地鐵車站站臺暗挖隧道的施工力學分析

熊健

【摘 要】淺埋暗挖法在地鐵車站施工中具有較大的作用，既能夠確保地下管線正常使用、地面交通不中斷，同時不會出現傳統工法中的污染。但值得注意的是，淺埋暗挖法也存在著一些缺點，如高水位地層的結構防水較難、施工工藝要求較高、機械化程度不高、施工速度慢、勞動強度大、噴射混凝土粉塵多等，在施工過程中要仔細權衡利弊，應該基于周圍環境條件、隧道斷面構成、地質條件等來選擇適宜的施工方法，確保地鐵車站施工的安全運行。

【關鍵詞】地鐵車站；暗挖隧道；施工力學

引言：

目前，我國各大城市都在大力發展地鐵建設，地鐵交通具有緩解交通擁堵、環保、安全、節能、運量大、準時等優點，地鐵所到之處樓宇興旺、經濟繁榮。隨著地鐵建設的蓬勃發展，地鐵施工技術也處于快速發展的階段。在地鐵施工中，若采用明挖大揭蓋的方法，那么往往會對地面商業、交通造成了嚴重干擾，并會對環境造成破壞，而淺埋暗挖法以處理、加固軟弱的地層為前提，在地下施行各種地下暗挖施工的方法，實踐證明，施工效果較佳。

1、淺埋暗挖施工技術在地鐵車站中的應用

1.1大管棚超前支護施工

大管棚超前支護是一種在不對地表進行破壞的前提下來鋪設地下管線的技術，它以一定的外插角在擬開挖地鐵隧道的外輪廓周邊上鉆孔，將慣性矩大的鋼管以一定的間距進行安裝，然后再注漿固結。它的工作原理是：（1）為了讓拱頂形成加固的保護環，應該施行管棚注漿。（2）若超前管棚在沿隧道開挖輪廓周邊位置較密，那么必然會大幅度降低隧道支護結構所承受的上部荷載。施工工序：開挖支護的掌子面→搭建鉆孔的平臺→安裝鉆機→施行安裝管棚鋼管→鉆注漿孔→驗孔→注漿操作→結束。大管棚超前支護往往具有較為明顯的作用，能夠對開挖區域的巖土體起到加固作用，也能夠對開挖過程中出現的地表位移、地表應力進行有效控制。

1.2全斷面帷幕注漿施工

（1）注漿孔成孔。各注漿孔的長度、角度、精確位置可由設計來進行計算，施作注漿孔的順序應為：先外后內、先上后下，一個注漿孔完成后，那么就要在第一時間內退出鉆機，然后再安裝注漿管，緊接著二次封閉工作面后再注漿。

（2）注漿。后退式分段注漿是最為常見的注漿方式，每完成一次退式分段注漿之前，都要填充加固所有注漿管。為了防止在注漿時出現隆起、裂紋，還應該封閉處理工作面（施行網噴混凝土）。

1.3隧道開挖支護施工方法

在地鐵車站施工前，務必要對施工區域內的地下管線和地質情況進行詳細探測，確定地下管線是否存在著障礙物，以及其精確位置，這樣一來，能夠避免對地下管線造成破壞。同時，隧道開挖支護施工時，務必要基于中導坑法組織施工，施工次序是：將雙向隧道的中導洞開挖及支護→隧道中隔墻→將中導坑橫撐予以恢復→對兩側導洞進行開挖及支護→兩側導洞二襯施工。

2、工程概況

某地鐵2號線站東廣場站位于某市三環路東五段與規劃道路的十宇交義路口下方，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9.3m，寬為9.4m的馬蹄形隧道，單條隧道長80m，暗挖段總寬度為23.78m隧道與車站的空間關系如圖1所示。

隧道穿越土層主要為黏土、粉土、細砂、小粒徑砂卵石等，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+350mm厚C25網噴混凝土的復合襯砌，二襯結構為450mm厚C30現澆鋼筋混凝土結構，隧道襯砌斷面見圖2。

3、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50m，左右各取50m，隧道埋深為14.3m，隧道凈距4.6m，其計算模型見圖3。

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?？紤]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向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，計算選用的材料物理力學參數見表1。

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驟模擬隧道開挖階段，并以對各開挖步驟在不同荷載增量下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。

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向外側施作；方案B為由外側向內側施作；方案C為由上向下施作，具體步驟如圖4所示。

4、計算結果分析

4.1城市公路路面沉降分析

施工開挖順序不同，對城市公路的影響也不同，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15.95mm，方案C次之，為18.77mm，方案B最大，為35.49mm，為方案C的1.89倍。

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。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?？梢?，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4.12mm；隨著左洞右半斷而開挖完成，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6.96mm。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。

4.2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?？梢?，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，達到198.21kN·m，最大正彎矩位于右洞拱頂，量值為28.63kN·m，方案B最大負彎矩位于左洞拱肩，達到198.35kN·m，最大正彎矩位于右洞拱底，量值為29.33kN·m，方案C最大負彎矩位于右洞拱腳，量值為81.02kN·m，最大正彎矩位于左洞拱頂，量值為43.92kN·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，達到847.68kN，最小軸力位于左洞拱頂，量值為134.75kN；方案B最大軸力位于左洞拱肩，達到973.51kN，最小軸力位于右洞拱底，量值為90.89kN；方案C最大軸力位于右洞拱肩，量值為566.25kN，最小軸力位于左洞拱底，量值為142.9kN。

結語：

本文以某地鐵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。

參考文獻：

[1]王芳，賀少輝，汪挺，劉軍，曹瑞瑯.PBA法擴挖大直徑盾構隧道修建地鐵車站地表沉降控制[J].北京交通大學學報，2013，01：34-39.

[2]于軍.淺埋暗挖隧道零距離下穿既有地鐵車站施工方案優化研究[J].隧道建設，2013，01：22-26.

[3]姜久純.盾構隧道擴挖修建地鐵車站站臺隧道技術研究[J].鐵道標準設計，2013，03：93-97.