設置地下存車線的地鐵區(qū)間大斷面暗挖的順挖技術研究

黃愛軍

（上海市城市建設設計研究總院，200125，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

隨著城市地鐵線網(wǎng)建設規(guī)模的不斷擴大，地鐵區(qū)間設置停車折返線、渡線等段的淺埋暗挖、大跨、變斷面隧道施工案例逐漸增多。例如，北京地鐵復八線的王府井—東單區(qū)間隧道、深圳地鐵1號線的大劇院—科學館區(qū)間、南京地鐵1號線的南京站—東井亭區(qū)間等。但在以往工程中，設置地下存車線的渡線段隧道一般選擇由標準斷面的橫通道切入（見圖1），施工中常常需要由小斷面擴挖到大斷面，存在爬坡擴挖、破壁進洞、反序施工等多種不利工況。如何快速、順利進入變斷面和大跨渡線地段施工，減少施工工序，優(yōu)化體系轉換，實現(xiàn)施工工序的連續(xù)等，仍然值得探討和研究。

本文針對地鐵地下存車線的渡線段暗挖施工中豎井橫通道進行分析，通過在渡線中部設置高斷面的橫通道，可統(tǒng)一從大斷面向小斷面施工，避免順擴、反擴工序，減少并優(yōu)化了暗挖法施工中結構體系的轉換。

1 工程實例

1.1 工程項目概況

北京地鐵某區(qū)間隧道設置有停車折返線1條及渡線，位于管網(wǎng)密布的城市主干道下方，是一個結構復雜的洞群工程。該區(qū)間隧道的暗挖施工是通過豎井和橫通道進行的。

豎井自上而下穿過的地層為：人工堆積層（填土層①）；第四紀全新沖洪積層（粉土層③、粉質黏土層④、粉土層④1、粉細砂層④3），第四紀晚更新沖洪積層（粉質黏土層⑥、卵石圓礫層⑦、粉質黏土和黏土層⑧、卵石圓礫層⑨、粉質黏土和黏土層⑩）。橫通道和區(qū)間正線開挖斷面位于粉細砂層、粉質黏土層、粉土層，其穩(wěn)定性很差。在豎井施工范圍內存在四層地下水，分為上層滯水、潛水、第一層承壓水和第二層承壓水，橫通道和正洞的頂部位于第一層承壓水所處的中細砂層，開挖時極易出現(xiàn)流沙現(xiàn)象。因此，開挖前必須提前進行降水，把地下水位降低到開挖面以下0.5m。

1.2 反挖方案

此類工程，常規(guī)由標準斷面橫通道切入正線施工［1］（見圖1（a）中陰影部分）。其中，右線施工需采取由小斷面以1∶2坡度的喇叭口方式擴挖到大斷面；右線標準斷面轉入大跨斷面施工更是需要采用小導洞擴挖、再反挖的施工工藝。在此反挖方案施工中，斷面轉換多，臨時支護量大，斷面轉換時受力體系轉換十分復雜。在渡線范圍內由小斷面或標準斷面擴挖到大斷面是工程的難點，需要采用爬坡反挖工法。這種二次擴挖施工在同一地段形成對土體的多次擾動，對初期支護結構的受力轉換和土體變形的控制均十分不利。從北京地鐵采用該工法的經(jīng)驗來看［2］，地表沉降量均超過了80mm。

圖1 存車線渡線段反挖、順挖方案施工示意圖

1.3 順挖方案

為避免由小斷面向大斷面開挖，選擇在最大斷面處設置橫通道，即將豎井橫通道設置于渡線中部位置，其平面布置見圖1（b）。相比圖1（a）方案，原連拱隧道段斷面雖略有增加，開挖尺寸（寬×高）為15.7m×11.6m，但減少了中洞法施工，同時避免了由雙側壁導坑向中洞法施工的轉換。最主要的是，在該處設置橫通道后，區(qū)間隧道施工全部由大斷面向小斷面施工，工序簡單明了，工序轉換簡便，避免了暗挖施工中風險較大的順擴、反擴等不利工況，使得施工中的受力體系轉換得到了極大的優(yōu)化。這就是本文提出的順挖方案。

2 順挖方案要點分析

在渡線中段設置橫通道，使施工全部由大斷面向小斷面進行，避免了擴挖、反挖等不利工序。但同時也帶來了高斷面橫通道、橫通道兩側結構不對稱等不利條件。暗挖施工在結構斷面變化處的施工工序不連續(xù)、步驟多、結構受力發(fā)生多次轉換、土體受到多次擾動、沉降量難以控制等［3］，歷來就是地下工程施工的難點。采用順挖方案時需要對結構工序轉換處進行重點分析。

2.1 高斷面橫通道的分步開挖

由于橫通道兩側均為大斷面正線隧道，橫通道設計高度必須保證正洞破口在直邊墻上完成。經(jīng)優(yōu)化后，橫通道的斷面尺寸（寬×高）為5.7m×14.64m，是典型的高斷面結構。

設計中考慮為減少結構受力的轉換次數(shù)，首先豎井一次開挖到底，豎井筑底后將高斷面的橫通道“化大為小”分導洞開挖，并通過設置較大剛度的導洞間的臨時中隔板，以減小開馬頭門期間的應力集中。其施工步驟見圖2。

圖2 高斷面橫通道分導洞施工順序

考慮到橫通道開挖將破除豎井的環(huán)向格柵，使初期支護在橫通道斷面范圍內不能封閉成環(huán)，在很大程度上減弱了豎井的初期支護強度，并對圍巖的穩(wěn)定構成很大威脅。利用通用有限元軟件ANSYS進行了模擬開挖分析，其分析模型見圖3。與開標準馬頭門做對比分析，可得到以下結論：

1）馬頭門外側需要保留不少于500mm厚的初期支護，并在兩側各增設豎向連接筋作為加強措施，形成馬頭門的加強暗柱。該暗柱應有足夠的能力以承擔兩側側墻的土壓力。

2）通過上下導洞間設置足夠剛度的初支隔板（型鋼混凝土），可以減小高斷面馬頭門對豎井的影響。通過對比分析可知，圖2中3個導洞的高斷面馬頭門與標準斷面馬頭門相比，豎井及暗柱內力僅增大10%。

圖3 高斷面橫通道有限元模型

2.2 不對稱開挖的高斷面橫通道二次襯砌結構實施

橫通道兩側區(qū)間為不對稱結構，施工期間兩側荷載不平衡，且正線馬頭門破除后正線間殘余的初襯結構寬度很小。經(jīng)有限元模擬（分析模型見圖4）可知，初期支護結構會發(fā)生扭曲而導致失穩(wěn)。為保證施工安全，考慮在橫通道二次襯砌施工完成后再開正洞馬頭門。

圖4 高斷面橫通道兩側不對稱開挖有限元模型

高斷面橫通道施工初期支護時設置的兩道臨時中隔板會影響由橫通道向正線的施工。二次襯砌施工時由于要先進行防水板鋪設，必須拆除初期支護中隔板，造成結構受力發(fā)生多次轉換，必然引起較大的內力重分布。這對橫通道的兩側高側墻受力極為不利。拆除時不慎可能造成土體再次擾動產生位移，甚至造成結構破壞及土體坍塌。

為此，二次襯砌施工時由下依次向上施工，并預留正線開洞孔口，依次架設二次襯砌隔板后拆除初支中隔板，共設置三道二襯隔板。在正線限界范圍外設置上下兩道二襯隔板代替初期支護中隔板；由于正線斷面較大，左線采用雙側壁導坑法施工，右線采用臺階法施工，并結合正線施工臨時中隔板位置設置臨時二襯隔板，以確保二次襯砌實施期間及正線開洞門的安全。具體設置位置見圖5。

圖5 高斷面橫通道內利用二襯隔板替換初支中隔板

通過結合正洞施工的臨時中隔板設置臨時二襯隔板，大大減小了正洞施工前初支側墻的高度，保證了預留正洞孔口處初支的穩(wěn)定；同時可以將正洞施工所引起的偏壓受力傳遞到橫通道的另一側邊墻，確保高斷面的橫通道在正洞施工期間不會發(fā)生失穩(wěn)和破壞。在正洞施工完成后，方可拆除臨時二襯隔板。

2.3 正線施工順序及洞口異型環(huán)梁設置

渡線段左右洞斷面大小差別較大，根據(jù)模擬計算分析［4］，先開挖大洞后開挖小洞比先開挖小洞后開挖大洞對地表影響稍小，但差別不明顯，僅減少2%～5%。而小洞先行施工可以進一步確定大洞的地質情況，為大洞施工方法的選擇提供依據(jù)；同時，小洞先行施工也有利于掌握大洞的水文地質條件。

正線進洞時需要拆除橫通道兩側的格柵，需要有可靠的結構承擔橫通道拱頂?shù)耐翂毫?，否則將對橫通道的安全構成很大的威脅。由于含存車線的正線斷面較大，跨度為15.6m，直接設置大斷面的加固環(huán)梁，其構件尺寸較大，考慮到正洞采用雙側壁導坑法施工，可結合施工的臨時中隔板、中隔壁設置眼睛型的洞口環(huán)梁，以減小環(huán)梁高度，達到減小橫通道側面直墻高度，并可使得正洞施工橫通道兩側的不平衡土壓力通過臨時中隔板傳遞。施工期間環(huán)梁布置及開挖工序見圖6。

圖6 施工期間環(huán)梁布置及開挖工序圖

由橫通道向正洞開挖時，割除格柵后橫通道拱頂?shù)耐翂毫鬟f到洞口加固環(huán)梁上，以保證結構安全，減小地面沉降。永久使用階段，通過在接口部位設置較大剛度的二襯環(huán)梁，使橫通道頂部的荷載傳遞到二襯環(huán)梁。

2.4 結構的抗震措施

多年來，地下結構一直被認為是抗震、減震性能比較優(yōu)越的工程建筑，而隨著近年來地下結構災害的例子不斷增多，地下結構抗震的研究愈來愈受到重視。隧道的橫通道與停車線段大跨度變斷面暗挖區(qū)間為典型的斷面變化區(qū)域，縱橫導洞結構的受力狀態(tài)復雜［5］。

主隧道與橫通道交叉形成的空間結構受力復雜，因此成為隧道抗震的薄弱環(huán)節(jié)。2008年汶川地震的隧道震害調查發(fā)現(xiàn)，主隧道與橫通道交叉部位的震害嚴重。且由于該處為結構變化區(qū)域，無法通過實施二次襯砌形成一致的結構斷面。根據(jù)相關研究，橫通道開挖后，主隧道與橫通道交叉形成的空間結構處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，在地震過程中，各部位安全系數(shù)呈交替變化狀態(tài)；拱頂部位容易出現(xiàn)拉應力，是抗震的薄弱部位［6］，需要采取加固措施，以確保地震作用下主隧道與橫通道交叉結構的安全。

為消除正線隧道與橫通道交叉形成的空間結構處的應力集中現(xiàn)象，針對抗震中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強措施，在大斷面區(qū)間與橫通道連接處增設的相互垂直的豎向抗震柱和抗震隔墻，如圖7所示。設置抗震柱、墻后，橫通道和隧道結構成為超靜定結構，使結構某些構件在地震時進入非彈性狀態(tài)，且具有較大的延性，以消耗地震能量、減輕地震反應，使隧道結構“裂而不倒”，有助于提高縱橫向的結構穩(wěn)定性，提高抗震能力。

圖7 二次襯砌設置抗震柱墻體系

3 結論

本文結合案例，分析了全順挖實施大斷面暗挖地鐵存車線的技術要點：高斷面馬頭門可上下分導洞開挖，并通過加強洞口環(huán)梁與初支隔板的剛度，保證開馬頭門的安全；通過初支隔板與二襯隔板的交替布置確保高斷面橫通道二次襯砌結構的安全實施；并在橫通道二次砌襯實施后，由大斷面開始進行兩側不對稱正線區(qū)間的施工；同時針對正線區(qū)間與橫通道交叉結構抗震的要求，提出了渡線段結構的加強措施。

在地鐵渡線中部設置高斷面橫通道，正洞可以全部由大斷面向小斷面施工，避免了順擴、反擴等不利工況，并減少施工轉換。目前，該區(qū)間已經(jīng)按照本文方法開始施工。

［1］張炳根.地鐵渡線地段大斷面淺埋暗挖綜合施工技術研究［J］.現(xiàn)代隧道技術，2007，44（02），25.

［2］鄧敦毅，周艷芳.豎井橫通道轉入隧道正線的施工關鍵技術［J］.鐵道標準設計，2006，50（08），58.

［3］韓日美，謝永利.淺埋暗挖法施工中結構受力的合理轉換［J］.現(xiàn)代隧道技術，2007，44（03），71.

［4］王暖堂.城市地鐵復雜洞群淺埋暗挖法的有限元模擬［J］.巖土力學，2001，22（04），504.

［5］李海波，馬行東，李俊如，地震荷載作用下地下巖體洞室位移特征的影響因素分析［J］.巖土工程學報，2006，28（3）：358.

［6］臧萬軍，高波，公路隧道與橫通道交叉結構抗震性能研究［J］.北京工業(yè)大學學報，2012，38（4）：509.

［7］鄭劍升.軟土地區(qū)大截面矩形頂管工法研究［J］.城市軌道交通研究，2011，14（11）：93.