重慶地區層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工工法比選*

張國華 陳海勇 鄧 昆 童建軍 馬興葉

(1. 中鐵開發投資有限公司， 650118， 昆明； 2. 湖南省交通規劃勘察設計院有限公司， 410008， 長沙；3. 西南交通大學土木工程學院， 610031， 成都//第一作者，高級工程師)

目前，城市地鐵暗挖車站施工主要采用的工法包括雙側壁導坑法、CD(中隔墻)法、CRD(中隔墻加臺階)法、洞樁法和拱蓋法等。每種工法在開挖原理、適用環境及車站結構型式等方面的應用不盡相同，且在環境影響、造價和工期上存在較大區別。針對重慶地區層狀巖地層，探索出一種經濟適用的施工工法——雙層疊合初支拱蓋法。該施工工法作為全新的工法，在層狀巖地層中的適應性仍未能明確，且各施工工法的關鍵性指標差異亦很大。

本文根據重慶地區的地質條件，并依托工程實際情況，著重分析了雙側壁導坑法和雙層疊合初支拱蓋法的適應性及經濟性。為方便對比分析不同施工工法的效果，對雙層疊合初支拱蓋法、雙側壁導坑法及CRD法進行了數值模擬及工程實際對比分析。結論可為重慶地區層狀巖地層暗挖車站施工工法的合理選擇提供參考。

1 層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站的施工工法

基于重慶地區層狀巖地層的特殊地質條件、車站結構型式和受力特點，依托工程實際情況，統計分析了該地區在建及已建地鐵車站的施工工法，模擬計算了雙層疊合初支拱蓋法、雙側壁導坑法和CRD法3種不同暗挖車站施工工法。各施工工法示意如圖1所示。

圖1 重慶地區層狀巖地層各施工工法示意圖

2 層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工工法數值模擬

2.1 計算模型及參數

基于地層-結構模型，采用FLAC3D數值軟件進行計算分析。計算模型及監測斷面如圖2～3所示。依據重慶地區層狀巖地層地勘和設計資料，對支護結構彈性模量進行等效處理，對錨桿加固區圍巖的力學參數進行簡化提高。圍巖和支護結構的物理力學參數如表1所示。

圖2 雙層疊合初支拱蓋法、雙側壁導坑法計算模型

圖3 CRD法計算模型及監測斷面示意圖

2.2 計算結果分析

2.2.1 位移分析

圖4～6為3種施工工法下的位移云圖。由圖4～6可知，雙層疊合初支拱蓋法中隧道的最大豎向位移位于拱頂部位，拱頂向下沉降值為7.75 mm，地表最大沉降值為5.18 m；隧道水平位移最大值位于大拱腳位置，位移呈洞周向外擴張趨勢，最大擴張值為4.01 mm。雙側壁導坑法與雙層疊合初支拱蓋法的豎向位移變化形態類似，最大豎向位移出現在拱頂，其沉降值為6.63 mm，地表沉降值為4.37 mm；而在水平位移方面，雙層疊合初支拱蓋法則呈現與雙側壁導坑法不同的位移形態，洞周出現向內收斂的位移，最大值位于右側墻角位置，洞周最大收斂值為5.18 mm；而CRD法拱頂最大豎向位移為11.4 mm，地表沉降最大值為7.98 mm，其洞周亦呈現收斂形態，但其收斂值大于雙側壁導坑法，最大位移收斂值達到8.42 mm，邊墻處向內收斂趨勢最為劇烈。3種工法的位移曲線示意如圖7所示。

圖4 雙層疊合初支拱蓋法位移云圖

圖5 雙側壁導坑法位移云圖

圖6 CRD法位移云圖

2.2.2 受力分析

通過提取監測斷面初期支護內力的相關數據，得到3種施工工法下的內力及相應截面安全系數如表2所示。由表2可知，雙層疊合初支拱蓋法安全系數最小值主要位于墻角部位，其次為拱腰部位；由于雙層疊合初支拱蓋法針對大拱腳區域實施打設注漿管注漿及設置加強型縱梁的措施，其大拱腳處位置內力及安全系數都處于較安全值，安全系數最小值為 5.55。雙側壁導坑法拱腰及拱頂處安全性較高，安全系數明顯高于其他截面；安全系數最小值同樣位于墻角位置，最小值為4.84。而從安全系數分析結果上看，CRD法最小安全系數僅為2.40，因此在安全性方面，采用CRD法進行層狀巖地層超大斷面暗挖車站施工較為危險。

圖7 三種工法的位移曲線圖

2.2.3 圍巖穩定性分析

圖8為3種工法下圍巖的塑性區。由圖8可知，雙層疊合初支拱蓋法圍巖塑性區出現在砂巖和砂質泥巖互層處，其中，大拱腳及下部邊墻兩側圍巖出現較大塑性區。雙側壁導坑法施工條件下，圍巖塑性區主要出現在墻腳、兩側邊墻及拱腳位置，其中墻角出現了較大塑性區。CRD法在同樣的地質條件及支護參數下，其塑性區較前兩種工法范圍更大，塑性區的位置在洞周分布也更寬，表現為拱腰一直到下側邊墻及墻腳都產生了較為明顯的塑性區范圍。因此，在層狀巖地層超大斷面暗挖車站的施工條件下，CRD法的適應性較雙層疊合初支拱蓋法及雙側壁導坑法要弱。

表1 圍巖和支護結構的物理力學參數表

表2 三種施工工法的內力計算結果

圖8 三種工法下圍巖的塑性區圖

2.3 結果對比

雙層疊合初支拱蓋法、雙側壁導坑法和CRD法的數值計算結果對比如表3所示。由表3可知，不同的施工工法對車站的影響程度不同，常規的雙側壁導坑法在對拱頂沉降、地表沉降及圍巖穩定性等方面都表現出較高的安全性。首次運用于重慶地區的雙層疊合初支拱蓋法的計算結果與雙側壁導坑法較為接近，各項考查指標均能很好地滿足控制標準，且在洞周收斂形態方面控制較好，襯砌結構的安全性亦較高。而CRD法施工相對偏危險，各項考查指標均明顯差于其他兩種工法，且在重慶地區層狀巖地層超大斷面暗挖車站施工中適應性較差。

表3 三種施工工法的計算結果對比表

3 層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工工法經濟性分析

由于CRD法在重慶地區層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工中的適應性較差，本文著重針對雙層疊合初支拱蓋法和雙側壁導坑法進行經濟性分析。以重慶軌道交通5號線為工程背景，其相鄰車站鳳西路站和華巖寺站，分別采用雙層疊合初支拱蓋法和雙側壁導坑法進行施工。兩個車站的地質情況、斷面大小和車站功能定位均具有高度的一致性。且兩車站可從施工便捷性、工期、經濟性及安全性等方面進行對比分析，亦具有高度的可信度。研究結論可為重慶地區層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工工法的綜合比選提供參考。

3.1 經濟指標

統計重慶軌道交通5號線鳳西路站和華巖寺站的工法經濟指標(見表4)可知，雙層疊合初支拱蓋法每延米的工程造價比雙側壁導坑法節約投資2 856元。因此對于超大斷面暗挖地鐵車站，采用雙層疊合初支拱蓋法施工比采用傳統的雙側壁導坑法施工，整個工程可節約投資近60萬元。

表4 雙層疊合初支拱蓋法及雙側壁導坑法經濟指標對比表

3.2 施工進度

以華巖寺站為例，采用雙側壁導坑法施工時，其主體結構及開挖支護的施工進度一般為18～24 m/月，主體結構二襯的施工進度每7 d為9 m，工期總計約18個月。而采用雙層疊合初支拱蓋法進行施工時，上導洞開挖及支護的施工進度為2 m/d，歷時約4個月；加強初支扣拱模筑混凝土約4個月；以上兩部分施工作業考慮前后錯開2個月，總計約6個月；下部主體開挖及支護每天按750 m3出土量計算，歷時約5個月； 二襯及防水施工預計5個月。因此，雙層疊合初支拱蓋法總工期約16個月，比雙側壁導坑法節省工期2個月。

實際工程中，重慶軌道交通5號線鳳西路站采用雙層疊合初支拱蓋法施工。該車站于2015年1月20日開始進行車站主體施工，2015年6月25日完成上導洞開挖及拱蓋施工，2015年7月11日—2015年12月15日完成車站主體下斷面開挖支護施工，2016年4月完成二襯及防水施工。施工總歷時15個月，比預計工期提前1個月。

在施工進度方面，雙層疊合初支拱蓋法的優勢主要體現在如下幾個方面：①下斷面開挖時可通過拉中槽、馬口跳槽等方式形成多個開挖面同時施工；②大大減少了拆除臨時支撐體系的工作量；③開挖掌子面與二襯間的步距較大，使得施工空間較大，操作亦相對便利；④拱墻襯砌可直接采用模板臺車施工，施工進度較快。

綜上所述，雙層疊合初支拱蓋法施工的經濟效益較為顯著。該工法節省投資近60萬元，縮短工期3個月，間接效益可達200余萬元。同時，為復合式隧道掘進機過站提供了有利條件，對地表沉降控制效果較好，對成渝高速影響也較小，帶來了較為理想的經濟及社會效益。

4 結論

針對重慶地區層狀巖地層暗挖地鐵車站的特殊地質條件、超大斷面及受施工工法影響顯著等特點，對該地區暗挖車站常見的3種施工方法的適應性進行了數值模擬分析，對重慶軌道交通5號線相鄰車站工程進行了綜合對比分析，得到3種施工工法的主要特點(見表5)及主要結論如下所述：

(1) 在適應性方面，不同的施工方法對隧道的影響程度不同。常規的雙側壁導坑法在對拱頂沉降、地表沉降及圍巖穩定性等方面的控制均表現出良好的特性；CRD法施工相對偏危險，各項考查指標均明顯差于其他兩種工法。而在重慶地區首次運用的雙層疊合初支拱蓋法的計算結果與雙側壁導坑法較為接近，各項考查指標均能很好地滿足控制標準，且對洞周收斂形態控制較好，襯砌結構的安全性亦較高，這說明該施工工法在層狀巖地層中的運用是安全的，且在重慶地區具有較強的適用性和可行性。

表5 三種施工工法的主要特點

(2) 從施工安全、施工進度及經濟性角度對層狀巖超大斷面暗挖地鐵車站施工方法進行綜合比選發現：雙層疊合初支拱蓋法每延米的造價比雙側壁導坑法節約投資2 856元，直接效益達60余萬元，縮短工期3個月，間接效益可達200余萬元，帶來了較大的經濟及社會效益；能較好地適應重慶地區的地質條件及經濟要求，具有工作面大、效率高、工序少和施工安全等顯著優點，具有較強的經濟適用性。因此，在重慶地區層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工中，建議采用雙層疊合初支拱蓋法施工。