設(shè)置地下存車線的地鐵區(qū)間大斷面暗挖的順挖技術(shù)研究

黃愛軍

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，200125，上海∥高級(jí)工程師）

隨著城市地鐵線網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵區(qū)間設(shè)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(fù)八線的王府井—東單區(qū)間隧道、深圳地鐵1號(hào)線的大劇院—科學(xué)館區(qū)間、南京地鐵1號(hào)線的南京站—東井亭區(qū)間等。但在以往工程中，設(shè)置地下存車線的渡線段隧道一般選擇由標(biāo)準(zhǔn)斷面的橫通道切入（見圖1），施工中常常需要由小斷面擴(kuò)挖到大斷面，存在爬坡擴(kuò)挖、破壁進(jìn)洞、反序施工等多種不利工況。如何快速、順利進(jìn)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(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)施工工序的連續(xù)等，仍然值得探討和研究。

本文針對(duì)地鐵地下存車線的渡線段暗挖施工中豎井橫通道進(jìn)行分析，通過在渡線中部設(shè)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(kuò)、反擴(kuò)工序，減少并優(yōu)化了暗挖法施工中結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換。

1 工程實(shí)例

1.1 工程項(xiàng)目概況

北京地鐵某區(qū)間隧道設(shè)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(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)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(jì)全新沖洪積層（粉土層③、粉質(zhì)黏土層④、粉土層④1、粉細(xì)砂層④3），第四紀(jì)晚更新沖洪積層（粉質(zhì)黏土層⑥、卵石圓礫層⑦、粉質(zhì)黏土和黏土層⑧、卵石圓礫層⑨、粉質(zhì)黏土和黏土層⑩）。橫通道和區(qū)間正線開挖斷面位于粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層、粉土層，其穩(wěn)定性很差。在豎井施工范圍內(nèi)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(xì)砂層，開挖時(shí)極易出現(xiàn)流沙現(xiàn)象。因此，開挖前必須提前進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)挖到大斷面；右線標(biāo)準(zhǔn)斷面轉(zhuǎn)入大跨斷面施工更是需要采用小導(dǎo)洞擴(kuò)挖、再反挖的施工工藝。在此反挖方案施工中，斷面轉(zhuǎn)換多，臨時(shí)支護(hù)量大，斷面轉(zhuǎn)換時(shí)受力體系轉(zhuǎn)換十分復(fù)雜。在渡線范圍內(nèi)由小斷面或標(biāo)準(zhǔn)斷面擴(kuò)挖到大斷面是工程的難點(diǎn)，需要采用爬坡反挖工法。這種二次擴(kuò)挖施工在同一地段形成對(duì)土體的多次擾動(dòng)，對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力轉(zhuǎn)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(yàn)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(shè)置橫通道，即將豎井橫通道設(shè)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(shí)避免了由雙側(cè)壁導(dǎo)坑向中洞法施工的轉(zhuǎn)換。最主要的是，在該處設(shè)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(zhuǎn)換簡便，避免了暗挖施工中風(fēng)險(xiǎn)較大的順擴(kuò)、反擴(kuò)等不利工況，使得施工中的受力體系轉(zhuǎn)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(diǎn)分析

在渡線中段設(shè)置橫通道，使施工全部由大斷面向小斷面進(jìn)行，避免了擴(kuò)挖、反挖等不利工序。但同時(shí)也帶來了高斷面橫通道、橫通道兩側(cè)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱等不利條件。暗挖施工在結(jié)構(gòu)斷面變化處的施工工序不連續(xù)、步驟多、結(jié)構(gòu)受力發(fā)生多次轉(zhuǎn)換、土體受到多次擾動(dòng)、沉降量難以控制等［3］，歷來就是地下工程施工的難點(diǎn)。采用順挖方案時(shí)需要對(duì)結(jié)構(gòu)工序轉(zhuǎn)換處進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.1 高斷面橫通道的分步開挖

由于橫通道兩側(cè)均為大斷面正線隧道，橫通道設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)中考慮為減少結(jié)構(gòu)受力的轉(zhuǎn)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(dǎo)洞開挖，并通過設(shè)置較大剛度的導(dǎo)洞間的臨時(shí)中隔板，以減小開馬頭門期間的應(yīng)力集中。其施工步驟見圖2。

圖2 高斷面橫通道分導(dǎo)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(hù)在橫通道斷面范圍內(nèi)不能封閉成環(huán)，在很大程度上減弱了豎井的初期支護(hù)強(qiáng)度，并對(duì)圍巖的穩(wěn)定構(gòu)成很大威脅。利用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了模擬開挖分析，其分析模型見圖3。與開標(biāo)準(zhǔn)馬頭門做對(duì)比分析，可得到以下結(jié)論：

1）馬頭門外側(cè)需要保留不少于500mm厚的初期支護(hù)，并在兩側(cè)各增設(shè)豎向連接筋作為加強(qiáng)措施，形成馬頭門的加強(qiáng)暗柱。該暗柱應(yīng)有足夠的能力以承擔(dān)兩側(cè)側(cè)墻的土壓力。

2）通過上下導(dǎo)洞間設(shè)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(duì)豎井的影響。通過對(duì)比分析可知，圖2中3個(gè)導(dǎo)洞的高斷面馬頭門與標(biāo)準(zhǔn)斷面馬頭門相比，豎井及暗柱內(nèi)力僅增大10%。

圖3 高斷面橫通道有限元模型

2.2 不對(duì)稱開挖的高斷面橫通道二次襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)施

橫通道兩側(cè)區(qū)間為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，施工期間兩側(cè)荷載不平衡，且正線馬頭門破除后正線間殘余的初襯結(jié)構(gòu)寬度很小。經(jīng)有限元模擬（分析模型見圖4）可知，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生扭曲而導(dǎo)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(cè)不對(duì)稱開挖有限元模型

高斷面橫通道施工初期支護(hù)時(shí)設(shè)置的兩道臨時(shí)中隔板會(huì)影響由橫通道向正線的施工。二次襯砌施工時(shí)由于要先進(jìn)行防水板鋪設(shè)，必須拆除初期支護(hù)中隔板，造成結(jié)構(gòu)受力發(fā)生多次轉(zhuǎn)換，必然引起較大的內(nèi)力重分布。這對(duì)橫通道的兩側(cè)高側(cè)墻受力極為不利。拆除時(shí)不慎可能造成土體再次擾動(dòng)產(chǎn)生位移，甚至造成結(jié)構(gòu)破壞及土體坍塌。

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

圖5 高斷面橫通道內(nèi)利用二襯隔板替換初支中隔板

通過結(jié)合正洞施工的臨時(shí)中隔板設(shè)置臨時(shí)二襯隔板，大大減小了正洞施工前初支側(cè)墻的高度，保證了預(yù)留正洞孔口處初支的穩(wěn)定；同時(shí)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(cè)邊墻，確保高斷面的橫通道在正洞施工期間不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)和破壞。在正洞施工完成后，方可拆除臨時(shí)二襯隔板。

2.3 正線施工順序及洞口異型環(huán)梁設(shè)置

渡線段左右洞斷面大小差別較大，根據(jù)模擬計(jì)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(duì)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(jìn)一步確定大洞的地質(zhì)情況，為大洞施工方法的選擇提供依據(jù)；同時(shí)，小洞先行施工也有利于掌握大洞的水文地質(zhì)條件。

正線進(jìn)洞時(shí)需要拆除橫通道兩側(cè)的格柵，需要有可靠的結(jié)構(gòu)承擔(dān)橫通道拱頂?shù)耐翂毫Γ駝t將對(duì)橫通道的安全構(gòu)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(shè)置大斷面的加固環(huán)梁，其構(gòu)件尺寸較大，考慮到正洞采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，可結(jié)合施工的臨時(shí)中隔板、中隔壁設(shè)置眼睛型的洞口環(huán)梁，以減小環(huán)梁高度，達(dá)到減小橫通道側(cè)面直墻高度，并可使得正洞施工橫通道兩側(cè)的不平衡土壓力通過臨時(shí)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(shí)，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(jié)構(gòu)安全，減小地面沉降。永久使用階段，通過在接口部位設(shè)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(jié)構(gòu)的抗震措施

多年來，地下結(jié)構(gòu)一直被認(rèn)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(jié)構(gòu)災(zāi)害的例子不斷增多，地下結(jié)構(gòu)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(dǎo)洞結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)復(fù)雜［5］。

主隧道與橫通道交叉形成的空間結(jié)構(gòu)受力復(fù)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，主隧道與橫通道交叉部位的震害嚴(yán)重。且由于該處為結(jié)構(gòu)變化區(qū)域，無法通過實(shí)施二次襯砌形成一致的結(jié)構(gòu)斷面。根據(jù)相關(guān)研究，橫通道開挖后，主隧道與橫通道交叉形成的空間結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的安全。

為消除正線隧道與橫通道交叉形成的空間結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，針對(duì)抗震中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施，在大斷面區(qū)間與橫通道連接處增設(shè)的相互垂直的豎向抗震柱和抗震隔墻，如圖7所示。設(shè)置抗震柱、墻后，橫通道和隧道結(jié)構(gòu)成為超靜定結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)某些構(gòu)件在地震時(shí)進(jìn)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(yīng)，使隧道結(jié)構(gòu)“裂而不倒”，有助于提高縱橫向的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高抗震能力。

圖7 二次襯砌設(shè)置抗震柱墻體系

3 結(jié)論

本文結(jié)合案例，分析了全順挖實(shí)施大斷面暗挖地鐵存車線的技術(shù)要點(diǎn)：高斷面馬頭門可上下分導(dǎo)洞開挖，并通過加強(qiáng)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(jié)構(gòu)的安全實(shí)施；并在橫通道二次砌襯實(shí)施后，由大斷面開始進(jìn)行兩側(cè)不對(duì)稱正線區(qū)間的施工；同時(shí)針對(duì)正線區(qū)間與橫通道交叉結(jié)構(gòu)抗震的要求，提出了渡線段結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)措施。

在地鐵渡線中部設(shè)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(kuò)、反擴(kuò)等不利工況，并減少施工轉(zhuǎn)換。目前，該區(qū)間已經(jīng)按照本文方法開始施工。

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