IV級圍巖地鐵暗挖車站開挖工法探討

（重慶建工集團股份有限公司，重慶401122）

IV級圍巖地鐵暗挖車站開挖工法探討

吳秋良，王翔

（重慶建工集團股份有限公司，重慶401122）

該文依托重慶地鐵金山寺車站工程，提出了設(shè)計的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在Ⅲ～Ⅳ級圍巖施工存在的問題，在車站開挖工法初步增選了三臺階法、保留核心土法，對車站開挖三種工法建立彈塑性有限元進行模擬分析，得到了三種開挖工法的圍巖位移分析結(jié)果，再經(jīng)過工法比選，提出了一種安全合理的工法，即保留核心土法，從而指導(dǎo)車站的開挖施工，解決了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在Ⅲ～Ⅳ級圍巖施工存在的問題，可為類似工程提供參考。

重慶市軌道交通；金山寺車站；暗挖車站；開挖工法；圍巖；變形分析；保留核心土法；三臺階法；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

1 工程概況

1.1 工程概述

金山寺車站為重慶市軌道交通六號線中間暗挖車站，南接禮嘉站，北接曹家灣站，全長190.5m；車站采用10m島式站臺，單拱雙層結(jié)構(gòu)，主體隧道開挖寬度為20.6m，高度為17.4m，開挖斷面為306.4m2，車站采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。車站位于禮嘉大道與白云路交匯處下方，埋深較深，頂部覆蓋層厚度27～40m，地面無大型建筑，車站施工對地面建筑基本不會產(chǎn)生不利影響。車站南北兩端各設(shè)有施工通道，北側(cè)通道接入車站拱腰位置，南側(cè)通道接入車站拱底位置。車站含四個出入口通道及兩座風(fēng)道，其中一個出入口為預(yù)留通道，均為復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。

1.2 水文地質(zhì)條件

車站所處地形屬丘陵斜坡地貌，地形平緩，原為農(nóng)墾區(qū)。地層自上而下分別為第四系全新統(tǒng)人工填土和粉質(zhì)粘土，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖和砂質(zhì)泥巖，本站第四系覆蓋層厚度小，基巖為砂巖、泥巖互層。擬建區(qū)屬磁器口向斜東翼，巖層受構(gòu)造影響較大，巖體中構(gòu)造裂隙較發(fā)育，巖層傾向285°，巖層傾角9°。施工區(qū)內(nèi)無斷層，基巖內(nèi)裂隙發(fā)育程度中等，巖體成層狀結(jié)構(gòu)。圍巖主要為砂質(zhì)泥巖和砂巖，圍巖基本級別為Ⅳ級，自然抗壓強度為12.7MPa，無不良地質(zhì)現(xiàn)象。

場地內(nèi)地下水主要為第四系弱承壓水及基巖裂隙水。地下水富水性受地形地貌、巖性及裂隙發(fā)育程度控制，為大氣降水和地表水滲漏補給。第四系厚度小，覆蓋少，含水微弱；侏羅系的泥巖等為相對隔水層；侏羅系的砂巖為基巖裂隙水含水層。

1.3 設(shè)計開挖工法

金山寺車站設(shè)計開挖工法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,施工順序如下：第1步，右側(cè)上部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第2步，右側(cè)中部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第3步，右側(cè)下部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第4步，左側(cè)上部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第5步，左側(cè)中部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第6步，左側(cè)下部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第7步，中洞上部土（巖）體開挖，初期支護；第8步，敷設(shè)防水層，澆筑隧道拱、墻二次襯砌；第9步，中洞中部土（巖）體開挖；第10步，中洞下部土（巖）體開挖，初期支護；第11步，敷設(shè)仰拱防水層，澆筑仰拱混凝土。其施工順序見圖1。

圖1 金山寺站設(shè)計施工順序圖

2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法存在的問題

2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的特點及適用范圍

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作為“新奧法”的一個分支，是一項邊開挖邊澆筑的施工技術(shù)。其原理就是把整個隧道大斷面分割成4～9個對稱的導(dǎo)坑和左右上下多個小斷面施工，以此化整為零，從各個小斷面單獨掘進，最后形成一個大的隧道,導(dǎo)坑斷面近似橢圓，周邊輪廓圓順，避免應(yīng)力集中，利用土層或巖層在開挖過程中短時間的自穩(wěn)能力，采用網(wǎng)狀支護形式，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護結(jié)構(gòu)，用中隔壁核心土承擔(dān)部分受力[1]。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的特點：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然開挖斷面分塊多，擾動大，初次支護全斷面閉合時間長，但每個分塊都是在開挖后立即各自閉合的，所以在施工中間變形幾乎不發(fā)展。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工安全，但速度較慢，成本較高。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的應(yīng)用范圍：它適用于V-VI級圍巖地層，開挖斷面在大于40m2的隧道，也適用于對地表沉陷要求嚴(yán)格的隧道，而且適合于各種尺寸與斷面形式的隧道洞室。

2.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在Ⅲ-Ⅳ級圍巖施工存在的問題

在Ⅲ-Ⅳ級巖層地區(qū)隧道都是采用鉆爆法施工，爆破以其經(jīng)濟、高效、快捷的特點廣泛應(yīng)用于地下巖體工程的開挖中,然而巖體中爆炸在造成爆區(qū)巖體破碎、剝離的同時,不可避免地造成近區(qū)巖體的擾動、損傷,中遠(yuǎn)區(qū)巖體的振動等危害。巖體的損傷效應(yīng)在多次頻繁爆破作業(yè)的情況下更為突出。損傷巖體的力學(xué)性能劣化,強度降低，完整性變差,從而對巖體的安全穩(wěn)定造成威脅。研究表明：推進式往復(fù)爆破作業(yè)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的隧道必然導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生一定程度的損傷、破壞。任一固定斷面上,在整個推進式往復(fù)的爆破過程中與爆源越近,損傷度和位移量越大,越遠(yuǎn)越小[2]。存在的問題如下。

（1）拱部和核心巖柱受多次爆破作業(yè)的損傷、破壞，其巖體力學(xué)性能劣化。

（2）核心土上臺階開挖組織困難。核心土中上臺階即⑦部開挖后緊跟拱墻二襯施工，然后進行中下臺階開挖，核心土上臺階開挖時兩側(cè)導(dǎo)洞已開挖完成，此時唯一通道于核心土上，首部開挖時借助防水臺架可勉強解決人員上下開挖機具運輸問題，而土方運輸、排險均需要的機械設(shè)備（如裝載機、挖機、渣車）和初支所需的拱架運輸問題為施工組織難點。

（3）工期。拱墻二襯施工與掌子面兩側(cè)導(dǎo)坑開挖作業(yè)并行期間，因防水臺架、二襯模板臺車存在，核心土兩側(cè)無法再通行車輛，運輸困難，工期無法滿足合同要求。

3 車站開挖工法初選

3.1 車站開挖工法初選

根據(jù)金山寺車站地質(zhì)條件，出入口布置情況，施工通道設(shè)置位置以及設(shè)計開挖工法等方面，初步增選有代表性的三臺階法、保留核心土法兩種開挖工法及設(shè)計的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行比選。

3.2 選取的兩種開挖工法的開挖步驟

3.2.1 三臺階法的施工順序

三臺階法施工順序如下：第1步，上臺階開挖，初期支護；第2步，中臺階左側(cè)開挖，初期支護；第3步，中臺階右側(cè)開挖，初期支護；第4步，下臺階左側(cè)開挖，初期支護；第5步，下臺階右側(cè)開挖，初期支護；第6步，敷設(shè)仰拱防水層，澆筑仰拱混凝土；第7步，敷設(shè)防水層，澆筑隧道拱、墻二次襯砌。其施工順序見圖2。

圖2 三臺階法施工順序圖

3.2.2 保留核心土法的施工順序

保留核心土法施工順序如下：第1步，上部開挖，初期支護；第2步，左側(cè)中部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第3步，右側(cè)中部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第4步，左側(cè)下部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第5步，右側(cè)下部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第6步，核心土上部開挖；第7步，核心土下部開挖，初期支護；第8步，敷設(shè)仰拱防水層，澆筑仰拱混凝土；第9步，敷設(shè)防水層，澆筑隧道拱、墻二次襯砌。其施工順序見圖3。

圖3 保留核心土法施工順序圖

4 車站開挖工法比選

4.1 三種開挖工法下圍巖變形分析

4.1.1 車站開挖工法模型建立

運用彈塑性有限元進行模擬分析，為減小邊界效應(yīng)保證計算的準(zhǔn)確性，模型尺寸為：隧道中線左右分別取50m，豎直向上取至地表，地表至下邊界86m；因隧道埋深較深，故計算時按自重應(yīng)力場考慮。

計算區(qū)域側(cè)向邊界處水平位移被約束以模擬場地的半無限遠(yuǎn)邊界，底面沿豎直方向位移被約束，按照平面應(yīng)變問題計算。

有限元模擬計算以初始地應(yīng)力場（包括重力和上部荷載）、隧道開挖等過程進行，根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》JTG D70-2004要求，在模擬開挖過程中，隧道開挖和初期支護在相應(yīng)邊界節(jié)點應(yīng)力釋放60%，施作二襯和仰拱完成后在相應(yīng)邊界節(jié)點應(yīng)力釋放40%[3]。

4.1.2 三種開挖工法下圍巖變形計算結(jié)果

三臺階法取隧道下臺階右側(cè)開挖初期支護完成后的計算結(jié)果，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法取隧道中下部臺階開挖初支完成后的計算結(jié)果，保留核心土法取隧道核心土下部開挖初支完成后的計算結(jié)果。

4.1.2.1 水平位移分析

三臺階法最大值1.639mm；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大值1.340mm；保留核心土法最大值1.414mm。見圖4。

圖4 隧道圍巖水平位移云圖

4.1.2.2 豎向位移分析

三臺階法最大值5.627mm；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大值5.271mm；保留核心土法最大值5.329mm。

4.1.2.3 計算結(jié)果分析

經(jīng)過以上數(shù)值模擬分析，針對車站開挖工法的不同情況，圍巖的位移計算結(jié)果匯總于表1。

表1 車站隧道開挖不同工法計算結(jié)果表

從表1中可以看出，車站隧道開挖三種工法所計算的位移值相差較小，其中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法豎向位移最小，其最大值為5.271mm；其次為保留核心土法，其最大值為5.329mm；三臺階法其值最大，為5.627mm。

4.2 三種開挖工法比選

對初步選取的三臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、保留核心土法在安全性、經(jīng)濟性及工期等方面比選見表2[4]。

經(jīng)過以上數(shù)值模擬分析，三種施工法的圍巖位移值都相差不大，其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的位移最小，核心土法較大，三臺階法的位移最大；其豎向位移最大值核心土法比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大1.1%，三臺階法比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大6.8%。同時經(jīng)過列表比選，三臺階法安全性一般，在此車站不宜采用；保留核心土法在安全性稍低于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法外，其他幾個方面都優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。綜合以上分析比選，選擇了工期較快，且經(jīng)濟合理的保留核心土法來進行組織施工。

表2 車站隧道三種開挖工法比選表

5 結(jié)語

金山寺車站采取保留核心土法施工解決了拱部和核心巖柱受多次爆破作業(yè)的損傷、破壞，其力學(xué)性能劣化問題，也解決了核心土上部開挖組織困難問題，同時，采取保留核心土法在14個月內(nèi)安全順利地完成了車站主體開挖及初支，比原設(shè)計雙側(cè)壁導(dǎo)坑法計劃19個月，提前5個月，提前了26.3%。保留核心土法通過金山寺車站安全順利建成，為類似工程提供了參考。

[1]蔡啟章.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在地鐵淺埋暗挖隧道中的應(yīng)用[J].科技之友，2010(05).

[2]張國華.基于圍巖累積損傷效應(yīng)的大斷面隧道施工參數(shù)優(yōu)化研究//中國科學(xué)院研究生院武漢巖土力學(xué)研究所博士論文[C].2010.

[3]重慶交通科研設(shè)計院.JTG D70-2004公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]楊其新.地下工程施工與管理:第2版[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2009.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Excavation method of underground subway station of Class IV Surrounding Rock

Based on the Jinshan Temple subway station Project in Chongqing,some problems in the gradeⅢandⅣrock construction with double side heading method.Three step method and core soil reservation method are added into the excavation method.Elastic-plastic finite element simulation is established to analyze the three methods and the analysis results of the surrounding rock displacement with the three excavation methods are obtained. Through comparison,a kind of safe and reasonable method is presented,that is core soil reservation method,to guide the station excavation construction. It solves the problems in gradeⅢandⅣrock construction with double side heading method and can offer some references for similar engineering.

rail transit in Chongqing;Jinshansi station;underground station;excavation construction method;surrounding rock;deformation analysis; core soil reservation method;three step method;double sides heading method

TU745.3

A

1671-9107（2014）07-0023-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.023

2014-02-18

吳秋良（1973-），男，重慶人，本科，高級工程師，主要從事建筑工程技術(shù)及管理工作。

王翔（1986-），男，重慶人，本科，助理工程師，主要從事建筑工程技術(shù)工作。