地鐵大斷面淺埋暗挖偏壓隧道設(shè)計與施工方案比選

康立鵬

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司 深圳518000）

目前，我國大城市軌道交通工程在緩解城市地面交通，引導城市發(fā)展，改善城市居住環(huán)境方面作出了重要貢獻［1-3］。軌道交通土建工程優(yōu)先考慮明挖法或盾構(gòu)法施工，由于線路設(shè)置、地表環(huán)境、地質(zhì)條件等原因，部分地段需采用礦山法施工，其中大斷面淺埋暗挖隧道由于覆土淺、斷面大、機械化程度低等原因，存在施工難度大、風險高的問題［4-7］。

本文依托深圳地鐵某停車場出入場線隧道，采用有限元模擬、方案對比等手段對工法選擇、洞門形式、臨時支護拆除與二次襯砌施工方案進行研究。結(jié)論可以為類似地層的大斷面淺埋暗挖偏壓隧道提供參考。

1 工程概況

圖1 總平面Fig.1 General Plan

縱斷面如圖2 所示，頂部覆土高度為0～28 m，東側(cè)洞口主要地層為全、強風化花崗巖，隧道進洞后主要穿越地層為中、微風化花崗巖，該段隧道斷面大、地質(zhì)差、偏壓嚴重。

圖2 地質(zhì)縱斷面Fig.2 Geological Profile（m）

2 大斷面淺埋隧道設(shè)計方案比選

2.1 洞口偏壓段設(shè)計方案比選

隧道東側(cè)洞口段（長度10.0 m）偏壓嚴重，一側(cè)覆土17.1 m，一側(cè)覆土僅2.9 m，大偏壓可能導致初期支護收斂變形較大，噴射混凝土開裂、鼓包、局部剝落，襯砌開裂等情況［8-9］。礦山法方案斷面如圖3所示，明挖方案斷面如圖4所示。

圖3 洞口偏壓隧道橫斷面Fig.3 Bias Tunnel Cross Section at Entrance （m）

圖4 洞口偏壓隧道明洞方案設(shè)計Fig.4 Bias Pressure Tunnel Open Tunnel Plan Design at Entrance （m）

為分析礦山法與明挖法隧道結(jié)構(gòu)受力，針對2 種設(shè)計方案進行有限元計算分析，采用地層-結(jié)構(gòu)法進行建模，計算模型如圖5所示。

圖5 偏壓隧道有限元計算模型Fig.5 Finite Element Calculation Model of Biased Tunnel

采用礦山法的軸力、彎矩如圖6所示，襯砌最大軸力、彎矩分別為-460 kN（受壓）、1 760 kN·m，圖7為采用明挖法的軸力、彎矩；襯砌最大軸力、彎矩分別為-1 280 kN（受壓）、1 310 kN·m。

圖6 偏壓隧道礦山法二次襯砌軸力及彎矩Fig.6 Axial Force and Bending Moment of secondary Lining of Bias Tunnel Mining Method

圖7 偏壓隧道明挖二次襯砌軸力及彎矩Fig.7 Axial Force and Bending Moment of Secondary Lining of Open-cut Tunnel under Bias Pressure

明挖法方案中襯砌最大軸力為礦山法的2.8 倍，最大彎矩為礦山法的0.74 倍，較大的軸力與較小的彎矩明顯有利于二次襯砌發(fā)揮混凝土的抗壓性能，對襯砌永久受力有利，因此，洞口淺埋暗挖偏壓嚴重段采用明挖方案。

2.2 進洞后設(shè)計方案比選

隧道進洞距離南坪快速路更近，該段長度為80 m，同樣存在明挖法和礦山法2 種方案，均會對南坪快速路存在一定的不利影響，為盡量減少對南坪快速路的不利影響，針對2 種工法對南坪快速路的影響進行有限元分析計算，明挖法采用對位移控制更有利的樁孔樁+預應(yīng)力錨索方案，計算模型如圖8 所示，明挖法施工引起的路基位移如圖9 所示，礦山法施工引起的路基位移如圖10所示。

圖8 有限元計算模型Fig.8 Finite Element Calculation Model

圖9 明挖法引起路基位移Fig.9 Subgrade Displacement Caused by Open Cut（mm）

圖10 礦山法引起路基位移Fig.10 Subgrade Displacement Caused by Mining Method（mm）

從圖9、圖10可知明挖法、礦山法開挖引起南坪快速路最大位移分別為15.5 mm、8.5 mm，明挖法開挖引起的路基位移約為礦山法的2 倍；同時礦山法無需改遷地面公路設(shè)備；因此，進洞后80 m 大斷面隧道選擇對公路路基影響小，無需設(shè)備遷改的礦山法。

3 隧道洞門方案比選

隧道作為一種隱秘性工程，洞門是唯一外露部分，從功能上來說，洞門通常具有3 種作用：①防護作用，即承擔背后的巖土壓力，防止背后落石影響洞口行車；②調(diào)光功能，可以緩和洞內(nèi)與洞外的光線差異給人帶來的不適；③景觀功能，即協(xié)調(diào)洞門與周邊的景觀，緩解駕駛疲勞及進入暗部空間的緊張感［10］。常用的洞門形式有2 種，端墻式洞門和突出式洞門［11］。本隧道洞門選型對比如下：

根據(jù)終端水價的定義和計算方法可知，影響用水成本和用水量的因素均對終端水價的測算產(chǎn)生影響。項目區(qū)3個農(nóng)民用水者協(xié)會的管轄范圍，由于灌溉條件、灌溉方式、工程狀況、水源工程供水方式等不同，終端水價存在著差異。桃花山鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會管轄范圍為山區(qū)地形，有提水灌溉和自流灌溉兩種供水方式，由于提水灌溉成本高于自流灌溉，因此需要分別計算提水灌溉和自流灌溉終端水價。調(diào)關(guān)鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會和東升鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會控制范圍為丘陵區(qū)，水源供水方式為提水灌溉，由于山區(qū)提水泵站揚程高、流量低，而丘陵地區(qū)提水泵站揚程低、流量大，運行成本存在著差異，因此有必要對山區(qū)和丘陵區(qū)的提灌終端水價分別計算。

⑴防護作用，端墻式洞門由于洞門端墻凸起較高，能更有效地防止背后落石。

⑵調(diào)光功能與景觀功能，突出式洞門具有更好的調(diào)光與景觀功能，但地鐵車輛進出停車場速度較慢，且沒有乘客，突出式洞門的調(diào)光和景觀功能對于地鐵意義不大。

⑶洞門受力，洞門位于停車場咽喉區(qū)，端墻式洞門明洞短，突出式洞門明洞長，端墻式洞門凈寬17.7 m，由于洞門靠近停車場咽喉區(qū)，線路呈喇叭形式，突出式洞門明洞加長后，洞門寬度更大，達20.7 m，比端墻式洞門寬3 m，不利于結(jié)構(gòu)受力。

通過上述對比可知，端墻式洞門的防護作用、洞門受力均優(yōu)于突出式洞門，突出式洞門的優(yōu)勢僅在于調(diào)光和景觀功能較好，但調(diào)光和景觀功能對于地鐵隧道的意義并不大，因此，本出入場線隧道洞門選擇端墻式洞門。

4 臨時支撐拆除與襯砌施工方案

本段礦山法隧道設(shè)計方案為雙側(cè)壁法施工，初期支護與臨時支護施工完成后，需要分步拆除臨時支撐及施工二次襯砌，需要采用大量的臨時支撐，施工步驟如圖11所示。

圖11 臨時支撐拆除與二次襯砌施工工序Fig.11 Temporary Support Removal and Secondary Lining Construction Procedures

上述分步開挖工序雖然結(jié)構(gòu)受力較安全，但存在一系列問題，如工序繁雜帶來的效率低下，分步施工帶來的二次襯砌質(zhì)量差、防水效果差［12］，現(xiàn)場隧道襯砌施工約10 m后，按該工序施工的混凝土和防水效果不理想，施工進度落后于預期，需研究新的二次襯砌施工工法，考慮到進洞10 m后隧道開挖揭露開挖面地質(zhì)均為中、微風化花崗巖，拱頂位移與凈空收斂監(jiān)測值較小，經(jīng)比選研究提出“一次拆除臨時支撐+二次襯砌一次成環(huán)”的方案，單次拆除臨時支撐長度為6 m，施工襯砌長度為5 m，為保證臨時支撐拆除后的結(jié)構(gòu)安全，采取以下措施：

⑴進行有限元計算分析，分析中、微風化花崗巖層中一次性拆除臨時支撐，二次襯砌一次成環(huán)的結(jié)構(gòu)受力，有限元模型如圖12 所示，臨時支撐一次性拆除后初期支護最終位移如圖13所示，隧道拱頂最大沉降20.9 mm，隧底隆起最大為9.1 mm，凈空收斂最大為17.8 mm，均處于安全范圍。

圖12 有限元模型Fig.12 Finite Element Model

圖13 初期支護位移Fig.13 Initial Support Displacement（mm）

⑵加強隧道拱頂沉降、凈空收斂、地表位移的沉降監(jiān)測，隧道臨時支撐一次性拆除后，監(jiān)測頻率由1次/d調(diào)整為2次/d，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測值超警戒值或有突然增大的趨勢，立馬架設(shè)臨時型鋼支撐。

⑶臨時支撐拆除后，圍巖的變形通常具有一定的時空效應(yīng)，若二襯施工時間太長，容易出現(xiàn)圍巖變形過大，拱頂?shù)南鲁辽踔了剑?3］，為保證隧道安全，要求在臨時支撐拆除后，盡快施工二次襯砌，若由于其它原因暫停施工，應(yīng)事先架設(shè)臨時支撐。

通過上述一系列措施，最終二次襯砌施工采用“一次拆除臨時支撐+二次襯砌一次成環(huán)”的方案順利完成。

5 結(jié)論

⑴隧道洞口10 m 范圍存在嚴重偏壓，經(jīng)方案比選，采用明挖法施工的二次襯砌最大軸力（壓力）約為礦山法的2.8 倍，最大彎矩約為礦山法的0.74 倍，更有利于發(fā)揮混凝土的抗壓性能，對襯砌永久受力有利，該段采用明挖方案。

⑵隧道進洞后80 m 大斷面隧道，采用明挖法、礦山法開挖引起南坪快速路最大位移分別為15.5 mm、8.5 mm，礦山法方案更有利于對周邊環(huán)境的影響，采用礦山法方案。

⑶地鐵出入場線隧道洞門形式建議優(yōu)先考慮防護功能更好的端墻式洞門。

⑷在中、微風化樣中施工大斷面隧道襯砌時，可考慮一次性拆除縱向一定長度的全部臨時支撐，襯砌一次施工成型，施工中應(yīng)提高監(jiān)測頻率。