淺埋暗挖特大斷面地鐵車站施工工法探究

胡方劍

摘 要：在城市地鐵施工過程中，地鐵車站往往具有斷面大，埋深淺，施工難度大，施工力學(xué)性能復(fù)雜，施工周期長的特點(diǎn)。地鐵車站的開挖引起的隧道圍巖的擾動和地表沉降，對隧道和周邊建筑物的穩(wěn)定性造成影響。為保證車站施工的安全，選擇合理的施工工法，本文結(jié)合實(shí)例對淺埋暗挖特大斷面地鐵車站施工工法進(jìn)行分析，并進(jìn)行對比，可供參考！

關(guān)鍵詞：地鐵車站;淺埋暗挖;施工方法;計(jì)算工況

近年來，隨著城市地鐵的快速發(fā)展，地鐵車站普遍采用淺埋暗挖法施工。該站常具有斷面大、埋藏淺、地質(zhì)條件復(fù)雜、自穩(wěn)性差等特點(diǎn)。在施工過程中選擇合適的施工方法，以保證隧道結(jié)構(gòu)的安全和周圍建筑物的穩(wěn)定，是一個(gè)熱點(diǎn)問題。

1 工程概況

地鐵站全長217.8 m，設(shè)置為露天、地下開挖相結(jié)合的地下車站。地下開挖段長度165.2 m。本站采用地下二層島站、單拱大斷面、復(fù)合襯砌、雙面墻掘進(jìn)法。根據(jù)地面地質(zhì)調(diào)查和鉆探，勘察區(qū)裸露地層可自上而下分為第四系全新世充填土層、殘積洪積粉質(zhì)黏土和侏羅系中沙溪廟組沉積巖層。巖體相對完整，地下水主要為基巖裂隙水和松散層孔隙水。

2 淺埋暗挖特大斷面地鐵車站施工工法

淺埋暗挖法作為一種造價(jià)低、對地面交通影響小、施工靈活的施工方法，在城市地鐵和市政隧道中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，根據(jù)工程地質(zhì)條件，超大斷面地鐵車站單拱淺埋暗挖法主要有臺階法、中墻法（CD法）、跨中墻法（CRD法）、雙側(cè)墻導(dǎo)坑法等。

2.1 臺架法

臺階法按臺階長度可分為長臺階法、短臺階法和超短臺階法。長臺階法上下段間距較大，根據(jù)實(shí)際情況，上臺階長度（L）一般大于孔徑（d）的5倍，短臺階法上下段間距較小，上臺階長度一般控制在孔徑的1.0～5.0倍。根據(jù)斷面的大小，圍巖的特點(diǎn)以及對于變形的控制等，臺階法可以分為上下臺階法，三臺階法等，其中三臺階法可以分為三臺階五步法，三臺階七步法等。

2.2 CRD方法

CRD法是在CD法的基礎(chǔ)上增設(shè)臨時(shí)仰拱，采用兩側(cè)交叉開挖，分步封閉的施工方法。大斷面隧道施工時(shí)，根據(jù)隧道斷面尺寸和工程條件，自上而下分為兩至三段。開挖中墻一側(cè)，各部位初期支護(hù)，及時(shí)封閉臨時(shí)仰拱。然后開挖另一側(cè)，及時(shí)支護(hù)并封閉臨時(shí)仰拱。

2.3 雙側(cè)導(dǎo)坑法

雙側(cè)導(dǎo)坑法是在新奧法施工理念基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種隧道開挖方法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，先開挖左右導(dǎo)坑，后開挖中心心土。各部位分別開挖進(jìn)尺，并立即實(shí)施初期支護(hù)，盡快封閉各部位。基本原則是將工作面分為三部分分別進(jìn)行開挖和初期支護(hù)。

3 計(jì)算工況

通過數(shù)值模擬分析了三種開挖方法：

工況1：三步法;上臺階、中臺階、下臺階依次開挖。各部位單獨(dú)開挖后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初支護(hù)。上下臺階法可用于較好的Ⅲ～Ⅳ級圍巖，對于V～VI級圍巖或大斷面，如三臺階五步法、三臺階七步法等，常采用多臺階開挖。

工況2：CRD法，依次開挖左先導(dǎo)坑，然后開挖右側(cè)土。各部位單獨(dú)開挖后，及時(shí)實(shí)施初期支護(hù)。在CRD法施工過程中，通過增設(shè)臨時(shí)仰拱，使各導(dǎo)洞快速封閉成環(huán)形;但CRD法施工過程復(fù)雜，臨時(shí)支護(hù)施工和隔墻拆除困難，進(jìn)度緩慢，難度大。一般情況下，大斷面隧道圍巖好，地表沉降嚴(yán)格，一般采用CRD法。

工況3：每部分開挖后，依次采用雙面掘進(jìn)法、開挖左側(cè)掘進(jìn)、右側(cè)掘進(jìn)、中墻掘進(jìn)心土，并及時(shí)進(jìn)行初支護(hù)。該方法主要適用于地質(zhì)條件差、跨度大、地表沉降控制嚴(yán)格的大跨度隧道。采用雙面掘進(jìn)法，可以有效控制圍巖變形和地表沉降，保持巷道工作面穩(wěn)定性和施工安全。但雙面掘進(jìn)法施工速度慢，施工成本高，施工過程復(fù)雜，在上心土開挖過程中，工作面處于兩側(cè)飛揚(yáng)狀態(tài)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大，風(fēng)險(xiǎn)大，安全防護(hù)成本高，施工工藝要求高。

4 三種施工方法對比分析

4.1 地表沉陷分析

結(jié)果表明：（1）兩種施工方法下地表沉降分布規(guī)律基本一致，呈對稱分布，沉降值從隧道中心線向兩側(cè)逐漸減小并趨于穩(wěn)定;（2）結(jié)果表明，地表沉降最大值出現(xiàn)在隧道中心線，數(shù)值表現(xiàn)為三步法（8.65 mm）>CRD法（7.40 mm）>雙側(cè)導(dǎo)坑法（4.93 mm）;（3）在本次數(shù)值模擬中，隧道埋深較淺，約12 m。因此，對地表沉降影響明顯，形成明顯的沉降槽，沉降槽寬度約40 m。

4.2 圍巖位移分析

分別采用三種工況的條件下，10 m 斷面各監(jiān)測點(diǎn)的位移如圖1所示。

根據(jù)位移云圖，三種工況下圍巖位移分布基本相同。水平位移主要集中在邊墻位置，豎向位移主要是拱頂?shù)?/p>

豎向位移和仰拱的隆起。三種施工方法下，三步法圍巖位移最大，拱頂豎向位移-21.31 mm，側(cè)墻水平位移9.16 mm;CRD法圍巖位移次之，拱頂豎向位移-12.59 mm，側(cè)墻水平位移5.50 mm;雙側(cè)導(dǎo)坑法圍巖位移最小，拱頂豎向位移-7.86 mm，側(cè)墻水平位移5.08 mm。對比分析表明，雙側(cè)導(dǎo)坑法控制圍巖變形效果最好，CRD法次之，三步法效果最差。

4.3 襯砌應(yīng)力分析

結(jié)果表明，三種施工方法二次襯砌最大主應(yīng)力分布基本一致，即仰拱內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力較大，仰拱外側(cè)三個(gè)測點(diǎn)次之，拱頂內(nèi)側(cè)和拱頂外側(cè)依次減小;結(jié)果表明，各測點(diǎn)的最大主應(yīng)力最小，更有利于結(jié)構(gòu)的安全;三步法仰拱內(nèi)最大主應(yīng)力為0.95 MPa，小于C40混凝土的抗拉強(qiáng)度;三種施工方法的二次襯砌應(yīng)力值較小，二次襯砌主要作為安全儲備。

5 總結(jié)

針對淺埋暗挖超大斷面地鐵車站，通過數(shù)值分析方法，對三種常用方法的圍巖位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

（1）兩步法、CRD法和雙側(cè)導(dǎo)坑法引起的圍巖變形逐漸減小，雙側(cè)導(dǎo)坑法對圍巖變形的控制效果最好。

（2）地表沉降呈左右對稱分布。隧道較淺，對地表沉降影響較大。沉降槽寬度約40 m，雙側(cè)導(dǎo)坑法地表沉降最小。

（3）雙側(cè)導(dǎo)坑法噴射混凝土的最大主應(yīng)力和二次襯砌的最大主應(yīng)力相對最小，更有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

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