沿海城市地鐵車站大斷面隧道施工方案比選分析

孫長偉

摘 要：大連地鐵修建于沿海城市，所處的地質環境具有復雜性和富水的特點，穿越既有的設施尤其是交通設施的環境安全問題特別突出，選擇合理隧道開挖施工方案具有重要意義。以202標段暗挖車站主體和輔助隧道為對象，通過三維數值模擬及造價分析，系統研究比較了幾種典型大斷面隧道施工方案。基于數值模擬和綜合指標的定性的分析比較，針對大連地鐵車站隧道施工而言，CRD工法具有很好的安全性、經濟性、快速性。研究方法和結果對同類工程具有積極參考意義。

關鍵詞：暗挖車站；淺埋暗挖；施工方案；CRD

1 前言

我國的城市地鐵和城際軌道建設工程尤其是地鐵車站具有所處地質復雜、淺埋大斷面的特點，除了圍巖自身穩定性問題，其修建于繁華城市地面之下，既有的設施尤其是交通設施的環境安全問題特別突出，選擇合理隧道開挖施工方案具有重要意義。

大連地鐵修建于沿海城市，所處的地質環境具有復雜性和富水的特點。大連地鐵的大部分車站和區間處于上軟下硬地層，穿越主干線路、路面、高架橋，臨近建筑物，環境問題突出。部分線路處于臨海地區，地下水位高。上述地質特點缺乏直接的經驗工程類比，給暗挖車站的施工方案確定帶來困難。為此，本文以202標段暗挖車站主體和輔助隧道為對象，通過三維數值模擬，系統研究比較了幾種典型大斷面隧道施工方案，選取了適合沿海城市地鐵隧道施工的方法。

2 工程概況

大連地鐵一期工程202標段香工街車站為地下雙層分離島式車站，覆土厚度約6.8m。結構標準段總寬度為41.5m，結構埋深約為24.5m。其中豎井尺寸長×寬×高為：12.4m×6.0m×30m。車站正線車站所在范圍在華北路中間，沿華北路方向有高架橋一座，高架橋為雙柱多跨連續梁結構，高架橋橋樁外邊緣距離車站主體結構外墻凈距3.0m，距離隧道底部3.472～15.322m不等。

香工街車站所在的場地地貌為剝蝕低丘陵。從地面向下依次為上覆第四系人工堆積層，第四系上更新統坡洪積粉質粘土層，下伏鈣質板巖、輝綠巖等。場地土類型為軟弱土—巖石，巖體比較完整。整個地層明顯存在上軟下硬的特點。該區域到的標準凍結深度0.70m，場地地形較為平坦。車站主體以及與之相連的橫通道屬于淺埋、大斷面隧道，其穩定性和經濟性受到隧道的開挖方法的直接影響。按隧道橫斷面分布情況來分，開挖方法可為全斷面開挖、臺階開挖和分部開挖法。以下將大跨度暗挖隧道全斷面開挖法、臺階法、CD法、CRD法進行對比。

3 大連地鐵大斷面隧道施工方案比選

3.1 各方案三維數值模擬

首先建立三維數值模型，進行全斷面、臺階法、CD（中隔壁）法和CRD（十字交叉中隔壁）法施工方案的數值模擬對比。數值計算采用美國的Itasca公司的有限差分軟件FLAC3D，建立模型時首先選取計算模型區域為隧道洞徑的5～7倍左右，左右邊界采用單向水平約束，地表為自由邊界，底面為三向約束。本次計算模型范圍：左右方向從-40.6m至40.6m（x方向），上下方向從0到49.2m（z方向），前后方向（軸向，y向）從0到10m。隧道高16m，寬12m，為馬蹄形，拱頂距地表8m左右。模型從地表0～3m為素填土，距地表3～13m為強風化鈣質板巖，距地表13～49.2m為中風化鈣質板巖。物理力學性質如表1所示。

數值模型地質體采用四面體單元，用空單元模擬開挖。襯砌的模擬采用shell單元，錨桿的模擬采用cable單元。地應力場為自重應力。本構模型采用莫爾庫侖準則。首先采用自重應力平衡，得到初始應力場。對地質模型進行概化，對其施工工序進行一定簡化，然后按照全斷面法、臺階法、CD法和CRD法幾種開挖方法的過程進行施工動態模擬，得到各個開挖步對應的圍巖變形、應力分布和塑性區。

3.2 模擬結果分析

數值模擬可以獲得圍巖的變形、應力和塑性區的情況對比。從圍巖變形角度分析，全斷面開挖由于應力重新調整幅度大，圍巖位移比較大。臺階法開挖位移次之，圖1是臺階法開挖步的水平位移分布云圖。

分析可見，開挖第一步，最大水平位移發生在拱腳位置，約為4.06mm；開挖第二步、第三步拱頂位移與第一步基本相同，施工較安全；開挖第四步，位移云圖的分布沒有發生大的變化，最大水水平位移減小到4.01mm。

圖2是CRD法開挖圍巖水平位移。CD法開挖圍巖位移略大于CRD法開挖，兩者比較接近。開挖第一步沉降位移和側向位移都較大，沉降位移達到到8.3mm，底部上抬約2.5mm。第二步開挖支護完成后，最大位移仍發生在拱肩位置，由于中隔壁的實施，控制位移的效果比較明顯。第三步開挖后，位移變化不大。之后的開挖步，位移值并無顯著增大。

綜合考慮以上3種施工工法的三維數值模擬，從圍巖變形、塑性區從大到小依次為CRD法-CD法-臺階開挖法-全斷面法。上述順序也是總體穩定性從大到小的順序。單從控制水平收斂位移角度，CRD法控制效果最好，這是由于其施加了臨時中隔墻和臨時仰拱，有效地制止了圍巖變形，所以其變形小于其他的兩種工法。各工法對應的水平收斂位移列于表2。由該表可見，全斷面施工工法產生的水平位移相對較大，明顯大于其他兩種工法，不宜作為本區域施工方案。

4 施工方案造價指標綜合定性比選

在數值模擬基礎上，從安全和造價角度綜合考慮，對上述施工方法進行綜合定性比較見表3所示。基于分析結果，針對大連地鐵車站隧道施工而言建議采用CRD法。

5 結論

基于數值模擬和造價指標的定性的分析比較，針對大連地鐵車站隧道施工而言，CRD方法是適用于本區域的施工方法，具有很好的安全性、快速性、經濟性。CRD法施工能為今后沿海城市同類隧道工程的優化設計與安全施工起到積極的指導作用。

參考文獻

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（作者單位：中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司）