李景濤

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司， 北京 100018）

1 工程概況

文章以北京市昌平區(qū)未來科技城地鐵區(qū)間為例展開探討，該工程為典型的南北走向，位于魯疃西路西側(cè)未來科技城開發(fā)地塊南側(cè)。近車站處設(shè)置單渡線（渡線曲線段R=290），線路由南向北2‰下坡。軌頂標(biāo)高最高點(diǎn)11.825m，最低點(diǎn)11.526m。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)斷面尺寸為:13.90m×10.78m（寬×高）。

2 施工方法的比選

2.1 傳統(tǒng)施工方法的局限性

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的具體內(nèi)容如圖1所示，作為1種較為傳統(tǒng)的工程方法，其在施工中具有明顯的局限性，具體為:①所需使用的機(jī)械設(shè)備規(guī)模較小，不適用于大型設(shè)備施工作業(yè)；②施工工序繁多，施工效率較差，耗費(fèi)大量的成本；③施工中臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)拆除作業(yè)時極易引發(fā)變形現(xiàn)象，甚至?xí)こ贪踩斐捎绊懀虎芨鲿r期支護(hù)之間的銜接性較差，彼此之間具有相對獨(dú)立性，因此所得到的整體初支結(jié)構(gòu)不夠圓順，加大了應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖步驟

2.2 改進(jìn)方法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的可行性較差，出于工程效率及質(zhì)量的考慮，在原有工藝方法上進(jìn)行了改進(jìn)，提出如下2種方法。

首先是臺階分步臨時支撐法。全斷面將會形成3個臺階部分，對于上臺階斷面而言，以分步開挖的方式進(jìn)行施工，同時應(yīng)使用豎向臨時型鋼進(jìn)行支撐處理，當(dāng)結(jié)束上述施工后依次進(jìn)行中、下臺階的開挖施工。需注意的是，臺階分步臨時支撐法所涉及的工序較少，所形成的開挖斷面較大；但在進(jìn)行臨時支護(hù)拆除作業(yè)時，極易出現(xiàn)初支應(yīng)力大幅增加的現(xiàn)象，如果該值超出了初支結(jié)構(gòu)所具備的極限強(qiáng)度，則極易引發(fā)坍塌。此方法的具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 臺階分步臨時支撐法開挖步驟

考慮到上述方法存在的弊端，在該基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，此時得到了臺階臨時支撐與部分雙側(cè)壁法相結(jié)合的方式，其具體內(nèi)容如圖3所示。

圖3 臺階臨時支撐與部分雙側(cè)壁法開挖步驟

在施工前期，有必要進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬分析，由此確定合適的開挖工法?；趯Φ罔F車站隧道進(jìn)行數(shù)值模擬的方式，綜合考慮工程所提出的質(zhì)量、成本等多方面要求，最終確定1套可行性較高的方法。此外，為了驗證方案的可行性，應(yīng)對施工過程中的各項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并將其與模擬值進(jìn)行對比，從而對工藝方法進(jìn)行全面掌握。

3 3種開挖方法的數(shù)值模擬

3.1 計算模型

該項目采用二維彈塑性平面應(yīng)變模型，考慮到邊界效應(yīng)所帶來的影響，基于提升計算結(jié)果精確性的目的，最終設(shè)定的模型尺寸有:于隧道中線部分而言，其左、右2側(cè)分別取70m和100m，在進(jìn)行上邊界選取時應(yīng)延展至地表處位置。在進(jìn)行邊界條件計算時應(yīng)考慮的內(nèi)容有:有必要給左右邊界設(shè)置水平約束，同時應(yīng)在底邊界處設(shè)置豎向約束；而對于地表處，則將其設(shè)置為自由邊界的形式?；贏NSYS有限元軟件分析可知，無論圍巖、錨桿還是鋼支撐等結(jié)構(gòu)，均需要遵循D-p屈服準(zhǔn)則。在進(jìn)行模擬分析時，圍巖設(shè)置為Plane42單元，噴射混凝土環(huán)節(jié)則將其設(shè)置為Beam3單元。此外，諸如錨桿及鋼支撐等結(jié)構(gòu)則采用Linkl單元模擬的方式。

3.2 數(shù)值模擬方案

該工程項目中，所提出的方法均遵循圖1～3所給的開挖順序進(jìn)行模擬分析。

3.3 計算結(jié)果分析

對于淺埋暗挖超大斷面隧道工程而言，圍巖必須具備足夠的安全性，具體體現(xiàn)在拱頂下沉和地表沉降2方面。對此，本文以這兩大指標(biāo)為對象進(jìn)行分析，所得結(jié)果如表1所示。此外，還對所提出的3種方法對應(yīng)的錨桿軸力狀態(tài)進(jìn)行分析，所得結(jié)果如表2所示。

表1 位移計算結(jié)果

表2 錨桿軸力最大值對比分析

對上述結(jié)果進(jìn)行如下分析。

1）關(guān)于改進(jìn)后的方法二，這種多技術(shù)綜合的方式可大幅縮減施工工序，此時圍巖的擾動次數(shù)得到了良好控制，工程施工周期較短，在確保工程質(zhì)量的前提下還具有良好的效益。因此，只要嚴(yán)格遵循施工原則，所得到的效果不亞于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

2）經(jīng)改進(jìn)后的方法二，其所帶來的錨桿軸力得到了良好控制，為了進(jìn)一步驗證方法的可行性，工程人員對錨桿承載力進(jìn)行了全面檢測，結(jié)果表明其達(dá)到了工程標(biāo)準(zhǔn)，在施工中具有足夠的安全性。

3）基于改進(jìn)后的方法二，所得到的圍巖應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)象均可控制在工程許可范圍內(nèi)，所設(shè)置的支護(hù)結(jié)構(gòu)較為簡單，所得到的隧道整體穩(wěn)定性較佳。

基于上述分析可知，臺階臨時支撐與部分雙側(cè)壁法的結(jié)合方式可以突破傳統(tǒng)方式的弊端，充分顧及工期、成本等多方因素，可行性較佳。

4 施工優(yōu)化與效果

4.1 施工優(yōu)化

出于全面控制隧道拱頂下沉及地表沉降現(xiàn)象的目的，加之工程對工期、質(zhì)量等方面所提出的種種要求，最終選定為改進(jìn)后的方法二進(jìn)行施工，即以臺階臨時支撐為基礎(chǔ)，綜合引入雙側(cè)壁法進(jìn)行施工。在施工過程中，密切關(guān)注開挖進(jìn)尺、掌子面距離等各項性能指標(biāo)；應(yīng)盡早做好開挖面封閉工作；當(dāng)獲得足夠的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，相關(guān)人員便可在此基礎(chǔ)上對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4.2 施工效益

“臺階臨時支撐+部分雙側(cè)壁法”的施工方式具有高度可行性，它繼承了多種傳統(tǒng)方法的基本優(yōu)點(diǎn)，可創(chuàng)造足夠安全的施工環(huán)境，由此提升地鐵車站隧道施工的整體質(zhì)量，在成本、效率等方面均能滿足工程所提出的要求。當(dāng)采用此方式后，節(jié)省的施工成本達(dá)650萬元，相比傳統(tǒng)方式提前125d完工，整體效益良好。

5 結(jié)語

以實際地鐵車站隧道工程為例展開分析，基于數(shù)值計算的方法，加之密切的監(jiān)測手段，最終選定了“臺階臨時支撐+部分雙側(cè)壁法”的施工方式，實際結(jié)果表明此方法所帶來的效果較為理想。