雙側壁導坑法施工大斷面地鐵車站中隔墻巖柱開挖穩定性分析及施工關鍵技術

崔振東

(中交隧道工程局有限公司， 北京 100102)

雙側壁導坑法施工大斷面地鐵車站中隔墻巖柱開挖穩定性分析及施工關鍵技術

崔振東

(中交隧道工程局有限公司， 北京 100102)

為了便于盾構過站施工連續，保證施工安全，以重慶軌道交通環線上橋車站工程為依托，對雙側導洞先行貫通、中隔墻后續開挖的雙側壁導坑工法進行分析，并研究臨時中隔墻巖柱開挖的穩定性和加固措施，形成臨時中隔墻巖柱開挖的施工關鍵技術。分析結果表明，在雙側導洞貫通后、中隔墻巖柱開挖前，隧道已經發生較大的拱頂沉降和收斂變形。為保證中隔墻巖柱開挖的穩定性和控制隧道變形，先對隧道及中隔墻進行加固，然后采用分臺階開挖施工。中隔墻拱部采用鎖腳錨桿和增加中隔墻臨時支撐體系剛度有助于改善初期支護的受力模式和控制隧道的收斂變形。

雙側壁導坑法； 大斷面中隔墻； 穩定性； 數值模擬； 施工控制

Abstract: A special double-side-drift method, of which the double-side drifts are completed before the excavation of intermediate diaphragm wall, is analyzed so as to guarantee continuous and safe shield construction by taking Shangqiao Station of loop line of Chongqing Metro for example. The excavation stability of rock column of temporary intermediate diaphragm wall and reinforcing technology are discussed and key construction technologies for rock column excavation of temporary intermediate diaphragm wall are proposed. The analytical results show that large settlement and convergence had occurred to tunnel crown top before the excavation of rock column of temporary intermediate diaphragm wall. In order to guarantee the excavation of rock column of temporary intermediate diaphragm wall and control the deformation of tunnel, the rock column of temporary intermediate diaphragm wall and the tunnel are reinforced; and bench method is adopted. The forcing mode of primary support can be improved and the tunnel convergence can be controlled by using foot-lock anchor bolt at arch of intermediate diaphragm wall around the crown and increasing the stiffness of temporary support system of intermediate diaphragm wall.

Keywords: double-side-drift method; large cross-section intermediate diaphragm wall; stability; numerical simulation; construction control

0 引言

受城市交通及環境保護的限制，部分城市地鐵車站需采用淺埋暗挖法施工，如復興門折返線工程采用正臺階法施工[1]，北京10號線工體北路站采用洞注法施工[2]，重慶臨江門車站采用雙側壁導坑法施工[3]。相比明(蓋)挖法施工，淺埋暗挖法占用的施工場地少，幾乎不影響路面交通，拆遷和防護工作量小，并且震動噪音小，易于控制地表沉降，開工快，造價低[4]。

雙側壁導坑法是淺埋暗挖法中安全性最突出的施工工法，其能夠很好地控制圍巖的變形，常用于圍巖差、斷面跨度大、地表沉降控制要求嚴格的隧道。王志等[5]通過三維數值模擬分析并結合實際工程，指出雙側壁導坑法對路面及隧道拱頂的沉降有較好的控制作用。高峰等[6]分析了支護封閉快慢對雙側壁導坑法施工隧道的穩定性影響，建議施工中應盡量縮短各開挖面的距離，使支護盡快封閉。謝旭強等[7]通過彈塑性數值模擬探明了雙側壁導坑法施工過程中的圍巖深部位移和襯砌結構的受力特性。金威等[8]通過模型試驗研究了大跨度隧道開挖對圍巖應力場和位移場的影響規律。鄭康成等[9]給出了開挖卸荷壓力拱的判別準則。由于雙側壁導坑法施工工序多，施工組織復雜，文獻[10-12]對其開挖和支護的施工順序進行了優化研究，并結合具體工程，提出最佳的施工方案。

上述研究對典型雙側壁導坑法的施工穩定性和襯砌受力進行了探索，但未對特殊工序的雙側壁導坑法進行研究，如由于施工工期和區間隧道的限制，要求盾構先行過站，導致兩側導坑必須先行施工貫通并且在相鄰區間隧道貫通后再實施中隔墻巖柱的開挖施工。在這種施工順序下，隧道初期支護結構不能及時成型，中隔墻長期存在；同時雙側洞收斂變形較大，中隔墻的開挖施工難度也較大，并且是整個施工工法的關鍵工序，因而需對其穩定性和施工力學轉換規律進行研究。本文依托重慶軌道交通環線工程上橋車站，對雙側導洞先行貫通、中隔墻后續開挖的雙側壁導坑施工工法進行分析，重點探索中隔墻的穩定性及其開挖施工力學特征。

1 工程概況

重慶軌道交通環線工程上橋車站位于重慶市沙坪壩區鳳中路正下方，大致呈南北走向，南接重慶西站，北接鳳鳴山站。車站東側為科能技校和上橋二村，西側為新橋街道辦事處和西環高速路。對車站施工影響較大的控制因素有： 2條燃氣管線，1棟4層砌體結構(與車站結構最小水平間距為6.16 m)。

上橋車站隧道全長206 m，車站為地下2層標準島式結構，站臺寬12 m。車站主體為單洞雙線標準暗挖隧道，采用雙側壁導坑法施工，初期支護采用噴錨支護，二次襯砌采用C40、P12模筑鋼筋混凝土。車站內部線路以直線為主，大里程端局部為曲線。標準斷面開挖寬度為23.54 m，開挖高度為20.76 m，開挖面積約430 m2，為超大斷面隧道，如圖1所示。拱頂埋深12.10～20.52 m，為淺埋隧道，局部為超淺埋隧道[13]。

車站隧道圍巖為砂質泥巖夾砂巖，圍巖基本級別為Ⅳ級，地下水狀態為Ⅰ級，修正后圍巖級別為Ⅳ級。場地內巖土層節理較為發育，地質狀況不良，多為軟弱巖層，且遇水軟化現象較為突出。隧道開挖擾動范圍內的巖層分布相對均勻，且近似呈水平狀延伸[14]。

圖1 車站標準斷面示意圖(單位： m)

由于環線施工工期的安排，要求盾構先行通過上橋車站，因此車站隧道施工時，雙側導洞先行貫通并布設供盾構通過的臨時墊層，如圖1所示。雙側導洞的跨度為7.97 m，中隔墻巖柱的厚度為6.90 m。為了控制雙側導洞的水平收斂變形，施加2道臨時無縫鋼管支撐。雙側導洞施工完成后的車站平面如圖2所示。待臨近區間隧道貫通后，開始中隔墻的開挖，并緊跟施作二次襯砌。由于中隔墻存在時間長達1年，導致初期支護不能及時成拱，不能很好地利用圍巖的自承能力，從而導致隧道的收斂變形較大，同時圍巖的流變特性也會進一步增大收斂變形； 因此，需對中隔墻長期存在引起的隧道穩定性和中隔墻的開挖施工工序進行專題研究，以保證隧道的成功開挖。

2 中隔墻巖柱開挖穩定性分析

2.1 幾何模型構建及參數選取

選取上橋車站隧道的典型斷面，建立有限元模型并劃分網格，如圖3所示。計算采用平面應變假定，并通過調整荷載釋放系數來反映上橋站三維空間的影響。模型的尺寸為235 m×142 m，隧道的拱頂埋深為17 m。為了模擬超前小導管和注漿的影響，在隧道開挖邊界外設置了4 m厚的等效加固層。圍巖和等效加固層均采用Drucker-Prager本構模型模擬，其余材料均假定為彈性材料，且初期支護采用梁單元、臨時支撐采用桿單元模擬。雖然圍巖具有明顯的流變性，但是本文著重分析中隔墻巖柱開挖過程的穩定性，其施工周期相對較短，因此計算中未考慮圍巖的流變特征。

依據地勘資料[14]和JTG D70—2004《公路隧道設計規范》[15]規定，選取模型參數如表1所示。模型的上表面為自由邊界，其余3個邊界均約束其垂直向的位移。計算不考慮地下水的影響。

圖2 雙側導洞貫通后的車站平面示意圖(單位： m)

圖3 有限元模型

表1 計算模型參數

2.2 中隔墻巖柱開挖前的狀態評估

雙側導坑施工完畢后，中隔墻巖柱的水平變形和剪應力云圖如圖4所示。雙側導坑的水平收斂變形幾乎成對稱性分布，最大水平變形為0.8 mm，位于雙側導坑豎向的中間部位，如圖4(a)所示。中隔墻巖柱因受雙側導坑開挖的卸荷擾動，出現了向坑內的擠出變形。在應力方面，由于豎向應力基本保持不變，而水平應力因開挖卸荷，導致中隔墻巖柱剪應力增大，使其應力狀態逼近破壞狀態線，中隔墻巖柱的穩定性降低； 但其最大剪應力約為800 kPa，小于圍巖的黏聚力，表明中隔墻巖柱尚處于穩定狀態。

(a) 水平變形(單位： mm)

(b) 剪應力分布(單位： kPa)

圍巖一般具有流變性，在應力穩定狀態下，其變形隨時間不斷增大，因而拱頂沉降和洞徑收斂變形也將在雙側導坑貫通后不斷發展，進一步降低中隔墻的穩定性。在中隔墻巖柱開挖前，監測數據表明拱頂的最大沉降為29.3 mm，超過了預警值(24 mm)； 最大地表沉降為50.81 mm，超過了預警值(24 mm)的2倍； 最大洞徑水平收斂變形為5.8 mm，約為預警值的36%。

綜上可知，雖然計算結果表明中隔墻處于穩定狀態，但由于圍巖的流變特性，中隔墻的穩定性逐漸降低，在中隔墻開挖前，已經引起了較大的拱頂沉降和地表沉降； 因此，為保護隧道周邊的環境，必須制定合理的中隔墻巖柱開挖工序，確保掌子面的穩定和隧道結構的及時成環，進而嚴格控制中隔墻巖柱開挖引起的再次擾動。

2.3 中隔墻巖柱開挖工序比選

中隔墻高19 m、寬6.9 m，采用爆破開挖方法的擾動控制難度大。為了確保中隔墻的穩定和拱頂初期支護的及時施作，需采用臺階法施工同時配合不同的輔助支撐和加固措施。在考慮施工設備和開挖效率的基礎上，對中隔墻開挖工序和輔助工法的不同組合形式(見表2)進行分析，得出較優的中隔墻開挖施工組織方式。

表2 計算工況統計表

由于分析時采用二維有限元計算，不能較好地考慮隧道分臺階開挖引起的縱向空間效應，所以數值結果僅從趨勢上給出了不同開挖工序和輔助工法對整個施工過程的影響。隧道貫通后， 4種工況下的變形趨勢規律相似。工況1因采用1步開挖，荷載快速釋放而初期支護未能及時施作，所以其變形最大。工況4因同時采取臨時橫向支撐和鎖腳錨桿，增強了臨時支撐體系的剛度和圍巖的自承能力，所以其變形最小，如圖5所示。隧道的整體變形沿隧道軸向呈左右對稱。最大水平變形出現在隧道拱肩以下位置，因為此處的初期支護近似呈直線分布，且跨度較大。最大沉降變形出現在拱頂位置，最大隆起變形出現在隧道底部跨中位置，且隆起變形大于沉降變形，這與初期支護的起拱角度有關。

中隔墻臨時支撐和鎖腳錨桿的施作對臨時支撐的軸力以及初期支護在中隔墻邊界處的剪力影響較大，如圖6所示。當采用分步開挖時，中隔墻處的初期支護結構能夠及時施作，既能使初期支護及時成型發揮其承載能力，也能提高圍巖的自承能力； 因此，中隔墻邊界處的剪力在分步開挖時有減小趨勢。當施作鎖腳錨桿時，圍巖的部分壓力將通過錨桿傳遞到深部巖體，進一步降低此處初期支護的剪力，見圖6。中隔墻巖柱開挖時施作臨時支撐，能夠增加整個臨時支撐體系的剛度，有利于進一步控制圍巖的收斂變形，但這也導致臨時支撐(左側導洞上側支撐、中隔墻臨時支撐)軸力的增大。下部臨時支撐由于距離中隔墻臨時支撐較遠，剛度較弱，出現了支撐軸力下降的趨勢。綜上所述，增加鎖腳錨桿和中隔墻臨時支撐有助于提高中隔墻開挖的穩定性，控制隧道的收斂變形，改善襯砌的受力形式。

(a) 水平變形(單位： mm)

(b) 沉降(單位： mm)

3 中隔墻巖柱開挖施工關鍵技術

3.1 中隔墻巖柱開挖施工前的加固措施

監測數據表明： 在中隔墻巖柱開挖前隧道已發生較大的拱頂沉降和洞周收斂變形，從而可能導致雙側導坑的鋼架在中隔墻巖柱開挖后不在同一里程上，致使拱頂鋼架架設及鋼架成環的難度較大。另外，臨時鋼管橫撐拆除后，會導致圍巖應力的重分布，洞徑收斂將進一步增加，甚至導致雙側導坑初期支護的破壞。在中隔墻巖柱開挖前，須對其及雙側導坑進行加固以控制其開挖引起的二次擾動，并結合第2節數值分析結果，制定以下加固措施。

圖6不同工況下臨時支撐的軸力和中隔墻頂處初期支護的剪力結果

Fig. 6 Simulation results of axial force of temporary supports and shear force of primary support at top of intermediate diaphragm wall in different calculation cases

1)為控制鋼架成環時的連接質量并改善初期支護的受力形式，施工時在車站拱部核心土范圍內格柵鋼架連接處增加鎖腳錨桿。

2)為防止臨時支撐拆除后側壁收斂進一步加大，在臨時橫撐拆除前， 2側壁增加長錨桿進行側壁加固。

3)為保證仰拱開挖及澆筑過程的穩定性，仰拱部位用初期支護(鋼架及噴射混凝土)封閉成環。

3.2 中隔墻開挖施工工序

依據第2節的分析，上橋車站大斷面中隔墻開挖采用4步臺階法施工，如圖7所示。

(a) 橫斷面(單位： mm)

(b) 縱斷面(單位： m)

Fig. 7 Construction sequence of intermediate diaphragm wall and secondary lining

上臺階高5.0 m，每循環進尺1～2榀拱架，采用預裂爆破配合機械開挖。上臺階開挖前需施作超前注漿小導管，開挖后及時利用簡易開挖臺架施作拱部初期支護，使初期支護及時封閉成環，同時施作拱部徑向加長錨桿，靠近上臺階底部施加臨時橫撐。開挖進尺不大于10 m。

下部14 m中隔墻巖柱分3層開挖，采用松動爆破開挖，每層開挖高度從上到下依次為4、5、5 m，每循環長度不大于9 m。第1層開挖時拆除第1道臨時型鋼橫撐及以上臨時支護，爆破渣土采用上臺階挖掘機清理，2層間挖掘機走行采用棧橋。為確保棧橋的穩定性，按照挖掘機的行走質量(27 t)，并考慮1.1的安全系數進行棧橋穩定性設計，同時在挖掘機上下行走時，借助挖掘機的挖掘臂支撐增加棧橋的穩定性。第2、3層開挖時拆除第2道橫撐，渣土采用底層挖掘機清理，層間走行采用渣土支墊的斜坡上下。第1層和第2層開挖后及時在形成的端墻上打設縱向錨桿進行加固，錨桿長度從上到下依次變短。

下部第3層開挖后進行仰拱部分開挖，及時施作綜合接地、墊層、仰拱及填充層，保證仰拱與上臺階掌子面間的距離不大于35 m(綜合考慮施工步距要求、各臺階施工空間及穩定性要求以及盡快封閉初期支護、施工二次襯砌等因素)。二次襯砌緊跟仰拱填充施工，滿足一模二次襯砌長度(7.5 m)后即施作二次襯砌拱墻。

具體的施工步驟如圖7(a)所示：

1)φ42 mm超前小導管施工；

2)核心土上臺階1開挖，施工該部初期支護(系統錨桿、鋼架、鋼筋網、噴射混凝土)，初期支護封閉成環，安裝橫撐②；

3)核心土下部第1層2(高4.0 m)開挖，打設端墻錨桿，拆除臨時支護③及臨時支撐②、④；

4)核心土下部第2層3(高5.0 m)開挖，拆除該段臨時支護及臨時支撐⑤；

5)核心土下部第3層4(高5.0 m)開挖，拆除該段臨時支護⑥；

6)先左后右分段開挖仰拱，施作綜合接地、墊層、防水工程；

7)仰拱施工；

8)二次襯砌鋼筋、防水層施工及混凝土澆筑。

3.3 施工效果評價

中隔墻巖柱開挖過程以及初期支護成環后的現場效果如圖8所示。采用4臺階分步開挖，在有效保證工程施工進度的基礎上，很好地控制了中隔墻的穩定性，未出現局部滑移及拱頂塌落現象。拱部鎖腳錨桿有效地保證了格柵鋼架的傳力體系，增加了初期支護的剛度，很好地控制了圍巖的收斂變形。中隔墻施加臨時鋼支撐不僅增加了臨時支撐體系的穩定性，也有利于進一步控制洞周的收斂變形。監測數據表明，在整個中隔墻巖柱開挖過程中，拱頂沉降、洞周收斂變形以及地表沉降均得到了良好的控制，其中隧道中部水平收斂變形不超過11 mm(約為預警值的68%)，新增沉降不超過10 mm，這表明所采用施工工序和輔助加固措施的有效性，可以為類似工程提供借鑒。

圖8 施工過程及效果

4 結論與建議

本文依托上橋車站工程，對雙側壁導坑法施工大斷面地鐵車站中隔墻開挖穩定性和施工工序及配套輔助措施進行了研究。結果表明： 為保證中隔墻巖柱開挖的穩定性和控制隧道變形，須先對隧道及中隔墻進行加固，然后采用分臺階開挖施工。中隔墻拱部采用鎖腳錨桿和增加中隔墻臨時支撐體系剛度有助于改善初期支護的受力模式和控制隧道的收斂變形。鑒于兩側導坑側墻局部變形問題，還應提前考慮對導坑支護加強施工設計管理，以控制過大變形的發生。

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StabilityAnalysisofExcavationofIntermediateDiaphragmWallinLargeCross-sectionMetroStationConstructedbyDouble-side-driftMethodandItsKeyTechnologies

CUI Zhendong

(CCCCTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100102,China)

U 45

B

1672-741X(2017)09-1140-06

2017-03-30;

2017-07-06

崔振東(1971—)，男，黑龍江嫩江人，1994年畢業于中國地質大學(武漢)，地質學專業，碩士，高級工程師，主要從事地鐵、隧道與地下工程施工技術管理。E-mail： cuizhendong2000@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.012