砂泥巖地層超大斷面暗挖車站隧道施工工法研究

【摘要】超大斷面淺埋暗挖地鐵車站隧道施工安全風險大，合適的施工工法有助于控制上述風險。依托重慶軌道交通4號線玉帶山車站隧道工程，對四臺階中隔墻12導坑法、雙側壁導坑法和交叉中隔壁法在該隧道中的適用性進行了研究。結果表明，車站隧道分別采用三種工法施工后，在隧道環向圍巖塑性區深度大約為1倍洞徑。隧道分別采用四臺階中隔墻12導坑法、雙側壁導坑法和交叉中隔壁法施工后，地表沉降最大值分別為33 mm、38 mm、44 mm；洞周變形最大處位于邊墻，最大形變量分別為6.5 cm、7.0 cm和7.8 cm；邊墻處支護結構安全性最低，最小安全系數分別為1.1、1.0和0.9。綜合考慮，認為交叉中隔壁法安全性偏低，4臺階12導洞法及雙側壁導坑法均適用該隧道，4臺階12導洞法在地表沉降、洞周變形以及結構內力等方面都表現為最優工法。

【關鍵詞】暗挖車站； 大跨； 施工工法； 淺埋隧道； 砂泥巖地層

【中圖分類號】U231.4A

0 引言

大跨淺埋暗挖地鐵車站隧道常面臨周圍環境復雜，施工難度大、施工工期長等特點。而不同的隧道施工工法意味著對圍巖產生不同的荷載，直接影響隧道的結構內力，通過研究不同工法下的變形和內力情況，能對隧道設計和施工提供實用性參考。重慶軌道交通4號線西延伸段玉帶山站隧道具有跨度大、埋深淺、臨近建筑物多等特點，玉帶山站隧道穿越地層主要巖性為砂質泥巖，局部夾雜少量砂巖，隧道拱頂埋深約為20 m～30 m。設計采用非爆破開挖，由于施工通道較為狹窄，大型機械通行困難，施工組織具有極大的挑戰性。在此情況下，選取合適的施工工法對于保障工期及施工安全具有重要現實意義。

目前，已有不少學者對大跨淺埋暗挖隧道展開了相關研究。王凱［1］建立了淺埋暗挖地鐵車站結構型式和施工方法優化體系，提出了淺埋暗挖地鐵車站結構選型的概念優化方法。趙博［2］依托重慶地鐵9號線五里店淺埋暗挖地鐵車站，研究了雙側壁導坑法設計參數優化及快速施工工法。盧春龍［3］依托大連興工街車站軟弱圍巖淺埋大跨隧道，采用數值方法對雙側壁導坑微臺階開挖法和CRD法兩種施工方法開挖過程中圍巖和初期支護的位移、應力、邊墻的收斂以及雙層初期支護的結構內力進行了對比分析，并通過現場監控量測驗證了數值計算結果。王仁杰等［4］以蘭渝鐵路新城子隧道為例，通過現場測試和FLAC3D數值模擬，對大跨隧道采用雙側壁導坑法引起的隧道變形和襯砌受力進行研究分析。陳明奎等［5］采用有限元軟件對某大跨度巖溶隧道進行了三臺階法、單側壁導坑法和雙側壁導坑法等3種施工工法的比選，得到雙側壁導坑法是適用于該類工程施工工法的結論。朱苦竹等［6］采用FLAC 3D進行模擬計算對淺埋軟弱圍巖大跨度隧道的開挖工法進行研究，通過對多種工法下隧道拱頂下沉值、圍巖水平位移值、塑性區以及主應力進行對比，認為雙側壁導坑法為此種工況的最優工法。丁建隆［7］采用平面彈塑性有限單元法，研究以雙側壁導坑加拱部跳挖法為基礎的開挖分布相同而開挖順序不同的三種施工工法，認為若地面有建筑物需要保護，應先開挖鄰近建筑物一側的導坑，拱部也應先開挖鄰近建筑物一側的土體。伍國軍等［8］基于滬蓉西八字嶺隧道大跨段采用ABAQUS有限元軟件模擬研究了大跨隧道的開挖和支護全過程，并結合現場監控測量進行了分析論證，認為淺埋大跨四車道公路隧道采用無中隔墻法是可行的。覃衛民等［9］基軟巖淺埋大跨隧道采用有限元計算結合現場監測的方法，對隧道施工過程中樓房的安全運行情況進行了深入的研究，認為地面注漿抬升措施控制樓房下沉效果明顯，并對最有利于控制樓房沉降的工法開挖順序給出了建議。房倩等［10］采用三維有限差分軟件FLAC 3D研究了柱洞法、中洞法和側洞法3種施工工法對大斷面地鐵車站下穿既有線路的不同影響，研究結果認為柱洞法相對于其他2種工法更優，特別是在地層沉降控制要求比較嚴格時應首選柱洞法。

綜上所述，既有的文獻表明大跨淺埋暗挖地鐵車站施工工法對隧道變形和受力影響較大，開挖臺階和導洞開挖順序等都會產生不同的力學響應。既有文獻中的工程大多為跨度7～21 m、高5～15 m的隧道，而重慶軌道交通4號線玉帶山站總寬25.81 m，總高28.60 m，其具有跨度大、邊墻高、周圍建筑物復雜以及施工全過程都采用非爆施工等非常鮮明的特點，其施工工法的設計更是極其重要。在此背景下，本文以重慶軌道交通4號線玉帶山暗挖地鐵車站為工程依托，通過建立三種施工工法的三維數值模型，計算得到其地表沉降、洞周變形、塑性區范圍及結構內力結果，以此結果來研究比選三種施工工法的優劣，研究結果可為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

重慶軌道交通4號線西延伸段玉帶山站地處重慶江北區，位于南石家園小區地下，為目前亞洲最大城市軌道交通暗挖車站。車站起點里程為YK3+505，車站終點里程為YK3+747，車站總長度242.2 m，車站隧道開挖尺寬度28.3 m，開挖高度30.4 m，為地下三層暗挖車站。車站南側為已建軌道交通環線玉帶山車站，環線車站為明挖三層車站，與本站采用通道換乘，本站與遠期21號線采用同臺換乘。玉帶山車站平面圖和剖面如圖1和圖2所示。

由于玉帶山車站處于城市建筑群中，周圍地面建筑包括既有環線、居民區、生化池和地下車庫等，與既有環線玉帶山站最小凈距為32.7 m。根據民爆公司的規定，距運行地鐵線路50 m范圍不能火工爆破，必須采取非爆破開挖方式，施工工法極為受限。且玉帶山站開挖地質主要為砂質泥巖，局部夾雜少量砂巖，圍巖等級以IV級為主，部分區段為V級圍巖。其中，砂質泥巖遇水易軟化，開挖安全風險高、難度大。除此之外，其施工通道也較為狹窄，大型機械通行困難，施工組織具有極大的挑戰性。故本文采用三維數值模擬的方法對不同施工工法下隧道的變形和內力進行研究，對比分析得出車站最優施工工法。

2 車站工法方案

為了有效控制因施工引起的地層變形造成的對周圍環境的不良影響，以及對鄰近建筑物和地下管線等的損害，就需要對地層變形以及地表沉降做出正確的預測和評價，從而選出最適合工程實際的施工工法。對于淺埋大跨暗挖地鐵車站，最常見的施工工法包括，雙側壁導坑法、中隔墻法、交叉中隔墻法等。由于玉帶山車站施工條件非常受限，該隧道初步設計階段采用四臺階中隔墻12導坑法施工，如圖3所示。初期支護采用雙層28 cm厚C25鋼纖維噴射混凝土+I22b型鋼拱架，臨時支護采用C20噴射混凝土+I20b型鋼拱架。

為了探討大跨暗挖地鐵車站各施工工法下的結構變形及受力情況，在原設計四臺階中隔墻12導坑法之外，另設計了雙側壁導坑法和交叉中隔墻法進行比選論證，選出三種施工工法中的最優工法，為現場實際施工提供指導。為了方便介紹，下文中將四臺階中隔墻12導坑法、雙側壁導坑法和交叉中隔墻法分別命名為工法一、工法二和工法三。

2.1 工法一施工具體步序

工法一為四臺階中隔墻12導洞法，其開挖順序及臺階高度如圖4所示。第一階段先開挖1號洞和5號洞，5號洞滯后1號洞4 m，并及時安裝初期支護和臨時支護；接著依次開挖2號洞和6號洞，3號洞和7號洞，4號洞和8號洞；然后開挖中巖柱，中巖柱每層臺階滯后上層臺階滯后4 m開挖支護，如圖5所示。待全開挖支護完后，最后間隔2 m依次拆除臨時支護。

2.2 工法二施工具體步序

工法二為雙側壁導坑法，其開挖順序及臺階高度如圖6所示。第一階段先開挖1號洞和4號洞，4號洞滯后1號洞4 m，并及時安裝初期支護和臨時支護；接著依次開挖2號洞和5號洞，3號洞和6號洞，開挖支護時與1號洞、4號洞開挖支護相同；然后開挖中巖柱，中巖柱每層臺階滯后上層臺階4 m開挖并支護，如圖7所示。待隧道開挖支護完成后，間隔2 m依次拆除臨時支護。

2.3 工法三施工具體步序

工法三為交叉中隔墻法，其開挖順序及臺階高度如圖8所示。第一階段先開挖1號洞和4號洞，4號洞滯后1號洞4 m，并及時安裝初期支護和臨時支護；接著依次開挖2號洞和5號洞，3號洞和6號洞，開挖支護時與1號洞、4號洞開挖支護相同，如圖9所示。待隧道開挖支護完成后，間隔2 m依次拆除臨時支護。

3 三維數值模型

3.1 數值模型及邊界條件

采用有限差分程序FLAC3D建立了玉帶山車站隧道三維數值模型，隧道尺寸按實際工程建模，數值模型中地層由上至下依次為素填土、砂巖和泥質砂巖。隧道各工法數值模型及計算域范圍如圖10所示。四臺階中隔墻12導坑工法隧道計算模型中實體單元總數為152 045個，總節點數為114 488個；雙側壁導坑工法隧道計算模型中實體單元總數為148 187個，總節點數為110 281個；交叉中隔壁工法隧道計算模型中實體單元總數為148 309個，總節點數為112 821個。數值模型的邊界條件為：上表面為自由邊界，兩側為水平約束，縱向兩端為縱向水平約束，底面為垂直約束。在數值模型中，用零模型用來模擬隧道圍巖的開挖，用彈性模型用來模擬隧道的支護，用摩爾—庫侖模型模擬圍巖。圍巖采用實體單元模擬，初期支護、臨時支護采用結構單元模擬。

3.2 數值模型計算參數

為了保證數值計算的準確性，對玉帶山車站隧道圍巖試件開展了單軸、三軸壓縮試驗，試驗儀器采用美國MTS公司制造的多功能電液伺服控制剛性試驗機。將泥巖試件按照GB/T 50266-2013《工程巖體試驗方法標準》的制樣要求加工成50 mm、高度100 mm的標準圓柱體試件。

通過單軸、三軸壓縮試驗得到了泥巖完整巖樣的力學參數，然后利用Hoek-Brown強度準則和Morh-Coulomb準則［14-18］，結合玉帶山車站現場掌子面揭示情況，將所得泥巖巖樣力學參數換算成巖體參數，同時參考TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》選取圍巖及襯砌物理力學參數，見表1。

3.3 研究斷面及測線布置

玉帶山車站段開挖前后，隧道支護結構、隧道周邊圍巖軸向及環向切面豎向位移有所改變，需探究其沉降規律。另一方面，采用不同工法進行施工時，還需分析隧道洞周變形和內力隨隧道開挖的變化規律，結合地形選取圖15所示縱向y=20m斷面為研究對象。以此斷面作為剖面分析隧道周邊圍巖沉降變化情況及塑性區范圍。并在此剖面取初期支護拱頂、左拱腰、左邊墻1、左邊墻2、左邊墻3和仰拱6個控制點對隧道洞周形變及結構內力進行分析。隧道右側按內力對稱分布考慮，不再贅述。

4 工法對比及分析

為了論證不同施工工法的差異，選取典型斷面或測線的隧道地表沉降、洞周變形、塑性區范圍以及結構內力為研究對象開展對比分析，根據分析結果推薦最優工法。

4.1 地表沉降

不同工法開挖后，隧道地表沉降測線沉降計算結果如圖12所示。

由圖12可知，工法1至工法3地表沉降依次增大，工法1、工法2及工法3隧道中線處地表沉降最大值分別為33 mm、38 mm和44 mm。比較三種工法可以發現，由于工法1開挖的導洞更多，單次開挖的土體較少，開挖后及時支護，對圍巖的擾動也較小，故在地表產生的沉降也相對較小。所以從隧道開挖引起的地表沉降來看，工法1優于工法2，工法2優于工法3。

4.2 洞周變形

由于玉帶山車站為超大斷面暗挖隧道，隧道開挖必定會引起較大的洞周變形，有必要研究三種工法導致的洞周變形情況，隧道各個導洞開挖支護后，研究斷面洞周位移計算結果如圖13所示。圖中測點布置見圖12，其中，拱頂和仰拱測點取其z方向豎向位移；拱腰和邊墻各測點取其x方向橫向位移。

由圖13可知，各點形變量隨導洞的不斷開挖持續增大，從整體上看，工法1洞周變形最小，工法3洞周變形最大。其中，拱頂沉降和邊墻收斂變形值較大，開挖完后達到6～8 cm。仰拱隆起為4 cm左右。由于玉帶山車站為超大斷面暗挖隧道，隧道邊墻較高，開挖時極易導致較大的拱頂沉降、仰拱隆起和邊墻橫向位移。比較三種工法可以發現，工法1由于預留了中巖柱，邊墻分三步開挖支護，較好地抑制了洞周變形，最后取得較好的效果。而工法3由于未預留中巖柱，單次開挖面積大，圍巖變形未能得到較好的控制，造成了較大的洞周變形。故從隧道開挖引起的洞周變形來看，工法1優于工法2，工法2優于工法3。

4.3 塑性區

隧道圍巖變形破壞實質上是由圍巖塑性區的形成和發展引起的，塑性區的形態分布往往是不規則的，它直接決定了隧道圍巖的破壞形式及破壞程度，掌握圍巖塑性區的形態分布對隧道圍巖穩定性分析、支護結構的設計及相關隧道病害防治等方面有重要指導意義。三種工法施工后，隧道圍巖塑性區分布如圖14所示。

4.4 結構內力

三種工法條件下，研究斷面特征截面軸力和彎矩計算結果如圖15和圖16所示。

由圖15和圖16可知，三個斷面受力規律比較相近，各個截面內力隨著各導洞的開挖持續增大。工法1邊墻3截面承受軸力，其次是拱腰，拱頂和仰拱所受軸力最小。邊墻2測點承受最大彎矩，仰拱和拱頂受彎矩較小；工法2和工法3與工法1受力規律類似。總體而言，邊墻所受軸力彎矩最大，拱頂和仰拱受力較小。在軸力彎矩數值上，工法1＜工法2＜工法3。

為了更加清晰地了解隧道結構的安全狀態，提取了隧道開挖結束后各控制點的軸力彎矩值，根據截面和軸力彎矩值，按規范公式計算得到對應截面的安全系數，計算結果如表2所示。

由表2可知，工法1在邊墻處最大軸力為7076.6 kN，最大彎矩約為702.7 kN·m；拱頂和仰拱軸力均不足5000 kN，安全余量較高。安全系數最小值位于邊墻，最小安全系數為1.1。工法2在邊墻處最大軸力為7 281.3 kN，最大彎矩約為775.4 kN·m，安全系數最小值位于邊墻，最小安全系數為1.0。工法3在邊墻處最大軸力為7 838.5 kN，最大彎矩約為847.3 kN·m，安全系數最小值位于邊墻，最小安全系數為0.9。上述計算結果表明，玉帶山車站隧道施工工法存在優化空間，工法1和工法2均能滿足施工安全要求，工法3不滿足施工安全要求。因此，該車站隧道施工工法存在優化的空間。

5 結論

本文依托重慶地鐵4號線玉帶山車站隧道工程，采用數值方法對四臺階中隔墻12導坑法、雙側壁導坑法和交叉中隔墻法在該隧道的適用性進行了對比分析，得出的主要結論如下。

（1）三種工法地表沉降規律相近，從最大沉降量上看，四臺階中隔墻12導坑法、雙側壁導坑法和交叉中隔壁法最大沉降量分別為33 mm、38 mm和44 mm。因此從控制地表沉降角度出發工法1最優。

（2）隧道開挖后拱頂沉降和邊墻收斂變形值達到6～7 cm，仰拱隆起量約4 cm。四臺階中隔墻12導坑法由于預留了中巖柱，邊墻分三步開挖支護，較好地抑制了洞周變形，而交叉中隔壁法由于單次開挖面積大，圍巖變形未能得到較好的控制，造成了較大的洞周變形。

（3）三種施工工法均對圍巖造成較大范圍的擾動，隧道環向形成約1倍洞徑的塑性區，從隧道施工造成周邊圍巖擾動范圍來看，三種工法基本相當。

（4）三種工法條件下，研究斷面特征截面內力計算結果比較相近，均表現為邊墻軸力和彎矩較大，拱頂和仰拱受力較小。三種工法的控制截面均位于邊墻，四臺階中隔墻12導坑法、雙側壁導坑法和交叉中隔壁法的最小安全系數分別為1.1、1.0和0.9。

（5）綜合考慮隧道施工導致的地表沉降、洞周位移、圍巖塑性區范圍及隧道結構安全性，四臺階中隔墻12導坑法及雙側壁導坑法均適用于玉帶山車站隧道，說明該隧道施工工法存在進一步優化的空間。

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