淺埋暗挖大斷面地鐵區(qū)間隧道開挖施工技術(shù)

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。軌頂標高最高點11.825mm，最低點11.526m。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu) 斷面尺寸13.90（寬）×10.78（高）。

1  施工方法的比選

2.1  傳統(tǒng)施工方法的局限性

關(guān)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的具體內(nèi)容如圖1所示，作為一種較為傳統(tǒng)的工程方法，其在施工中具有明顯的局限性，具體有：所需使用的機械設(shè)備規(guī)模較小，不適用于大型設(shè)備施工作業(yè)；對應(yīng)的施工工序較為繁多，所帶來的施工效率較差，還會耗費大量的成本；在進行中間臨時支護結(jié)構(gòu)拆除作業(yè)時，極容易引發(fā)變形現(xiàn)象，甚至?xí)こ贪踩斐捎绊懀虎芨鱾€初期支護之間的銜接性較差，彼此之間具有明顯的相對獨立性，因此所得到的整體初支結(jié)構(gòu)不夠圓順，此時加大了應(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

1.2  改進方法

經(jīng)上述分析可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的可行性較差，出于工程效率以及質(zhì)量的目的，在原有工藝方法上進行了改進，從而提出了如下2種方法：

首先是臺階分部臨時支撐法。全斷面將會形成3個臺階部分，對于上臺階斷面而言以分部開挖的方式進行施工，同時應(yīng)使用豎向臨時型鋼進行支撐處理，當結(jié)束上述施工后依次進行中、下臺階的開挖施工。需要注意的是，臺階分部臨時支撐法所涉及到的工序較少，所形成的開挖斷面較大；但需要意識到的是，在進行臨時支護拆除作業(yè)時，極容易出現(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)所具備的極限強度，則極容易引發(fā)坍塌等問題。關(guān)于其此方法的具體內(nèi)容，如圖2所示。

圖2改進方法一開挖步驟

考慮到上述方法存在的一些弊端，在該基礎(chǔ)上進行了改進，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，關(guān)于其具體內(nèi)容，如圖3所示。

圖3改進方法二開挖步驟

在施工前期有必要進行動態(tài)數(shù)值模擬分析，由此確定合適的開挖工法。基于對地鐵車站隧道進行數(shù)值模擬的方式，綜合考慮到工程所提出的質(zhì)量、成本等多方面要求，最終確定出一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)進行監(jiān)測，并將其與模擬值進行對比，從而對工藝方法做以全面掌握。

2  3種開挖方法的數(shù)值模擬

2.1  計算模型

在本工程項目中，采用二維彈塑性平面應(yīng)變模型展開相應(yīng)分析?？紤]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，其左右兩側(cè)分別取70m以及100m，在進行上邊界選取時應(yīng)延展至地表處位置。在進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，而對于地表處而言則將其設(shè)置為自由邊界的形式?；贏NSYS有限元軟件分析可以得知，無論是圍巖、錨桿還是鋼支撐等結(jié)構(gòu)，其均需要遵循D-p屈服準則。在進行模擬分析時，圍巖設(shè)置為Plane42單元、關(guān)于噴射混凝土環(huán)節(jié)則將其設(shè)置為Beam3單元、此外諸如錨桿以及鋼支撐等結(jié)構(gòu)則采用Linkl單元模擬的方式。

2.2  數(shù)值模擬方案

在本文所探討的工程項目中，所提出的方法均需要遵循上述圖1、2、3所給的開挖順序進行模擬分析。

2.3  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，具體又體現(xiàn)在拱頂下沉以及地表沉降兩方面。對此，本文則以這兩大指標為對象進行分析，所得到的結(jié)果（見表1）。此外，還對所提出的三種方法所對應(yīng)的錨桿軸力狀態(tài)進行了分析，所得的結(jié)果（見表2）。

表1 位移計算結(jié)果

施工方法 拱頂下沉（mm） 地表沉降（mm）

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法 5.11 4.40

臺階分布臨時支撐法 15.50 12.70

臺階臨時支撐+部分雙側(cè)壁法 10.70 7.45

表2錨桿軸力最大值對比分析

開挖工況 施工方法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（KN） 臺階分布臨時支撐法（KN ） 臺階臨時支撐+部分雙側(cè)壁法（KN）

左上部圍巖開挖和支護完成 3.931 5.620 4.601

中下部核心土開挖開始前 4.857 6.941 5.854

斷面開挖完成和鋪筑仰拱后 6.380 7.962 6.913

   對上述結(jié)果進行分析可以得知：

1)關(guān)于改進后的方法二，這種多技術(shù)綜合的方式可以大幅縮減施工工序，此時圍巖的擾動次數(shù)得到了良好的控制，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性。因此，只要嚴格遵循施工原則進行，所得到的效果不亞于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

2)經(jīng)改進后的方法二，其所帶來的錨桿軸力得到了良好的控制，為了進一步驗證方法的可行性，工程人員對錨桿承載力進行了全面檢測，結(jié)果表明其達到了工程所提出的標準，在施工中具有足夠的安全性。

3)基于改進后的方法二，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。

基于上述分析可以得知，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，此時可以充分顧及到工期、成本等多方面因素，其可行性較佳。

3  施工優(yōu)化與效果

3.1  施工優(yōu)化

出于全面控制隧道拱頂下沉以及地表沉降現(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，最終選定為改進后的方法二進行施工，即以臺階臨時支撐為基礎(chǔ)，綜合引入了雙側(cè)壁法進行施工。在施工過程中密切關(guān)注開挖進尺、掌子面距離等各項性能指標；應(yīng)盡早做好開挖面封閉工作；當獲得足夠的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，相關(guān)人員便可以在此基礎(chǔ)上對工藝參數(shù)做以調(diào)整。

3.2  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，可以創(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，無論是在成本、效率等方面均滿足工程所提出的要求。當采用此方式后，所節(jié)省的施工成本達到了650萬元之多，相比傳統(tǒng)方式而言提前125d完工，整體來說效益性良好。

4  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。

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