沿海城市地鐵車站大斷面隧道施工方案比選分析

孫長偉

摘 要：大連地鐵修建于沿海城市，所處的地質(zhì)環(huán)境具有復(fù)雜性和富水的特點(diǎn)，穿越既有的設(shè)施尤其是交通設(shè)施的環(huán)境安全問題特別突出，選擇合理隧道開挖施工方案具有重要意義。以202標(biāo)段暗挖車站主體和輔助隧道為對象，通過三維數(shù)值模擬及造價(jià)分析，系統(tǒng)研究比較了幾種典型大斷面隧道施工方案?；跀?shù)值模擬和綜合指標(biāo)的定性的分析比較，針對大連地鐵車站隧道施工而言，CRD工法具有很好的安全性、經(jīng)濟(jì)性、快速性。研究方法和結(jié)果對同類工程具有積極參考意義。

關(guān)鍵詞：暗挖車站；淺埋暗挖；施工方案；CRD

1 前言

我國的城市地鐵和城際軌道建設(shè)工程尤其是地鐵車站具有所處地質(zhì)復(fù)雜、淺埋大斷面的特點(diǎn)，除了圍巖自身穩(wěn)定性問題，其修建于繁華城市地面之下，既有的設(shè)施尤其是交通設(shè)施的環(huán)境安全問題特別突出，選擇合理隧道開挖施工方案具有重要意義。

大連地鐵修建于沿海城市，所處的地質(zhì)環(huán)境具有復(fù)雜性和富水的特點(diǎn)。大連地鐵的大部分車站和區(qū)間處于上軟下硬地層，穿越主干線路、路面、高架橋，臨近建筑物，環(huán)境問題突出。部分線路處于臨海地區(qū)，地下水位高。上述地質(zhì)特點(diǎn)缺乏直接的經(jīng)驗(yàn)工程類比，給暗挖車站的施工方案確定帶來困難。為此，本文以202標(biāo)段暗挖車站主體和輔助隧道為對象，通過三維數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究比較了幾種典型大斷面隧道施工方案，選取了適合沿海城市地鐵隧道施工的方法。

2 工程概況

大連地鐵一期工程202標(biāo)段香工街車站為地下雙層分離島式車站，覆土厚度約6.8m。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段總寬度為41.5m，結(jié)構(gòu)埋深約為24.5m。其中豎井尺寸長×寬×高為：12.4m×6.0m×30m。車站正線車站所在范圍在華北路中間，沿華北路方向有高架橋一座，高架橋?yàn)殡p柱多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，高架橋橋樁外邊緣距離車站主體結(jié)構(gòu)外墻凈距3.0m，距離隧道底部3.472～15.322m不等。

香工街車站所在的場地地貌為剝蝕低丘陵。從地面向下依次為上覆第四系人工堆積層，第四系上更新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)粘土層，下伏鈣質(zhì)板巖、輝綠巖等。場地土類型為軟弱土—巖石，巖體比較完整。整個(gè)地層明顯存在上軟下硬的特點(diǎn)。該區(qū)域到的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度0.70m，場地地形較為平坦。車站主體以及與之相連的橫通道屬于淺埋、大斷面隧道，其穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性受到隧道的開挖方法的直接影響。按隧道橫斷面分布情況來分，開挖方法可為全斷面開挖、臺(tái)階開挖和分部開挖法。以下將大跨度暗挖隧道全斷面開挖法、臺(tái)階法、CD法、CRD法進(jìn)行對比。

3 大連地鐵大斷面隧道施工方案比選

3.1 各方案三維數(shù)值模擬

首先建立三維數(shù)值模型，進(jìn)行全斷面、臺(tái)階法、CD（中隔壁）法和CRD（十字交叉中隔壁）法施工方案的數(shù)值模擬對比。數(shù)值計(jì)算采用美國的Itasca公司的有限差分軟件FLAC3D，建立模型時(shí)首先選取計(jì)算模型區(qū)域?yàn)樗淼蓝磸降?～7倍左右，左右邊界采用單向水平約束，地表為自由邊界，底面為三向約束。本次計(jì)算模型范圍：左右方向從-40.6m至40.6m（x方向），上下方向從0到49.2m（z方向），前后方向（軸向，y向）從0到10m。隧道高16m，寬12m，為馬蹄形，拱頂距地表8m左右。模型從地表0～3m為素填土，距地表3～13m為強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)板巖，距地表13～49.2m為中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖。物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

數(shù)值模型地質(zhì)體采用四面體單元，用空單元模擬開挖。襯砌的模擬采用shell單元，錨桿的模擬采用cable單元。地應(yīng)力場為自重應(yīng)力。本構(gòu)模型采用莫爾庫侖準(zhǔn)則。首先采用自重應(yīng)力平衡，得到初始應(yīng)力場。對地質(zhì)模型進(jìn)行概化，對其施工工序進(jìn)行一定簡化，然后按照全斷面法、臺(tái)階法、CD法和CRD法幾種開挖方法的過程進(jìn)行施工動(dòng)態(tài)模擬，得到各個(gè)開挖步對應(yīng)的圍巖變形、應(yīng)力分布和塑性區(qū)。

3.2 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬可以獲得圍巖的變形、應(yīng)力和塑性區(qū)的情況對比。從圍巖變形角度分析，全斷面開挖由于應(yīng)力重新調(diào)整幅度大，圍巖位移比較大。臺(tái)階法開挖位移次之，圖1是臺(tái)階法開挖步的水平位移分布云圖。

分析可見，開挖第一步，最大水平位移發(fā)生在拱腳位置，約為4.06mm；開挖第二步、第三步拱頂位移與第一步基本相同，施工較安全；開挖第四步，位移云圖的分布沒有發(fā)生大的變化，最大水水平位移減小到4.01mm。

圖2是CRD法開挖圍巖水平位移。CD法開挖圍巖位移略大于CRD法開挖，兩者比較接近。開挖第一步沉降位移和側(cè)向位移都較大，沉降位移達(dá)到到8.3mm，底部上抬約2.5mm。第二步開挖支護(hù)完成后，最大位移仍發(fā)生在拱肩位置，由于中隔壁的實(shí)施，控制位移的效果比較明顯。第三步開挖后，位移變化不大。之后的開挖步，位移值并無顯著增大。

綜合考慮以上3種施工工法的三維數(shù)值模擬，從圍巖變形、塑性區(qū)從大到小依次為CRD法-CD法-臺(tái)階開挖法-全斷面法。上述順序也是總體穩(wěn)定性從大到小的順序。單從控制水平收斂位移角度，CRD法控制效果最好，這是由于其施加了臨時(shí)中隔墻和臨時(shí)仰拱，有效地制止了圍巖變形，所以其變形小于其他的兩種工法。各工法對應(yīng)的水平收斂位移列于表2。由該表可見，全斷面施工工法產(chǎn)生的水平位移相對較大，明顯大于其他兩種工法，不宜作為本區(qū)域施工方案。

4 施工方案造價(jià)指標(biāo)綜合定性比選

在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，從安全和造價(jià)角度綜合考慮，對上述施工方法進(jìn)行綜合定性比較見表3所示?；诜治鼋Y(jié)果，針對大連地鐵車站隧道施工而言建議采用CRD法。

5 結(jié)論

基于數(shù)值模擬和造價(jià)指標(biāo)的定性的分析比較，針對大連地鐵車站隧道施工而言，CRD方法是適用于本區(qū)域的施工方法，具有很好的安全性、快速性、經(jīng)濟(jì)性。CRD法施工能為今后沿海城市同類隧道工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全施工起到積極的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王夢恕.隧道工程淺埋暗挖法施工要點(diǎn)[J].隨道建設(shè)，2006，26（5）：1-4.

[2]張玉軍，熊傳義.擬建武漢地鐵盾構(gòu)法施工的有限元數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2001，22（1）：51-55.

[3]熊燕斌，高英林.有限元數(shù)值模擬在南京地鐵張府園和玄武門車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].地下工程與隧道，2003，（3）：10-13.

[4]漆泰岳，劉強(qiáng)，據(jù)國全.軟弱巖層大跨度地鐵車站施工優(yōu)化與地表沉降控制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（4）：804-813.

（作者單位：中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司）