浅埋暗挖大断面地铁区间隧道开挖施工技术

文章以北京市昌平区未来科技城地铁区间为例展开探讨，该工程为典型的南北走向，位于鲁疃西路西侧未来科技城开发地块南侧。近车站处设置单渡线（渡线曲线段R=290）。线路由南向北2‰下坡。轨顶标高最高点11.825mm，最低点11.526m。区间隧道结构 断面尺寸13.90（宽）×10.78（高）。

1  施工方法的比选

2.1  传统施工方法的局限性

关于双侧壁导坑法的具体内容如图1所示，作为一种较为传统的工程方法，其在施工中具有明显的局限性，具体有：所需使用的机械设备规模较小，不适用于大型设备施工作业；对应的施工工序较为繁多，所带来的施工效率较差，还会耗费大量的成本；在进行中间临时支护结构拆除作业时，极容易引发变形现象，甚至会对工程安全造成影响；④各个初期支护之间的衔接性较差，彼此之间具有明显的相对独立性，因此所得到的整体初支结构不够圆顺，此时加大了应力集中现象出现的可能性。

图1双侧壁导坑法开挖步骤

1.2  改进方法

经上述分析可知，双侧壁导坑法的可行性较差，出于工程效率以及质量的目的，在原有工艺方法上进行了改进，从而提出了如下2种方法：

首先是台阶分部临时支撑法。全断面将会形成3个台阶部分，对于上台阶断面而言以分部开挖的方式进行施工，同时应使用竖向临时型钢进行支撑处理，当结束上述施工后依次进行中、下台阶的开挖施工。需要注意的是，台阶分部临时支撑法所涉及到的工序较少，所形成的开挖断面较大；但需要意识到的是，在进行临时支护拆除作业时，极容易出现初支应力大幅增加的现象，如果该值超出了初支结构所具备的极限强度，则极容易引发坍塌等问题。关于其此方法的具体内容，如图2所示。

图2改进方法一开挖步骤

考虑到上述方法存在的一些弊端，在该基础上进行了改进，此时得到了台阶临时支撑与部分双侧壁法相结合的方式，关于其具体内容，如图3所示。

图3改进方法二开挖步骤

在施工前期有必要进行动态数值模拟分析，由此确定合适的开挖工法。基于对地铁车站隧道进行数值模拟的方式，综合考虑到工程所提出的质量、成本等多方面要求，最终确定出一套可行性较高的方法。此外，为了验证方案的可行性，应对施工过程中的各项参数进行监测，并将其与模拟值进行对比，从而对工艺方法做以全面掌握。

2  3种开挖方法的数值模拟

2.1  计算模型

在本工程项目中，采用二维弹塑性平面应变模型展开相应分析。考虑到边界效应所带来的影响，基于提升计算结果精确性的目的，最终设定的模型尺寸有：于隧道中线部分而言，其左右两侧分别取70m以及100m，在进行上边界选取时应延展至地表处位置。在进行边界条件计算时应考虑的内容有：有必要给左右边界设置水平约束，同时应在底边界处设置竖向约束，而对于地表处而言则将其设置为自由边界的形式。基于ANSYS有限元软件分析可以得知，无论是围岩、锚杆还是钢支撑等结构，其均需要遵循D-p屈服准则。在进行模拟分析时，围岩设置为Plane42单元、关于喷射混凝土环节则将其设置为Beam3单元、此外诸如锚杆以及钢支撑等结构则采用Linkl单元模拟的方式。

2.2  数值模拟方案

在本文所探讨的工程项目中，所提出的方法均需要遵循上述图1、2、3所给的开挖顺序进行模拟分析。

2.3  计算结果分析

对于浅埋暗挖超大断面隧道工程而言，围岩必须具备足够的安全性，具体又体现在拱顶下沉以及地表沉降两方面。对此，本文则以这两大指标为对象进行分析，所得到的结果（见表1）。此外，还对所提出的三种方法所对应的锚杆轴力状态进行了分析，所得的结果（见表2）。

表1 位移计算结果

施工方法 拱顶下沉（mm） 地表沉降（mm）

双侧壁导坑法 5.11 4.40

台阶分布临时支撑法 15.50 12.70

台阶临时支撑+部分双侧壁法 10.70 7.45

表2锚杆轴力最大值对比分析

开挖工况 施工方法

双侧壁导坑法（KN） 台阶分布临时支撑法（KN ） 台阶临时支撑+部分双侧壁法（KN）

左上部围岩开挖和支护完成 3.931 5.620 4.601

中下部核心土开挖开始前 4.857 6.941 5.854

断面开挖完成和铺筑仰拱后 6.380 7.962 6.913

   对上述结果进行分析可以得知：

1)关于改进后的方法二，这种多技术综合的方式可以大幅缩减施工工序，此时围岩的扰动次数得到了良好的控制，工程施工周期较短，在确保工程质量的前提下还具有良好的效益性。因此，只要严格遵循施工原则进行，所得到的效果不亚于双侧壁导坑法。

2)经改进后的方法二，其所带来的锚杆轴力得到了良好的控制，为了进一步验证方法的可行性，工程人员对锚杆承载力进行了全面检测，结果表明其达到了工程所提出的标准，在施工中具有足够的安全性。

3)基于改进后的方法二，所得到的围岩应力应变现象均可控制在工程许可范围内，所设置的支护结构较为简单，所得到的隧道整体稳定性较佳。

基于上述分析可以得知，台阶临时支撑与部分双侧壁法的结合方式可以突破传统方式的弊端，此时可以充分顾及到工期、成本等多方面因素，其可行性较佳。

3  施工优化与效果

3.1  施工优化

出于全面控制隧道拱顶下沉以及地表沉降现象的目的，加之工程对工期、质量等方面所提出的种种要求，最终选定为改进后的方法二进行施工，即以台阶临时支撑为基础，综合引入了双侧壁法进行施工。在施工过程中密切关注开挖进尺、掌子面距离等各项性能指标；应尽早做好开挖面封闭工作；当获得足够的监测数据后，相关人员便可以在此基础上对工艺参数做以调整。

3.2  施工效益

台阶临时支撑+部分双侧壁法的施工方式具有高度可行性，它继承了多种传统方法的基本优点，可以创造足够安全的施工环境，由此提升地铁车站隧道施工的整体质量，无论是在成本、效率等方面均满足工程所提出的要求。当采用此方式后，所节省的施工成本达到了650万元之多，相比传统方式而言提前125d完工，整体来说效益性良好。

4  结语

以实际地铁车站隧道工程为例展开分析，基于数值计算的方法，加之密切的监测手段，最终选定了台阶临时支撑+部分双侧壁法的施工方式，实际结果表明此方法所带来的效果较为理想。