與部分雙側壁法的結合方式可以突破傳統方式的弊端，充分顧及工期、成本等多方因素，可行性較佳。

4 施工優化與效果

4.1 施工優化

出于全面控制隧道拱頂下沉及地表沉降現象的目的，加之工程對工期、質量等方面所提出的種種要求，最終選定為改進后的方法二進行施工，即以臺階臨時支撐為基礎，綜合引入雙側壁法進行施工。在施工過程中，密切關注開挖進尺、掌子面距離等各項性能指標；應盡早做好開挖面封閉工作；當獲得足夠的監測數據后，相關人員便可在此基礎上對工藝參數進行調整。

4.2 施工效益

“臺階臨時支撐+部分雙側壁法”的施工方式具有高度可行性，它繼承了多種傳統方法的基本優點，可創造足夠安全的施工環境，由此提升地鐵車站隧道施工的整體質量，在成本、效率等方面均能滿足工程所提出的要求。當采用此方式后，節省的施工成本達650萬元，相比傳統方式提前125d完工，整體效益良好。

5 結語

以實際地鐵車站隧道工程為例展開分析，基于數值計算的方法，加之密切的監測手段，最終選定了“臺階臨時支撐+部分雙側壁法”的施工方式，實際結果表明此方法所帶來的效果較為理想。