黃土地區地鐵豎井轉橫通暗挖施工穩定性的探究

王曉飛WANG Xiao-fei；程林CHENG Lin

（中國建筑第二工程局有限公司，西安 710199）

0 引言

豎井是地鐵區間隧道首要完成的分項工程，地鐵屬于城市地下工程，為避免對城市交通及人們出行造成影響，通常采用對地上活動影響較小的暗挖或蓋挖施工方法，在這其中，豎井轉橫通道是后續車站或區間隧道施工的關鍵工序[1]。目前，地鐵暗挖豎井轉橫通道主要采取“先豎井后橫通”及“豎井-橫通并行”兩種施工方案，“先豎井后橫通”施工方案中，施工人員需要先豎井封底，隨后在井內搭建施工平臺進行橫通施工；“豎井-橫通并行”施工方案中，施工人員需要先進行豎井施工，達到封底標高時搭建臨時平臺進行橫通道施工，橫通道施工至預定位置后完成豎井剩余部分施工。本文依托西安15 號線神舟二路站工程，分析黃土地層中不同施工方案對豎井-橫通道整體結構、地表沉降、地層受力及形變特征進行分析，并針對這些情況提出相應措施，以提升施工穩定性。

1 工程概況

西安15 號線神舟二路站位于東長安街與神舟二路十字路口，主要沿東長安街東西向敷設于路中綠化帶內，因此軌面埋深47.5m，車站采用明挖基坑+分離島站采用暗挖隧道的施工方法，主要通過D15XZ-SZZ-034 樁號處設置的豎井通過橫通道施工。車站站廳層形式為地下兩層三柱四跨框架結構，明挖基坑總長136.4m，標準斷面寬度為36.4m，基坑開挖深度約為19.9m；站臺層為地下一層隧道分離島式車站，站臺暗挖隧道總長度167.2m，標準尺寸為10.2m（寬）×10.87m（高），拱頂埋深39.3m；盾構端頭井段開挖寬度12.05m，開挖高度11.37m；覆土深度約39.0m。

工程區間車站施工，西北側為煙草公司及家屬小區，周邊規劃以商業用地、工業用地和公共綠地為主，施工地區地貌單元屬黃土塬，車站主體擬建場地地勢開闊，地形平坦，勘探點地面高程約499.29～502.19m，最大高差約2.90m。根據地質勘察資料，擬建工程場地在勘探深度90m范圍內，即豎井和通道覆蓋層主要為第四系堆積物，即由雜填土（Q4ml），新黃土（Q3eol）、老黃土（Q2eol）、殘積（Q2el）古土壤等互層組成。工程中豎井支護主要采用超前小導管、格柵鋼架、鋼筋網、豎向連接筋及噴混凝土；橫通道支護主要采用大管棚、超前小導管、格柵鋼架、鋼筋網、豎向連接筋、噴混凝土、二次襯砌。

2 豎井轉橫通施工方案穩定性比較

2.1 施工方案比較

施工方案一“先豎井后橫通”，豎井與橫通交叉段施工共有五個施工工序：①豎井鎖口段施工，需要開挖鎖口段，設置井壁支護和安全柵欄、安全門；②豎井井身施工，井身施工采用倒掛井壁法，施工重點在于井壁支護結構的設置，可采用格柵鋼架網噴C25 混凝土進行施工作業；③井底施工，可采用C30 混凝土進行封底，注意井底結構面低于橫通道結構；④馬頭門施工，完成豎井封底施工后，搭建施工平臺開展馬頭門破除作業，隨后采用鋼格柵+混凝土的方式設置臨時仰拱[2]；⑤橫通道施工，采用臺階法進行施工，上臺階進尺5 至8m 后將馬頭門下臺階混凝土破除，采用鋼格柵+噴射混凝土的方式進行支護，隨后同時開展橫通道上下臺階施工。

施工方案二“豎井-橫通并行”，鎖口段施工與方案一相同；井身施工至橫通道上臺階處停止開挖，開展臨時封閉施工；對馬頭門段進行超前支護，隨后破除馬頭門進行橫通道上臺階施工；上臺階進尺4.00m 后并行開展剩余豎井段和下臺階施工，完成后將豎井井底永久性封底；重復上述施工工序將橫通道開挖至主線位置，轉入馬頭門施工[3]。

2.2 施工方案穩定性分析

根據該工程具體施工條件，對豎井轉橫通道進行施工模擬分析，將地層轉化為均值水平的層狀分布，地層巖土體采用Mohr-Column 本構模型。豎井轉橫通道計算分析模型中，X、Y 方向的尺寸分別為66.00m 和36.00m，共劃分單元數43802，并預先設置好X、Y 方向的平動自由度，結合勘察資料（如，雜填土、新黃土、老黃土、支護等重量、模量、摩擦角、厚度、粘聚力等）建立施工模擬數值模型（見圖1），依照施工步驟進行模擬實驗，最終得出相應結果。

圖1 豎井轉橫通道施工模擬分析模型

根據模擬結果分析穩定性可知：

①地層沉降特性：兩種施工方案引發的地層沉降基本一致，方案一最大沉降為14.60mm，方案二最大沉降為14.80mm，地表變形均呈現橢圓狀，其中最大變形位于鎖口圈梁地表，最大形變量為15.00m。

②豎井支護結果穩定性分析：兩種施工方案豎井支護結構均處于受力情況，不同受力方向最大變形量不同，但變形位置均靠近馬頭門方向，方案一在X、Y、Z 方向上最大形變量為17.48mm、26.82mm、38.15mm，方案二在X、Y、Z 方向上最大形變量為13.65mm、23.10mm、38.35mm，方案二相較于方案一在X、Y 方向最大變形量降低，但在Z 方向上高于方案一。對豎井支護結構最大受力情況進行分析，在靠近馬頭門拱肩標高內側井壁區域，方案一的大主應力為1.216.00kPa、最大剪應力為10618.21kPa，方案二的大主應力為8746.61kPa、最大剪應力為8539.54kPa（具體見表1），相較于方案一，方案二的大主應力和最大剪應力分別減少了14.358%、19.57%，很大程度上降低了支護結構承受的壓力，改善了支護結構受力情況。

表1 豎井最大受力參數對比表（單位：kPa）

③橫通道支護結構穩定性分析：兩種施工方案橫通道支護結構均處于整體受壓情況，對不同方案下豎井不同方向位移情況分析可知，方案一在X、Y、Z 方向上最大形變量為17.48mm、17.31mm、25.73mm，最大變形位置距離馬頭門2m 的橫通拱底；方案二在X、Y、Z 方向上最大形變量為13.65mm、12.97mm、26.74mm，最大變形位置位于距離馬頭門12m 的橫通拱腰，分析可知，距離馬頭門位置越近，豎井與橫通道交叉部位施工穩定性越差。

④馬頭門支護結構穩定性分析：根據上文分析，在兩種施工方案下，收斂變形最大的位置為馬頭門拱腰處豎井兩側井壁，對不同施工步驟該區域收斂變形情況進行模擬可知，豎井施工至18.00m 處時，豎井收斂變形急劇上升；在進行豎井開挖至橫通道上臺階標高處時，方案二豎井收斂變形幾乎不變；到橫通道上臺階開挖至6m 時，收斂變形持續增大，最高可達44.94m；方案一收斂變形最大值則為52.28m，增加了14.03%。對橫通道距離馬頭門2.00m 的拱底位置進行變形對比分析可知，當豎井施工深度至3.00m 時，拱底逐漸出現隆起變形，且對著施工工序開展，隆起程度逐漸增加，在這種情況下，兩種施工方案隆起變化基本一致，變形值差距較小。同時，對馬頭門處最大剪應力分布情況進行對比分析，方案二最大剪應力為8539.54kPa，方案一最大剪應力為9377.90kPa，方案二最大剪應力相較方案一小了近10%。由此可知，方案二橫通道橫向最大變形值可減少63.49%，相較于方案一無論豎井、橫通道結構支護受力與變形均能得到又有效的控制，但是，在馬頭門位置、豎井及橫通道交叉等施工危險區域，需要加強施工把控，加強馬頭門破除前豎井及橫通道周圍土體加固及支護強度，保障該應力集中部位的穩定性，確保施工有序開展。

2.3 施工方案穩定性比較

由上文可知，“先豎井后橫通”及“豎井-橫通并行”均是目前國內地鐵暗挖豎井轉橫通普遍應用的兩種施工方案，均有大量施工實例和成熟施工體系。結合大量工程實踐和西安15 號線神舟二路站工程可知，采用“先豎井后橫通”施工方案，豎井與橫通道交叉段馬頭門施工穩定性較強，但整體施工工序較為復雜，施工工期長，危險性較大，豎井封底必須達到一定強度后才能搭設作業平臺進行馬頭門破除作業；完成橫通道上臺階支護后需要將作業平臺拆除后才能進行下臺階的施工，工序間干擾較大，整體過程較為繁瑣，平臺搭建和拆除需要花費大量時間，且危險性較高[4-5]。

采用“豎井-橫通并行”施工方案，施工至橫通道上臺階位置就進行臨時封底，開展上臺階施工支護，推進4m后將臨時封底拆除，并行開展下臺階施工，整個施工過程無需搭建作業平臺，可以直接在臨時封底上進行上臺階施工，施工過程較為簡便，花費時間較短，且避免了高空作業帶來的危險[6]。同時，施工方案二對方案一施工工序進行了優化，去除了作業平臺搭設這一工序，有效縮短了施工時間，提升了施工作業的安全性。兩種施工方案在豎井和橫通道機構的變形和力學響應存在差異，需要依據實際施工情況和工程要求采用有限元軟件進行對比分析，確定具體應力和形變特性，選擇最為適宜的施工方案。結合上文模擬試驗分析結果，施工方案二相較施工方案一無論在豎井支護還是橫通道支護，支護結構均有多改善，施工穩定性更強。

3 黃土地區地鐵豎井轉橫通暗挖施工及現場監測

3.1 “豎井-橫通并行”施工

西安15 號線神舟二路站根據建議采用“豎井-橫通并行”施工方案進行施工，基于有限元數值分析和現場實際情況，可確定施工工序大致為豎井鎖口段施工、井身施工、馬頭門橫通道的上臺階施工、豎井剩余部分及橫通道下臺階施工、橫通道的臺階法施工、豎井剩余部分及橫通道下臺階施工、正線馬頭門施工?？紤]到該區域橫通道位于殘積（Q2el）古土壤＜4-2-2-1＞、老黃土（Q2eol）＜4-1-2-1＞層中，該古土壤層厚為1.90～5.30m、層底深度為38.40～49.70m，層底高程為450.30～462.52m，為棕紅色心紅褐色硬塑土質均勻，屬于中壓縮性土，與老黃土互層，且局部夾雜老黃土薄層；老黃土層厚為1.20～9.60m、層底深度為35.00～57.80m，層底高程為442.76～466.26m，以粉質黏土為主，為褐黃色，可塑，土質均勻，含有少量結核及蝸牛殼碎片，屬于中壓縮性土，位于水位以下，與古土壤互層。該區域各土層天然含水量較為穩定，物理性質指標穩定，且土體直立性好，結構強度較高，固結成巖程度大，區間豎井斷面小，對豎井及橫通道并行施工十分有利。

因此，豎井支護主要采用超前小導管（Φ42×3.5，L=2m/3.5m，鋼花管）、格柵鋼架（C25，C14）、鋼筋網（Φ8150×150mm）、豎向連接筋（C22）及噴混凝土（C25），支護安全系數高。為簡化施工工序，加快施工進度，采取豎井-橫通并行施工優化方案，在豎井開挖至馬頭門位置時，設置加強型鋼鋼架，并進行30cm 的素噴C25 混凝土砼封底后轉入橫通道進行施工。在橫通道施工時，要重點把控馬頭門的施工，在上文數值分析中，馬頭門受力復雜，為確保施工安全穩定，需要在破除馬頭門前的換撐處置中，在橫通道上臺階開挖部分設置Ⅰ20 型鋼進行臨時支護，并在進洞后拆除。橫通道的支護也是保障施工穩定性的關鍵，如在進行橫通道頂部施作超前小導管時，采用Φ42×3.5，L=4m的小導管結合超前注漿的方式，對橫通道地層進行加固，并在注漿結束后破除馬頭門時，先后設置Ⅰ20 型鋼架3榀，噴射C25 砼后完成支護。除此之外，橫通道支護還增加了大管棚（Φ108×6）和二次襯砌（C35 防水鋼筋混凝土，抗滲等級p10），進一步加強了支護強度。

此外，在“豎井-橫通并行”施工中，為保障施工流程有序開展，還需要嚴格控制相關技術要點，具體包括以下幾點：①在進行豎井鎖扣圈梁施工時，需要提前完成周邊管線調查和改遷等工作，才能進行豎井井段口施工和基槽開挖；②該工程屬于黃土地層，地質情況較為復雜，需要避免采用全斷面開挖作業方式，采取分塊、分側，邊挖邊支護的人工開挖方式，每次開挖進尺0.50m；③在豎井井壁土方分側、分塊開挖過程中，同樣需要采取邊開挖邊支護的方式，每次開挖一段，檢查凈空合格后先噴射40mm 砼進行封閉，再掛上鋼筋（Φ6.5＠150×150mm）焊接而成的鋼筋網，之后再開展格柵鋼架施工，補噴C25 混凝土至400mm；④在進行永久封底施工時，需要設置井壁臨時爬梯等施工輔助裝置，并且采用Ⅰ20a 工字鋼（間隔0.50m）和網噴C25 砼（厚度350mm）進行封底。

3.2 施工現場監測

施工現場監測是確保黃土地區地鐵豎井轉橫通暗挖施工安全性的重要措施，通常在豎井及橫通道拱頂位置設置若干監測點，對施工引發的地表沉降和橫通道拱頂沉降情況進行實時監測，共設置5 組，每組間隔5.00m。根據某一施工工序地表沉降及橫通道拱頂沉降監測數據可知，針對地表沉降數值，施工導致的地表最大沉降約為10.00mm，遠低于建設規范要求的30.00mm 控制值；針對地下水位較低的黃土層或者降水情況下的黃土層，施工導致的沉降數值較小；針對橫通道拱頂變形情況，馬頭門區域沉降數值變化較大，距離馬頭門區域越遠，拱頂沉降量越小，但整體實際測量情況略高于有限元模擬測量結果。

對比分析實際測量情況和模擬分析結果，其地表沉降位置與數值大致相同，但在實際測量中，馬頭門拱頂變形朝向臨空面，模擬結果變形朝向地表抬升，但綜合結果分析，“豎井-橫通并行”施工方案無論在模擬分析還是實際測量中，地表、豎井及橫通道變形均在規定控制范圍內，因此，在黃土地區地鐵豎井轉橫通暗挖施工中，采用“豎井-橫通并行”施工方案更加經濟可行，穩定性也更高。

4 結束語

綜上所述，在西安15 號線神舟二路站施工中采用“豎井-橫通并行”施工方案，結合試驗分析結果和現場施工實際情況，嚴格控制施工流程和技術要點，如在豎井井身段采用明挖逆做的人工開挖方式，由上至下，每開挖0.50m進行支護作業，并基于黃土地層特征，采用分側、分塊的開挖方式，避免全斷面開挖，確保豎井開挖高效穩定開展。同時，加強施工現場安全監測，對豎井轉橫通施工引發的地面沉降和拱頂沉降進行全過程24 小時跟蹤監測，每間隔5m 設置監測點，實時了解沉降變化數值，并采取相關處理措施，保障施工和地層穩定。