地铁车站站台暗挖隧道的施工力学分析

熊健

【摘 要】浅埋暗挖法在地铁车站施工中具有较大的作用，既能够确保地下管线正常使用、地面交通不中断，同时不会出现传统工法中的污染。但值得注意的是，浅埋暗挖法也存在着一些缺点，如高水位地层的结构防水较难、施工工艺要求较高、机械化程度不高、施工速度慢、劳动强度大、喷射混凝土粉尘多等，在施工过程中要仔细权衡利弊，应该基于周围环境条件、隧道断面构成、地质条件等来选择适宜的施工方法，确保地铁车站施工的安全运行。

【關键词】地铁车站；暗挖隧道；施工力学

引言：

目前，我国各大城市都在大力发展地铁建设，地铁交通具有缓解交通拥堵、环保、安全、节能、运量大、准时等优点，地铁所到之处楼宇兴旺、经济繁荣。随着地铁建设的蓬勃发展，地铁施工技术也处于快速发展的阶段。在地铁施工中，若采用明挖大揭盖的方法，那么往往会对地面商业、交通造成了严重干扰，并会对环境造成破坏，而浅埋暗挖法以处理、加固软弱的地层为前提，在地下施行各种地下暗挖施工的方法，实践证明，施工效果较佳。

1、浅埋暗挖施工技术在地铁车站中的应用

1.1大管棚超前支护施工

大管棚超前支护是一种在不对地表进行破坏的前提下来铺设地下管线的技术，它以一定的外插角在拟开挖地铁隧道的外轮廓周边上钻孔，将惯性矩大的钢管以一定的间距进行安装，然后再注浆固结。它的工作原理是：（1）为了让拱顶形成加固的保护环，应该施行管棚注浆。（2）若超前管棚在沿隧道开挖轮廓周边位置较密，那么必然会大幅度降低隧道支护结构所承受的上部荷载。施工工序：开挖支护的掌子面→搭建钻孔的平台→安装钻机→施行安装管棚钢管→钻注浆孔→验孔→注浆操作→结束。大管棚超前支护往往具有较为明显的作用，能够对开挖区域的岩土体起到加固作用，也能够对开挖过程中出现的地表位移、地表应力进行有效控制。

1.2全断面帷幕注浆施工

（1）注浆孔成孔。各注浆孔的长度、角度、精确位置可由设计来进行计算，施作注浆孔的顺序应为：先外后内、先上后下，一个注浆孔完成后，那么就要在第一时间内退出钻机，然后再安装注浆管，紧接着二次封闭工作面后再注浆。

（2）注浆。后退式分段注浆是最为常见的注浆方式，每完成一次退式分段注浆之前，都要填充加固所有注浆管。为了防止在注浆时出现隆起、裂纹，还应该封闭处理工作面（施行网喷混凝土）。

1.3隧道开挖支护施工方法

在地铁车站施工前，务必要对施工区域内的地下管线和地质情况进行详细探测，确定地下管线是否存在着障碍物，以及其精确位置，这样一来，能够避免对地下管线造成破坏。同时，隧道开挖支护施工时，务必要基于中导坑法组织施工，施工次序是：将双向隧道的中导洞开挖及支护→隧道中隔墙→将中导坑横撑予以恢复→对两侧导洞进行开挖及支护→两侧导洞二衬施工。

2、工程概况

某地铁2号线站东广场站位于某市三环路东五段与规划道路的十宇交义路口下方，呈东、西向布置，为地下三层三跨明暗结合岛式站台车站。车站站台暗挖隧道横穿三环路，为两个断面高为9.3m，宽为9.4m的马蹄形隧道，单条隧道长80m，暗挖段总宽度为23.78m隧道与车站的空间关系如图1所示。

隧道穿越土层主要为黏土、粉土、细砂、小粒径砂卵石等，采用CRD暗挖法施工。共分为四个小导洞，上部两个小导洞采用台阶法加预留核心土法进行开挖，下部两个小导洞采用全断面法开挖。隧道初期支护形式为超前大管棚+超前小导管+350mm厚C25网喷混凝土的复合衬砌，二衬结构为450mm厚C30现浇钢筋混凝土结构，隧道衬砌断面见图2。

3、模型建立及参数选取

根据该隧道的具体情况，选取计算范围为：上部至地表，下部至隧道仰拱以下50m，左右各取50m，隧道埋深为14.3m，隧道净距4.6m，其计算模型见图3。

计算模型中，喷射混凝土初期支护采用梁单元予以模拟，对于表中围岩管棚超前加固区的支护效果采用提高围岩物理力学参数的方法来实现的。考虑到围岩加固效果受诸多因素影响，鉴于目前国内外对于该方向研究资料也较为缺乏，故此，本文在参考已有资料的基础上，将预加固区围岩参数中的弹模及粘聚力大幅提高，计算选用的材料物理力学参数见表1。

计算采用平面应变弹塑性本构模型、Mohr-Coulomb准则和相关联流动法则，通过设置不同开挖步骤模拟隧道开挖阶段，并以对各开挖步骤在不同荷载增量下加设锚喷支护或衬砌结构来模拟支护施作时机的影响，由此达到对隧道开挖施工过程的模拟。

针对CRD法，选择了3种不同的施工步骤，以确定最优化施工步骤，为便于比较，3种方案均采用左、右洞同时施作的方式。方案A为先每洞均为从内侧向外侧施作；方案B为由外侧向内侧施作；方案C为由上向下施作，具体步骤如图4所示。

4、计算结果分析

4.1城市公路路面沉降分析

施工开挖顺序不同，对城市公路的影响也不同，从各施工方案得到的地表沉降曲线（图5）可见，隧道开挖引起的地表横向沉降槽曲线呈典型的正态曲线形状，且离隧道中心越远，受到的影响越小。三种施工方案中，采用方案A开挖，引起的公路路面沉降值最小，为15.95mm，方案C次之，为18.77mm，方案B最大，为35.49mm，为方案C的1.89倍。

从三种方案最大沉降量的变化情况（图6）可知，方案A与方案C施工引起的最终的路面沉降差异并不大，先内侧后外侧的开挖方式要略优于先外侧后内侧的方式。而较之方案A与方案C，方案B的路面沉降成倍增加，其原因在于方案B先上侧后下侧的开挖方式使开挖范围形成大跨度的空腔，易于造成拱顶的围岩变形与沉降。选取沉降较小的方案A，考察施工过程中公路路面的沉降情况，如图7所示。可见，随着开挖过程的推进，路面的最大沉降量与沉降槽宽度都在不断增加。右洞左半侧开挖完成后，路面最大沉降出现在中间略偏于右洞上方，量值为4.12mm；随着左洞右半断而开挖完成，其产生的沉降槽与已形成的沉降槽叠加，造成路面最大沉降发生了向左的偏移，其量值为6.96mm。而当左洞与右洞继续开挖，沉降槽又继续叠加，造成沉降槽的形态再次出现了较大变化，路面最大沉降随之发生了两次偏移，且沉降值大幅提升。

4.2支护结构受力分析

对于具有大断面、小近距属性的车站站台隧道而言，施工过程的差异除了造成路面沉降的显著变化外，还将引起支护结构受力的差异。

三种施工方案下，支护结构的弯矩与轴力分布图如图8所示。可见，由于开挖顺序不同，支护结构的弯矩分布差异较为明显，方案A与方案C的最大正弯矩均出现于拱顶，最大负弯矩均出现于拱脚处，而方案B最大正弯矩均出现于拱腰，而最大负弯矩出现于拱肩处。从量值上看，方案A最大负弯矩位于右洞拱脚，达到198.21kN·m，最大正弯矩位于右洞拱顶，量值为28.63kN·m，方案B最大负弯矩位于左洞拱肩，达到198.35kN·m，最大正弯矩位于右洞拱底，量值为29.33kN·m，方案C最大负弯矩位于右洞拱脚，量值为81.02kN·m，最大正弯矩位于左洞拱顶，量值为43.92kN·m。从三种方案支护结构的轴力分布情况可见，开挖顺序对于支护结构轴力的影响也较显著。相比之下，方案B的轴力较之方案A与方案C分布更为不均匀，而方案A与方案C无论从分布形态或量值上都更为接近。从量值上看，方案A最大轴力位于右洞拱腰，达到847.68kN，最小轴力位于左洞拱顶，量值为134.75kN；方案B最大軸力位于左洞拱肩，达到973.51kN，最小轴力位于右洞拱底，量值为90.89kN；方案C最大轴力位于右洞拱肩，量值为566.25kN，最小轴力位于左洞拱底，量值为142.9kN。

结语：

本文以某地铁2号线站东广场站站台暗挖隧道为例，研究了在不同施工工序下，隧道下穿高速公路对高速公路路面沉降的影响以及支护结构受力的变化情况，得出以下几点有益结论。

（1）对于具有大断面、小近距属性的车站站台隧道而言，不同的施工工序将造成路面沉降的显著差异。从路面沉降控制的角度看来，先内侧后外侧的开挖方式要略优于先外侧后内侧的方式，而先上侧后下侧的开挖方式使开挖范围形成大跨度的空腔，易于造成拱顶的围岩变形与沉降。

（2）从支护结构受力的角度看来，不同的施工过程同样将引发支护结构受力的差异，相比之下，先上侧后下侧的开挖方式将使支护结构受力不利，而先内侧后外侧的开挖方式要略优于先外侧后内侧的方式。

参考文献：

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