復(fù)雜環(huán)境下地鐵車站導(dǎo)洞開挖施工方法對比研究

摘要：為了探究不同隧道開挖方法在地鐵車站結(jié)構(gòu)受力和沉降方面的影響差異，本研究以長春地鐵5號線工農(nóng)大路車站為實(shí)際案例，運(yùn)用MIDAS FEA軟件對兩種施工方法（一次扣拱暗挖逆作法和PBA工法）進(jìn)行模擬分析。比較這兩種方法在施工過程中的差異，分析結(jié)果顯示，在導(dǎo)洞開挖支護(hù)施工階段，一次扣拱暗挖逆作法導(dǎo)致的地表沉降量最大，占總沉降量的59.14%。而PBA工法在二襯扣拱施工階段起到較為關(guān)鍵的作用，該階段所引起的地表沉降量占總沉降量的42.65%。對于拱頂沉降，一次扣拱暗挖逆作法的拱頂沉降較為穩(wěn)定，而PBA工法的拱頂沉降在不同的施工時(shí)間都有大幅度的變動。在其他方面，一次扣拱暗挖逆作法相較于PBA工法具有較小的影響，結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，可進(jìn)一步降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；導(dǎo)洞開挖；一次扣拱暗挖逆作法；PBA工法；施工方法

中圖分類號：U231.3" "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" "文章編號：２０９６-2118（2024）04-0121-06

Comparative Study on Construction Methods of Subway Station Guide Tunnel Excavation under Complex Environment

LU Yu1，ZHAO Wei2

（1：Changchun Construction Engineering Quality Supervision Station，Changchun Jilin〓130000，China；2：China Railnay ERJU 4th Engineering Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan〓610000，China）

Abstract：In order to explore the differences in the influence of different tunnel excavation methods on the stress and settlement of subway station structures，this study takes the Gongnong Road Station on Line 5 of Changchun Metro as an actual case，and uses MIDAS FEA software to simulate and analyze two construction methods（one-time arch excavation reverse method and PBA method）.Comparing the differences between these two methods during the construction process，the analysis results show that during the excavation and support construction stage of the pilot tunnel，the maximum surface settlement is caused by one-time arch excavation reverse method，accounting for 59.14% of the total settlement.The PBA construction method plays a crucial role in the construction stage of the secondary lining arch，and the surface settlement caused by this stage accounts for 42.65% of the total settlement.For the settlement of the arch crown，the settlement of the arch crown is relatively stable under one-time arch excavation reverse method，while the settlement of the arch crown under the PBA construction method varies significantly at different construction times.In other aspects，one-time arch excavation reverse method with a single arch buckle has a smaller impact compared to the PBA method，and the structure is more stable，which can further reduce construction risks.

Keywords：subway station；pilot tunnel excavation；one-time arch excavation reverse method；PBA construction method；construction method

0 引言

地鐵建設(shè)是現(xiàn)代城市規(guī)劃中不可或缺的一部分，作為一種高效、清潔的城市交通方式，地鐵建設(shè)促進(jìn)了人員流動，對城市區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。在地鐵建設(shè)中，車站的施工是整個(gè)項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)之一。地鐵車站在建設(shè)過程中，周邊往往存在大量既有建筑、道路、橋梁或其他市政設(shè)施，因此其施工方法的選擇對于周圍環(huán)境和建筑物具有較大影響。在地鐵車站的施工過程中，結(jié)構(gòu)的受力和沉降問題一直是工程師關(guān)注的重點(diǎn)。如果施工方法不當(dāng)，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、沉降不均勻等問題，從而影響地鐵的正常運(yùn)營和使用壽命。因此，選擇適合的施工方法對于保證地鐵車站的施工質(zhì)量和安全至關(guān)重要。

目前，管棚-臺階法-拱中法（PBA法）被廣泛應(yīng)用于地鐵車站建設(shè)中[1]，其通過在地面設(shè)置導(dǎo)洞，逐步擴(kuò)大洞室，從而形成車站主體結(jié)構(gòu)。這種方法在城市中心或繁華地段施工具有較大的優(yōu)勢，因?yàn)樗鼘Φ孛娴挠绊戄^小，可以減少拆遷和管線遷移等問題[2]。然而，PBA法也存在一些缺點(diǎn)，如施工周期長、成本高、對周圍環(huán)境影響較大等。在PBA法下，地表沉降和拱頂沉降主要受到導(dǎo)洞開挖順序和地層條件的影響。由于導(dǎo)洞開挖過程中對地層的擾動較大，容易導(dǎo)致地表沉降不均勻。同時(shí)，由于拱頂與周邊墻的變形協(xié)調(diào)性較差，容易導(dǎo)致拱頂沉降過大。為了減少地表沉降和拱頂沉降，需要合理安排導(dǎo)洞開挖順序和采取相應(yīng)的支護(hù)措施[3-4]。

相較而言，一次扣拱暗挖逆作法是一種較新的地鐵車站建設(shè)方法，目前在國內(nèi)的應(yīng)用相對較少。該方法通過在地面上設(shè)置鋼筋混凝土拱頂和周邊墻，進(jìn)行暗挖施工[5]。這種方法能夠顯著縮短施工周期、降低建設(shè)成本，對周圍環(huán)境的影響較小。然而，由于暗挖施工的局限性，一次扣拱暗挖逆作法的施工難度較高，且對地質(zhì)條件敏感。在一次扣拱暗挖逆作法下，地表沉降和拱頂沉降主要受到暗挖施工的影響。由于暗挖施工對于地層的擾動較小，地表沉降相對較為均勻[6]。同時(shí)，由于拱頂與周邊墻的變形協(xié)調(diào)性較好，拱頂沉降也相對較小。為了減少地表沉降和拱頂沉降，需要加強(qiáng)拱頂和周邊墻的支撐和固定措施[7]。

上述兩種地鐵車站建設(shè)方法具有不同的施工順序和特點(diǎn)，為了探究在同一工程中兩種建設(shè)方法對周邊環(huán)境的影響，依托長春地鐵5號線工農(nóng)大路站，充分考慮其位于城市中心且周邊環(huán)境復(fù)雜等因素，基于MIDAS FEA軟件，模擬車站結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境在不同建設(shè)方法下，不同施工階段的力學(xué)狀態(tài)和地表沉降規(guī)律。通過對兩種施工方法下車站結(jié)構(gòu)的地表沉降、拱頂沉降和拱頂應(yīng)力進(jìn)行對比研究，探究兩種施工方法對于地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響存在的差異，從而為長春地鐵5號線工農(nóng)大路站車站工程的施工方法選取提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目長春地鐵5號線工農(nóng)大路站為島式車站，車站總長215.4 m，站臺為14 m寬，為雙層三跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，車站覆土為8.7 m～10.4 m，車站底板埋深為24.64 m～26.4 m，車站共設(shè)置3座豎井，其中1#豎井距離臨時(shí)豎井長度為147 m，臨時(shí)豎井距2#豎井長度為43 m。臨時(shí)豎井與1#豎井間車站主體為對向開挖。車站所在場地土層自上而下分別為：填土層、粉質(zhì)粘土層，結(jié)構(gòu)底板位于粉質(zhì)黏土層中，現(xiàn)狀地下水位標(biāo)高為地面以下2.1 m。工農(nóng)大路站結(jié)構(gòu)斷面見圖1。長春地鐵5號線工農(nóng)大路站周邊建筑眾多，且建筑等級均較高，地上交通流量大，因此對工程的施工質(zhì)量提出了更高的要求。

2 施工方法對比

2.1 一次扣拱暗挖逆作法

采用一次扣拱暗挖逆作法進(jìn)行車站開挖的過程可以分為七個(gè)精細(xì)步驟[8]，詳細(xì)內(nèi)容如圖2所示。

首先開挖1#～4#洞室，并完成上層導(dǎo)洞開挖支護(hù)施工；接著開挖5#～10#洞室，完成下層導(dǎo)洞開挖支護(hù)施工；隨后鋪設(shè)底板及部分側(cè)墻防水層，同時(shí)施作樁底縱梁、部分底板和底拉梁，并完成邊樁、冠梁及立柱等結(jié)構(gòu)的建設(shè)；鑿除臨時(shí)結(jié)構(gòu)，施工防水層及二襯結(jié)構(gòu)；對中跨土體按照相應(yīng)順序進(jìn)行開挖；清除基坑內(nèi)剩余臨時(shí)支護(hù)，繼續(xù)開挖土體并施作側(cè)墻、中樓板結(jié)構(gòu)；繼續(xù)開挖土體，鑿除臨時(shí)支護(hù)，鋪設(shè)剩余防水層，并施作剩余側(cè)墻、底板。

2.2 PBA工法

如圖3所示，PBA施工方法依照此順序進(jìn)行導(dǎo)洞開挖工作，其把車站的開挖全過程詳細(xì)劃分成六個(gè)部分[8]。在實(shí)施導(dǎo)洞挖掘工作時(shí)，首先對前方的小導(dǎo)管執(zhí)行注漿處理，以提升地層的穩(wěn)定性，之后按照階梯式逐漸開挖小導(dǎo)洞，挖掘次序是先開挖下方，后開挖上方，最后再處理兩側(cè)至中央。在邊樁、中柱和冠梁的施工階段，先在下方雙側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)施工防水層和基礎(chǔ)條，再在上方雙側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)開展挖孔樁與樁頂冠梁的施工。鋼筋混凝土柱則通過挖孔護(hù)套將上下側(cè)導(dǎo)洞連接，在中間導(dǎo)洞內(nèi)施工鋼筋混凝土柱。同時(shí)，在橫向?qū)Ф磧?nèi)進(jìn)行橫向基礎(chǔ)條的施工，并在車站永久底板的下方進(jìn)行布置。

在初步支撐施工階段，運(yùn)用超前大管棚注漿法和小導(dǎo)管注漿法，在橫向通道內(nèi)對左右跨頂部土層加固。然后對拱部土方實(shí)行分層對稱開挖，并完成拱頂初期支撐結(jié)構(gòu)的施工制備。在二次襯砌施工階段，等待拱部導(dǎo)洞貫通后，移除初次支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的連接。之后開展防水層和二次襯砌結(jié)構(gòu)的施工，并完成鋼拉桿的拉設(shè)工作。在構(gòu)建負(fù)1層結(jié)構(gòu)的階段，將負(fù)1層車站結(jié)構(gòu)劃分為段落施工，利用分層開挖法將土層開挖至中樓板的底部標(biāo)高。然后進(jìn)行中樓板、側(cè)墻防水層、保護(hù)層以及側(cè)墻的施工。在負(fù)2層結(jié)構(gòu)施工階段，將負(fù)2層車站結(jié)構(gòu)分成若干施工段，用分層開挖法將土體開挖至基底位置。然后進(jìn)行底板防水層、底板、側(cè)墻防水層、側(cè)墻以及車站內(nèi)部構(gòu)件的施工。

3 不同施工方法模擬分析

3.1 數(shù)值模擬

如圖4（a）所示，針對一次扣拱暗挖逆作法建立131 m×52.4 m×24 m全斷面開挖模型，默認(rèn)3層地層方向及厚度相同。針對無接觸元素和地下水影響，使用莫爾-庫侖和彈性模型描述土壤和混凝土。大管棚和小導(dǎo)管簡化成2.0 m固化層。PBA工法模型的基本假定同上，模型如圖7（b）所示。假定地表和各土層均勻水平分布，土體材料采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，混凝土材料采用彈性模型。導(dǎo)洞超前支護(hù)管棚和小導(dǎo)管注漿簡化為等厚的注漿加固層。結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，并依據(jù)相關(guān)勘測單位提供的原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取材料參數(shù)，最終選取土層材料的力學(xué)性能參數(shù)見表1。

3.2 地表沉降對比分析

經(jīng)過計(jì)算，兩種施工方法的結(jié)構(gòu)位移典型云圖如圖5～圖6所示。對中軸線上方的地表沉降進(jìn)行了選取，施工期沉降變動評估報(bào)告顯示（見圖7），一次扣拱暗挖逆作法施工地表沉降最為明顯的階段是10個(gè)導(dǎo)洞開挖和支護(hù)階段，占總沉降的59.14%。中跨拱施工和上部、下部結(jié)構(gòu)施工也會造成較大的地表沉降。對PBA工法施工的車站主體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)施工階段所造成的地表沉降占總沉降的比例也進(jìn)行了比較，如圖8所示。

圖8顯示，PBA法二襯扣拱施工階段因土體開挖范圍大，受到后續(xù)工序的影響，引發(fā)地表總沉降量的42.65%，應(yīng)當(dāng)受到重點(diǎn)控制。此工序完成后，結(jié)構(gòu)受力體系已基本由永久結(jié)構(gòu)承擔(dān)，因此后續(xù)土體開挖的影響雖大，但不會引起明顯的地表沉降。

3.3 拱頂沉降對比分析

如圖9所示，拱頂沉降選了車站拱頂中部的3個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行分析。對于一次扣拱暗挖逆作法，其在導(dǎo)洞開挖支護(hù)施工階段、襯砌結(jié)構(gòu)施工階段以及邊跨二襯扣拱施工階段，車站中軸線位置的拱頂沉降要略小于左右邊跨拱頂位置的沉降。隨著施工的進(jìn)行，中軸線位置拱頂?shù)某两抵饾u增長，漸漸明顯大于左右拱頂?shù)某两担?dāng)所有結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，車站中軸線位置拱頂?shù)淖畲蟪两盗繛?1.3 mm，與左右拱頂位置沉降量相差6 mm。對于PBA工法，其在導(dǎo)洞開挖階段，邊樁、中柱和底板施工階段，中軸線位置的沉降要大于左右拱頂位置的沉降，但差距不大。隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，中軸線拱頂?shù)某两邓娇焖僭鲩L，逐漸大于兩側(cè)的沉降，當(dāng)施工完成時(shí)，拱頂最大沉降量達(dá)到57.97 mm。

3.4 拱頂應(yīng)力對比分析

對兩種施工方法下車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10～圖11所示。對兩種施工方法的拱頂應(yīng)力變化進(jìn)行分析，如圖12所示。圖12（a）顯示，拱頂應(yīng)力選擇了車站中部剖面進(jìn)行分析，拱頂應(yīng)力變化最大值僅為0.2 MPa。隨著二襯扣拱完成，拱頂應(yīng)力逐漸減小并穩(wěn)定。導(dǎo)洞開挖和其他結(jié)構(gòu)施工階段，拱頂應(yīng)力保持在0.23 MPa不變。邊跨和中跨拱頂初期支護(hù)完成后，中軸線應(yīng)力增至0.37 MPa，但隨二襯扣拱進(jìn)行，應(yīng)力迅速降至0.26 MPa。中板和負(fù)2層二襯結(jié)構(gòu)施工階段，拱頂應(yīng)力保持穩(wěn)定。

由圖12（b）可得，左右拱頂位置的應(yīng)力變化較小，施工對其影響很小，表明左右拱頂結(jié)構(gòu)在施工過程中相對穩(wěn)定。而車站中軸線位置的拱頂應(yīng)力在不同施工階段有所變化，但整體趨勢是減小并穩(wěn)定下來。表明中軸線位置的拱頂在施工過程中經(jīng)歷了一定的應(yīng)力調(diào)整，但最終趨于穩(wěn)定。

對于拱頂應(yīng)力與拱頂沉降的關(guān)系，對比圖12和圖13，聯(lián)系兩種施工方法的特點(diǎn)，可認(rèn)為在PBA法中，拱頂應(yīng)力和沉降的關(guān)系主要取決于預(yù)應(yīng)力梁的設(shè)置和設(shè)計(jì)。預(yù)應(yīng)力梁通過施加預(yù)應(yīng)力，可以有效地抵消由于開挖和地下水壓力引起的拱頂應(yīng)力和沉降。通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力梁的位置、布置和預(yù)應(yīng)力大小，可以控制拱頂?shù)膽?yīng)力和沉降。而在一次暗挖扣拱法中，拱頂應(yīng)力和拱頂沉降的關(guān)系主要受到暗挖開挖引起的土體變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。對于一次扣拱暗挖逆作法，地下開挖引起的土體變形會導(dǎo)致拱頂應(yīng)力的增加和拱頂沉降的發(fā)生。支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置和設(shè)計(jì)將直接影響挖掘引起的土體變形和拱頂?shù)膽?yīng)力和沉降。

4 結(jié)論

通過對一次扣拱暗挖逆作法與PBA工法施工的地表沉降、拱頂沉降和拱頂應(yīng)力進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論。

1） 一次扣拱暗挖逆作法在進(jìn)行10導(dǎo)洞開挖支護(hù)時(shí)引起的地表沉降量最大，占總沉降量的59.14%；而PBA工法的關(guān)鍵階段是二襯扣拱施工，該階段引起的地表沉降量占總沉降量的42.65%。一次扣拱暗挖逆作法使車站的拱頂沉降保持穩(wěn)定，其中軸線位置沉降略小于邊跨。相比之下，PBA工法的沉降變化顯著且逐漸增長，并會高于前者。

2） 在一次扣拱暗挖逆作法的施工過程中，左右拱頂位置的應(yīng)力相對穩(wěn)定，而車站中軸線位置的拱頂應(yīng)力在不同施工階段有所變化，但整體趨勢是減小并穩(wěn)定下來。對于PBA工法，拱頂位置的應(yīng)力波動不大，對施工不敏感，而軸線位置的拱頂應(yīng)力變化趨勢與前者相同。

3） 通過對兩種施工方法下長春地鐵5號線工農(nóng)大路站的地表沉降、拱頂沉降及拱頂應(yīng)力的對比，可以認(rèn)為采用一次扣拱暗挖逆作法更為合適。

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編輯：楊 洋