改進(jìn)型雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在復(fù)雜城區(qū)環(huán)境下超淺埋暗挖地鐵車(chē)站的應(yīng)用研究

王祥WANG Xiang

（貴陽(yáng)市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，貴陽(yáng) 550081）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速推進(jìn)，城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用受到了越來(lái)越多的重視。對(duì)于山地城市而言，地形、地勢(shì)、水文地質(zhì)等方面與平原城市存在著較大差異，對(duì)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的要求更高，對(duì)于城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用需求也較大。貴陽(yáng)市作為典型的喀斯特山地城市，進(jìn)行城市地下空間工程建設(shè)具有“強(qiáng)巖溶、高水壓、構(gòu)造復(fù)雜、災(zāi)害頻發(fā)”等顯著特點(diǎn)。在大量地下空間的開(kāi)發(fā)利用中，一定程度上實(shí)現(xiàn)了集約化，而由此帶來(lái)的“城市綜合癥”[1]對(duì)后續(xù)城市地下空間建設(shè)限制條件也越來(lái)越多，主要表現(xiàn)在大量管線入地后明挖工法應(yīng)用受限、大量地下構(gòu)筑物修建后地下空間再次開(kāi)發(fā)利用空間困難等方面。這種限制在跨區(qū)域地下線性工程為主的地鐵建設(shè)中尤為突出，國(guó)內(nèi)的從業(yè)者從暗挖法的角度，也紛紛探索提出了多種辦法。張中杰等在上海軟土地區(qū)創(chuàng)新地采用暗挖法修建地下車(chē)站，解決了中心城區(qū)交通、管線帶來(lái)的限制[2]。李美群利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬，結(jié)合北京地區(qū)地層特性，對(duì)不同暗挖工法進(jìn)行分析以研究其應(yīng)用條件[3]。王春凱等通過(guò)合理確定車(chē)站規(guī)模及建筑布置，調(diào)整暗挖工法步序等方式實(shí)施了貴陽(yáng)地鐵換乘車(chē)站建設(shè)[4]。趙迎等結(jié)合貴陽(yáng)軌道交通建設(shè)中上軟下硬的復(fù)合地層，研究疊合初支拱蓋法的適用性及受力狀態(tài)，豐富貴陽(yáng)暗挖工法的應(yīng)用[5]。

貴陽(yáng)軌道交通3 號(hào)線一期工程黔靈山公園站受線站位及周邊環(huán)境條件限制，作為采用暗挖工法施工的超淺埋地下車(chē)站，經(jīng)多方論證后，采取改進(jìn)型的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法實(shí)施暗挖施工，有效保障了對(duì)周邊環(huán)境及工程建設(shè)的安全，取得了較好的應(yīng)用效果，可為類(lèi)似工程的建設(shè)提供參考借鑒。

1 工程概況

貴陽(yáng)軌道交通3 號(hào)線一期黔靈山公園站位于貴陽(yáng)老城核心區(qū)城市主干道路下方，為地下二層島式車(chē)站，車(chē)站長(zhǎng)度約220m，有效站臺(tái)寬11m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)凈寬19.4m。根據(jù)地面的地勢(shì)條件，車(chē)站拱頂覆土埋深呈南淺北深，埋深范圍為8～12m，屬超淺埋大跨車(chē)站。

1.1 地質(zhì)條件

車(chē)站區(qū)域地質(zhì)分別為雜填土、紅粘土、中風(fēng)化白云巖及中風(fēng)化白云巖地層構(gòu)成，巖石節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，為巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)。且地下水豐富，受構(gòu)造節(jié)理裂隙、巖溶洞（隙）及管道控制，呈不均勻無(wú)規(guī)律分布，因臨近山體，擬建車(chē)站北側(cè)地表水與地下水存在一定的水力聯(lián)系，靜水位埋深高于車(chē)站拱頂。站點(diǎn)范圍內(nèi)還存在一條非活動(dòng)斷層橫跨車(chē)站，斷層破碎帶的巖體角礫化嚴(yán)重，膠結(jié)性較好。車(chē)站地質(zhì)縱斷面如圖1 所示。

圖1 車(chē)站地質(zhì)縱斷面圖

1.2 周邊環(huán)境

黔靈山公園站位于貴陽(yáng)老城核心區(qū)，鄰近貴陽(yáng)著名的市內(nèi)景點(diǎn)黔靈山公園，車(chē)站所處的棗山路為貴陽(yáng)市區(qū)一環(huán)主干道，道路交通繁忙。車(chē)站周邊建構(gòu)筑物密集，人行道較為狹窄，站點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊鄰31 層天怡豪生大酒店、28 層鐵道大廈、13 層尚捷酒店、8 層居民樓、7 層煙草公司辦公樓等多棟高層建筑物。車(chē)站大里程端位于北京西路與棗山路路口，上有北京西路高架橋，下有棗山路地下通道，周邊環(huán)境較為復(fù)雜。

站址范圍內(nèi)管線繁雜，遍布于人行道及車(chē)行道地下，管線類(lèi)型包括燃?xì)夤?、雨污水管、電力管線、通訊管線、軍用光纜等。

所處環(huán)境決定了車(chē)站實(shí)施不具備交通疏解及管線遷改條件，且車(chē)站施工對(duì)環(huán)境保護(hù)要求較高，對(duì)車(chē)站工法選擇、技術(shù)要求也提出了較為嚴(yán)苛的需求。車(chē)站總平面如圖2 所示。

圖2 車(chē)站總平面圖

2 車(chē)站工法比選

車(chē)站施工工法的選定，受制于工程水文地質(zhì)、周邊環(huán)境條件、車(chē)站埋置深度和道路交通組織等眾多因素。施工工法對(duì)結(jié)構(gòu)型式的確定和工程造價(jià)也有著決定性的影響。經(jīng)梳理論證，目前巖石地層暗挖車(chē)站，主要工法有中洞法、側(cè)洞法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、拱蓋法、PBA 法等，通過(guò)對(duì)各暗挖工法的主要特點(diǎn)、實(shí)施難度、工程進(jìn)度、沉降控制、防水質(zhì)量、廢棄工程量及工程造價(jià)等方面進(jìn)行綜合比選，形成對(duì)比分析表，如表1 所示。

表1 暗挖施工工法比較表

上述工法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，都有成功實(shí)施的先例，但也都有一定的不足之處。中洞法工序轉(zhuǎn)換次數(shù)最多，很難限制工序轉(zhuǎn)換中的附加位移，且施工過(guò)程中采用大量的臨時(shí)支護(hù)，廢棄工程量大，施工操作困難，故不予考慮。側(cè)洞法初次揭露的是兩個(gè)側(cè)洞，跨度大且要同步施工，對(duì)地表擾動(dòng)大，安全性稍差，故不予考慮。拱蓋法的關(guān)鍵是在于拱腳的穩(wěn)定性，但本車(chē)站巖體較破碎，拱腳穩(wěn)定性不足，而且由于車(chē)站拱部下穿過(guò)街地道，凈距僅有1.2m，不足以施作初支加強(qiáng)拱蓋，故不予考慮。PBA 工法除了需要施作中柱及上下導(dǎo)洞外，還要施作圍護(hù)邊樁及成樁導(dǎo)洞，增加了較多的工程量，且防水節(jié)點(diǎn)難以保證，故不予考慮。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的導(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(kāi)挖過(guò)程中短時(shí)間的自穩(wěn)能力，采用網(wǎng)狀支護(hù)形式，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)，用中隔壁核心土承擔(dān)部分受力，對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小。且車(chē)站拱墻一次成型，施工質(zhì)量和防水質(zhì)量效果好。綜合以上情況，黔靈山公園站暗挖施工選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法較為適宜，開(kāi)挖斷面如圖3 所示。

圖3 車(chē)站暗挖斷面圖

3 改進(jìn)型的雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法

3.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑在貴陽(yáng)硬巖地層應(yīng)用存在的問(wèn)題

按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法，黔靈山公園站開(kāi)挖豎向最大凈空為19.21m，最大跨度為22.16m，開(kāi)挖斷面達(dá)到360m2，為超大暗挖斷面，分為9 部開(kāi)挖，豎向設(shè)置兩道水平中隔板。同時(shí)由于該車(chē)站位于中心城區(qū)，鄰近眾多重要建構(gòu)筑物，只能采用非爆破工法開(kāi)挖。

傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工將面臨幾大難題：一是該區(qū)域巖石強(qiáng)度高達(dá)40MPa，采用人工或者小型機(jī)械開(kāi)挖困難，借鑒貴陽(yáng)軌道交通1、2 號(hào)線開(kāi)挖施工經(jīng)驗(yàn)，擬選用懸臂掘進(jìn)機(jī)實(shí)施車(chē)站主體開(kāi)挖，但懸臂掘進(jìn)機(jī)設(shè)備重達(dá)近百噸，開(kāi)挖振動(dòng)及后坐力較大，無(wú)法在中隔板上走行及操作；同時(shí)懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖時(shí)，需在各平行導(dǎo)洞內(nèi)交叉作業(yè)，而上下導(dǎo)坑之間高差無(wú)法滿足設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)需求。二是車(chē)站拱頂覆土厚度僅為開(kāi)挖寬度的0.4～0.6 倍，為超淺覆土車(chē)站，且地質(zhì)條件復(fù)雜，填土厚度大，巖溶發(fā)育，在開(kāi)挖完成后二襯施工階段，需拆除中隔壁和中隔板，在巖層自穩(wěn)能力較差的情況下，如何確保工序轉(zhuǎn)換時(shí)的結(jié)構(gòu)安全無(wú)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)可照搬，存在較大施工風(fēng)險(xiǎn)。三是車(chē)站拱頂位于土石分界線分界，覆土層主要為雜填土及紅黏土，上方道路交通繁忙且路下管線眾多，做好開(kāi)挖斷面的沉降變形的有效控制，保障道路通行及地下管線的安全也是需要著重考慮和解決的問(wèn)題。

3.2 對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑的改進(jìn)

為解決施工機(jī)械配套及施工安全風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，參建各方經(jīng)研究論證后，擬對(duì)傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法進(jìn)行改進(jìn)（如圖4 所示），改進(jìn)后的施工步序?yàn)椋?/p>

圖4 車(chē)站開(kāi)挖步序圖

3.2.1 開(kāi)挖①部，施作初期支護(hù)及徑向錨桿，①部導(dǎo)坑初支封閉成環(huán)。滯后①部35m 后，開(kāi)挖②部，施作初期支護(hù)及徑向錨桿，②部導(dǎo)坑初支封閉成環(huán)。

3.2.2 在①部貫通后，開(kāi)挖③部，施作初期支護(hù)及徑向錨桿，③部導(dǎo)坑初支封閉成環(huán)。在②部貫通后且滯后③部35m 后，開(kāi)挖④部，施作初期支護(hù)及徑向錨桿，④部導(dǎo)坑初支封閉成環(huán)。

3.2.3 在③部貫通后，開(kāi)挖⑤部，施作初期支護(hù)及徑向錨桿，⑤部導(dǎo)坑初支封閉成環(huán)。在④部貫通后且滯后⑤部35m 后，開(kāi)挖⑥部，施作初期支護(hù)及徑向錨桿，⑥部導(dǎo)坑初支封閉成環(huán)。

3.2.4 施作Ⅰ部矮邊墻鋼筋混凝土，在中隔壁位置預(yù)留仰拱接駁器，待已澆筑二襯達(dá)到強(qiáng)度后架設(shè)橫向支撐。

3.2.5 Ⅰ部橫向支撐架設(shè)完成后，拆除下層中隔板。澆筑Ⅱ部側(cè)墻鋼筋混凝土，待已澆筑二襯達(dá)到強(qiáng)度后架設(shè)橫向支撐。

3.2.6 Ⅱ部橫向支撐架設(shè)完成后，拆除上層中隔板。澆筑Ⅲ部側(cè)墻鋼筋混凝土，待已澆筑二襯達(dá)到強(qiáng)度后架設(shè)豎向格構(gòu)柱。

3.2.7 Ⅲ部混凝土縱向全部澆筑完成且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開(kāi)挖⑦部上臺(tái)階，施作初期支護(hù)及徑向錨桿。緊跟掌子面澆筑Ⅳ部拱頂鋼筋混凝土，待已澆筑二襯混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行下一循環(huán)的開(kāi)挖和澆筑。

3.2.8 開(kāi)挖⑦部下臺(tái)階，每開(kāi)挖一榀逐榀連接橫撐。待⑦部開(kāi)挖貫通后并架設(shè)橫向支撐后，開(kāi)挖⑧部，每開(kāi)挖一榀逐榀連接橫撐。

3.2.9 待⑧部開(kāi)挖貫通后并架設(shè)橫向支撐后，開(kāi)挖⑨部，每開(kāi)挖一榀及時(shí)封閉鋼架，并澆筑Ⅴ部二襯鋼筋混凝土。

3.3 數(shù)值分析

針對(duì)暗挖車(chē)站開(kāi)挖工況，采用有限元軟件Plaxis 建模計(jì)算，模型尺寸取為100m×60m×300m（X×Y×Z），土層參數(shù)按照實(shí)際所處的地層選取，采用15 節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬；初支及二襯結(jié)構(gòu)采用8 節(jié)點(diǎn)線彈性板單元模擬；初支與土層之間設(shè)置接觸面單元，用二維Goodman 單元模擬；在幾何模型底部施加完全固定約束，在兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束，在模型上表面取為自由邊界；車(chē)站開(kāi)挖步驟按照上述開(kāi)挖步序進(jìn)行模擬。

通過(guò)計(jì)算，按照分部開(kāi)挖后得到暗挖車(chē)站開(kāi)挖引起的地層最大豎向變形為11mm，開(kāi)挖引起的鋼架拱部最大豎向變形為15mm，模擬分析如圖5 所示。

圖5 拱頂沉降云圖

本車(chē)站初支采用360mm 厚C25 噴射混凝土和工28b型鋼，中隔壁、中隔墻采用280mm 厚C25 噴射混凝土和工20b 型鋼。采用“地層—結(jié)構(gòu)”模型進(jìn)行初期支護(hù)的計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得到初支內(nèi)力，經(jīng)承載力驗(yàn)算，得到最大鋼架應(yīng)力為78MPa，滿足承載力要求。模擬計(jì)算如圖6 所示。

圖6 初期支護(hù)軸力圖（kN）

4 應(yīng)用情況

車(chē)站主體自2021 年6 月采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，目前已依次開(kāi)挖完成了①部至⑥部導(dǎo)洞，并按順序澆筑了Ⅰ部至Ⅲ部鋼筋混凝土。為保障改進(jìn)型雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工安全，施工過(guò)程中在車(chē)站主體及周邊區(qū)域布設(shè)了相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)車(chē)站區(qū)域地表沉降及拱頂變形進(jìn)行了長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)。

為能直觀反映車(chē)站開(kāi)挖引起的變形數(shù)據(jù)，沿車(chē)站縱向選取地表沉降點(diǎn)DBC03、DBC08、DBC12、DBC17、DBC21等五組數(shù)據(jù)，每組自①部至②部方向分別布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次命名為01～03。同時(shí)選取各地表沉降點(diǎn)位置處的拱頂沉降數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)，分別為GDC03、GDC08、GDC012、GDC17、GDC21，每組自①部至②部方向分別布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次命名為01、02 點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 車(chē)站主體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)暗挖車(chē)站各導(dǎo)洞開(kāi)挖后，除個(gè)別點(diǎn)位在鄰近注漿工作影響下呈隆起狀態(tài)外，其余地表測(cè)點(diǎn)主要呈沉降趨勢(shì)，趨于穩(wěn)定后最大沉降約14mm。地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)位置的拱頂沉降數(shù)據(jù)與地表沉降數(shù)據(jù)較為吻合，大多處于沉降狀態(tài)，趨于穩(wěn)定后除個(gè)別點(diǎn)位拱頂最大沉降約15mm，其余拱頂沉降大多在10mm 以內(nèi)。地表及拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖8、圖9 所示。

圖8 地表沉降監(jiān)測(cè)圖

圖9 拱頂沉降監(jiān)測(cè)圖

通過(guò)監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，超淺埋大跨度暗挖車(chē)站采用改進(jìn)型雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，引起的地表沉降、拱頂沉降小于規(guī)范允許值，且與數(shù)值模擬的結(jié)果較為接近。

5 結(jié)語(yǔ)

貴陽(yáng)軌道交通3 號(hào)線一期工程黔靈山公園站施工結(jié)合工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、開(kāi)挖方法等情況，通過(guò)工序優(yōu)化得到改進(jìn)型的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，并在工程實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用成效，切實(shí)推進(jìn)了工程安全有序的建設(shè)。通過(guò)研究歸納，可得到如下結(jié)論：

①改進(jìn)型雙側(cè)壁導(dǎo)坑法可大為降低受力體系轉(zhuǎn)換時(shí)的工程風(fēng)險(xiǎn)，并能適應(yīng)硬巖地區(qū)大型機(jī)械開(kāi)挖的需求，滿足中心城區(qū)嚴(yán)格的周邊環(huán)境控制要求。

②通過(guò)有限元數(shù)值模擬可較好地得到改進(jìn)型雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖引起的地面沉降及拱頂沉降，以此分析大斷面暗挖施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

③數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，改進(jìn)型的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在淺埋大跨暗挖車(chē)站中的應(yīng)用，引起周邊環(huán)境的變形較小，能保障有效路面行車(chē)及管線安全。