双侧壁导坑法施工大断面地铁车站中隔墙岩柱开挖稳定性分析及施工关键技术

崔振东

(中交隧道工程局有限公司， 北京 100102)

双侧壁导坑法施工大断面地铁车站中隔墙岩柱开挖稳定性分析及施工关键技术

崔振东

(中交隧道工程局有限公司， 北京 100102)

为了便于盾构过站施工连续，保证施工安全，以重庆轨道交通环线上桥车站工程为依托，对双侧导洞先行贯通、中隔墙后续开挖的双侧壁导坑工法进行分析，并研究临时中隔墙岩柱开挖的稳定性和加固措施，形成临时中隔墙岩柱开挖的施工关键技术。分析结果表明，在双侧导洞贯通后、中隔墙岩柱开挖前，隧道已经发生较大的拱顶沉降和收敛变形。为保证中隔墙岩柱开挖的稳定性和控制隧道变形，先对隧道及中隔墙进行加固，然后采用分台阶开挖施工。中隔墙拱部采用锁脚锚杆和增加中隔墙临时支撑体系刚度有助于改善初期支护的受力模式和控制隧道的收敛变形。

双侧壁导坑法； 大断面中隔墙； 稳定性； 数值模拟； 施工控制

Abstract: A special double-side-drift method, of which the double-side drifts are completed before the excavation of intermediate diaphragm wall, is analyzed so as to guarantee continuous and safe shield construction by taking Shangqiao Station of loop line of Chongqing Metro for example. The excavation stability of rock column of temporary intermediate diaphragm wall and reinforcing technology are discussed and key construction technologies for rock column excavation of temporary intermediate diaphragm wall are proposed. The analytical results show that large settlement and convergence had occurred to tunnel crown top before the excavation of rock column of temporary intermediate diaphragm wall. In order to guarantee the excavation of rock column of temporary intermediate diaphragm wall and control the deformation of tunnel, the rock column of temporary intermediate diaphragm wall and the tunnel are reinforced; and bench method is adopted. The forcing mode of primary support can be improved and the tunnel convergence can be controlled by using foot-lock anchor bolt at arch of intermediate diaphragm wall around the crown and increasing the stiffness of temporary support system of intermediate diaphragm wall.

Keywords: double-side-drift method; large cross-section intermediate diaphragm wall; stability; numerical simulation; construction control

0 引言

受城市交通及环境保护的限制，部分城市地铁车站需采用浅埋暗挖法施工，如复兴门折返线工程采用正台阶法施工[1]，北京10号线工体北路站采用洞注法施工[2]，重庆临江门车站采用双侧壁导坑法施工[3]。相比明(盖)挖法施工，浅埋暗挖法占用的施工场地少，几乎不影响路面交通，拆迁和防护工作量小，并且震动噪音小，易于控制地表沉降，开工快，造价低[4]。

双侧壁导坑法是浅埋暗挖法中安全性最突出的施工工法，其能够很好地控制围岩的变形，常用于围岩差、断面跨度大、地表沉降控制要求严格的隧道。王志等[5]通过三维数值模拟分析并结合实际工程，指出双侧壁导坑法对路面及隧道拱顶的沉降有较好的控制作用。高峰等[6]分析了支护封闭快慢对双侧壁导坑法施工隧道的稳定性影响，建议施工中应尽量缩短各开挖面的距离，使支护尽快封闭。谢旭强等[7]通过弹塑性数值模拟探明了双侧壁导坑法施工过程中的围岩深部位移和衬砌结构的受力特性。金威等[8]通过模型试验研究了大跨度隧道开挖对围岩应力场和位移场的影响规律。郑康成等[9]给出了开挖卸荷压力拱的判别准则。由于双侧壁导坑法施工工序多，施工组织复杂，文献[10-12]对其开挖和支护的施工顺序进行了优化研究，并结合具体工程，提出最佳的施工方案。

上述研究对典型双侧壁导坑法的施工稳定性和衬砌受力进行了探索，但未对特殊工序的双侧壁导坑法进行研究，如由于施工工期和区间隧道的限制，要求盾构先行过站，导致两侧导坑必须先行施工贯通并且在相邻区间隧道贯通后再实施中隔墙岩柱的开挖施工。在这种施工顺序下，隧道初期支护结构不能及时成型，中隔墙长期存在；同时双侧洞收敛变形较大，中隔墙的开挖施工难度也较大，并且是整个施工工法的关键工序，因而需对其稳定性和施工力学转换规律进行研究。本文依托重庆轨道交通环线工程上桥车站，对双侧导洞先行贯通、中隔墙后续开挖的双侧壁导坑施工工法进行分析，重点探索中隔墙的稳定性及其开挖施工力学特征。

1 工程概况

重庆轨道交通环线工程上桥车站位于重庆市沙坪坝区凤中路正下方，大致呈南北走向，南接重庆西站，北接凤鸣山站。车站东侧为科能技校和上桥二村，西侧为新桥街道办事处和西环高速路。对车站施工影响较大的控制因素有： 2条燃气管线，1栋4层砌体结构(与车站结构最小水平间距为6.16 m)。

上桥车站隧道全长206 m，车站为地下2层标准岛式结构，站台宽12 m。车站主体为单洞双线标准暗挖隧道，采用双侧壁导坑法施工，初期支护采用喷锚支护，二次衬砌采用C40、P12模筑钢筋混凝土。车站内部线路以直线为主，大里程端局部为曲线。标准断面开挖宽度为23.54 m，开挖高度为20.76 m，开挖面积约430 m2，为超大断面隧道，如图1所示。拱顶埋深12.10～20.52 m，为浅埋隧道，局部为超浅埋隧道[13]。

车站隧道围岩为砂质泥岩夹砂岩，围岩基本级别为Ⅳ级，地下水状态为Ⅰ级，修正后围岩级别为Ⅳ级。场地内岩土层节理较为发育，地质状况不良，多为软弱岩层，且遇水软化现象较为突出。隧道开挖扰动范围内的岩层分布相对均匀，且近似呈水平状延伸[14]。

图1 车站标准断面示意图(单位： m)

由于环线施工工期的安排，要求盾构先行通过上桥车站，因此车站隧道施工时，双侧导洞先行贯通并布设供盾构通过的临时垫层，如图1所示。双侧导洞的跨度为7.97 m，中隔墙岩柱的厚度为6.90 m。为了控制双侧导洞的水平收敛变形，施加2道临时无缝钢管支撑。双侧导洞施工完成后的车站平面如图2所示。待临近区间隧道贯通后，开始中隔墙的开挖，并紧跟施作二次衬砌。由于中隔墙存在时间长达1年，导致初期支护不能及时成拱，不能很好地利用围岩的自承能力，从而导致隧道的收敛变形较大，同时围岩的流变特性也会进一步增大收敛变形； 因此，需对中隔墙长期存在引起的隧道稳定性和中隔墙的开挖施工工序进行专题研究，以保证隧道的成功开挖。

2 中隔墙岩柱开挖稳定性分析

2.1 几何模型构建及参数选取

选取上桥车站隧道的典型断面，建立有限元模型并划分网格，如图3所示。计算采用平面应变假定，并通过调整荷载释放系数来反映上桥站三维空间的影响。模型的尺寸为235 m×142 m，隧道的拱顶埋深为17 m。为了模拟超前小导管和注浆的影响，在隧道开挖边界外设置了4 m厚的等效加固层。围岩和等效加固层均采用Drucker-Prager本构模型模拟，其余材料均假定为弹性材料，且初期支护采用梁单元、临时支撑采用杆单元模拟。虽然围岩具有明显的流变性，但是本文着重分析中隔墙岩柱开挖过程的稳定性，其施工周期相对较短，因此计算中未考虑围岩的流变特征。

依据地勘资料[14]和JTG D70—2004《公路隧道设计规范》[15]规定，选取模型参数如表1所示。模型的上表面为自由边界，其余3个边界均约束其垂直向的位移。计算不考虑地下水的影响。

图2 双侧导洞贯通后的车站平面示意图(单位： m)

图3 有限元模型

表1 计算模型参数

2.2 中隔墙岩柱开挖前的状态评估

双侧导坑施工完毕后，中隔墙岩柱的水平变形和剪应力云图如图4所示。双侧导坑的水平收敛变形几乎成对称性分布，最大水平变形为0.8 mm，位于双侧导坑竖向的中间部位，如图4(a)所示。中隔墙岩柱因受双侧导坑开挖的卸荷扰动，出现了向坑内的挤出变形。在应力方面，由于竖向应力基本保持不变，而水平应力因开挖卸荷，导致中隔墙岩柱剪应力增大，使其应力状态逼近破坏状态线，中隔墙岩柱的稳定性降低； 但其最大剪应力约为800 kPa，小于围岩的黏聚力，表明中隔墙岩柱尚处于稳定状态。

(a) 水平变形(单位： mm)

(b) 剪应力分布(单位： kPa)

围岩一般具有流变性，在应力稳定状态下，其变形随时间不断增大，因而拱顶沉降和洞径收敛变形也将在双侧导坑贯通后不断发展，进一步降低中隔墙的稳定性。在中隔墙岩柱开挖前，监测数据表明拱顶的最大沉降为29.3 mm，超过了预警值(24 mm)； 最大地表沉降为50.81 mm，超过了预警值(24 mm)的2倍； 最大洞径水平收敛变形为5.8 mm，约为预警值的36%。

综上可知，虽然计算结果表明中隔墙处于稳定状态，但由于围岩的流变特性，中隔墙的稳定性逐渐降低，在中隔墙开挖前，已经引起了较大的拱顶沉降和地表沉降； 因此，为保护隧道周边的环境，必须制定合理的中隔墙岩柱开挖工序，确保掌子面的稳定和隧道结构的及时成环，进而严格控制中隔墙岩柱开挖引起的再次扰动。

2.3 中隔墙岩柱开挖工序比选

中隔墙高19 m、宽6.9 m，采用爆破开挖方法的扰动控制难度大。为了确保中隔墙的稳定和拱顶初期支护的及时施作，需采用台阶法施工同时配合不同的辅助支撑和加固措施。在考虑施工设备和开挖效率的基础上，对中隔墙开挖工序和辅助工法的不同组合形式(见表2)进行分析，得出较优的中隔墙开挖施工组织方式。

表2 计算工况统计表

由于分析时采用二维有限元计算，不能较好地考虑隧道分台阶开挖引起的纵向空间效应，所以数值结果仅从趋势上给出了不同开挖工序和辅助工法对整个施工过程的影响。隧道贯通后， 4种工况下的变形趋势规律相似。工况1因采用1步开挖，荷载快速释放而初期支护未能及时施作，所以其变形最大。工况4因同时采取临时横向支撑和锁脚锚杆，增强了临时支撑体系的刚度和围岩的自承能力，所以其变形最小，如图5所示。隧道的整体变形沿隧道轴向呈左右对称。最大水平变形出现在隧道拱肩以下位置，因为此处的初期支护近似呈直线分布，且跨度较大。最大沉降变形出现在拱顶位置，最大隆起变形出现在隧道底部跨中位置，且隆起变形大于沉降变形，这与初期支护的起拱角度有关。

中隔墙临时支撑和锁脚锚杆的施作对临时支撑的轴力以及初期支护在中隔墙边界处的剪力影响较大，如图6所示。当采用分步开挖时，中隔墙处的初期支护结构能够及时施作，既能使初期支护及时成型发挥其承载能力，也能提高围岩的自承能力； 因此，中隔墙边界处的剪力在分步开挖时有减小趋势。当施作锁脚锚杆时，围岩的部分压力将通过锚杆传递到深部岩体，进一步降低此处初期支护的剪力，见图6。中隔墙岩柱开挖时施作临时支撑，能够增加整个临时支撑体系的刚度，有利于进一步控制围岩的收敛变形，但这也导致临时支撑(左侧导洞上侧支撑、中隔墙临时支撑)轴力的增大。下部临时支撑由于距离中隔墙临时支撑较远，刚度较弱，出现了支撑轴力下降的趋势。综上所述，增加锁脚锚杆和中隔墙临时支撑有助于提高中隔墙开挖的稳定性，控制隧道的收敛变形，改善衬砌的受力形式。

(a) 水平变形(单位： mm)

(b) 沉降(单位： mm)

3 中隔墙岩柱开挖施工关键技术

3.1 中隔墙岩柱开挖施工前的加固措施

监测数据表明： 在中隔墙岩柱开挖前隧道已发生较大的拱顶沉降和洞周收敛变形，从而可能导致双侧导坑的钢架在中隔墙岩柱开挖后不在同一里程上，致使拱顶钢架架设及钢架成环的难度较大。另外，临时钢管横撑拆除后，会导致围岩应力的重分布，洞径收敛将进一步增加，甚至导致双侧导坑初期支护的破坏。在中隔墙岩柱开挖前，须对其及双侧导坑进行加固以控制其开挖引起的二次扰动，并结合第2节数值分析结果，制定以下加固措施。

图6不同工况下临时支撑的轴力和中隔墙顶处初期支护的剪力结果

Fig. 6 Simulation results of axial force of temporary supports and shear force of primary support at top of intermediate diaphragm wall in different calculation cases

1)为控制钢架成环时的连接质量并改善初期支护的受力形式，施工时在车站拱部核心土范围内格栅钢架连接处增加锁脚锚杆。

2)为防止临时支撑拆除后侧壁收敛进一步加大，在临时横撑拆除前， 2侧壁增加长锚杆进行侧壁加固。

3)为保证仰拱开挖及浇筑过程的稳定性，仰拱部位用初期支护(钢架及喷射混凝土)封闭成环。

3.2 中隔墙开挖施工工序

依据第2节的分析，上桥车站大断面中隔墙开挖采用4步台阶法施工，如图7所示。

(a) 横断面(单位： mm)

(b) 纵断面(单位： m)

Fig. 7 Construction sequence of intermediate diaphragm wall and secondary lining

上台阶高5.0 m，每循环进尺1～2榀拱架，采用预裂爆破配合机械开挖。上台阶开挖前需施作超前注浆小导管，开挖后及时利用简易开挖台架施作拱部初期支护，使初期支护及时封闭成环，同时施作拱部径向加长锚杆，靠近上台阶底部施加临时横撑。开挖进尺不大于10 m。

下部14 m中隔墙岩柱分3层开挖，采用松动爆破开挖，每层开挖高度从上到下依次为4、5、5 m，每循环长度不大于9 m。第1层开挖时拆除第1道临时型钢横撑及以上临时支护，爆破渣土采用上台阶挖掘机清理，2层间挖掘机走行采用栈桥。为确保栈桥的稳定性，按照挖掘机的行走质量(27 t)，并考虑1.1的安全系数进行栈桥稳定性设计，同时在挖掘机上下行走时，借助挖掘机的挖掘臂支撑增加栈桥的稳定性。第2、3层开挖时拆除第2道横撑，渣土采用底层挖掘机清理，层间走行采用渣土支垫的斜坡上下。第1层和第2层开挖后及时在形成的端墙上打设纵向锚杆进行加固，锚杆长度从上到下依次变短。

下部第3层开挖后进行仰拱部分开挖，及时施作综合接地、垫层、仰拱及填充层，保证仰拱与上台阶掌子面间的距离不大于35 m(综合考虑施工步距要求、各台阶施工空间及稳定性要求以及尽快封闭初期支护、施工二次衬砌等因素)。二次衬砌紧跟仰拱填充施工，满足一模二次衬砌长度(7.5 m)后即施作二次衬砌拱墙。

具体的施工步骤如图7(a)所示：

1)φ42 mm超前小导管施工；

2)核心土上台阶1开挖，施工该部初期支护(系统锚杆、钢架、钢筋网、喷射混凝土)，初期支护封闭成环，安装横撑②；

3)核心土下部第1层2(高4.0 m)开挖，打设端墙锚杆，拆除临时支护③及临时支撑②、④；

4)核心土下部第2层3(高5.0 m)开挖，拆除该段临时支护及临时支撑⑤；

5)核心土下部第3层4(高5.0 m)开挖，拆除该段临时支护⑥；

6)先左后右分段开挖仰拱，施作综合接地、垫层、防水工程；

7)仰拱施工；

8)二次衬砌钢筋、防水层施工及混凝土浇筑。

3.3 施工效果评价

中隔墙岩柱开挖过程以及初期支护成环后的现场效果如图8所示。采用4台阶分步开挖，在有效保证工程施工进度的基础上，很好地控制了中隔墙的稳定性，未出现局部滑移及拱顶塌落现象。拱部锁脚锚杆有效地保证了格栅钢架的传力体系，增加了初期支护的刚度，很好地控制了围岩的收敛变形。中隔墙施加临时钢支撑不仅增加了临时支撑体系的稳定性，也有利于进一步控制洞周的收敛变形。监测数据表明，在整个中隔墙岩柱开挖过程中，拱顶沉降、洞周收敛变形以及地表沉降均得到了良好的控制，其中隧道中部水平收敛变形不超过11 mm(约为预警值的68%)，新增沉降不超过10 mm，这表明所采用施工工序和辅助加固措施的有效性，可以为类似工程提供借鉴。

图8 施工过程及效果

4 结论与建议

本文依托上桥车站工程，对双侧壁导坑法施工大断面地铁车站中隔墙开挖稳定性和施工工序及配套辅助措施进行了研究。结果表明： 为保证中隔墙岩柱开挖的稳定性和控制隧道变形，须先对隧道及中隔墙进行加固，然后采用分台阶开挖施工。中隔墙拱部采用锁脚锚杆和增加中隔墙临时支撑体系刚度有助于改善初期支护的受力模式和控制隧道的收敛变形。鉴于两侧导坑侧墙局部变形问题，还应提前考虑对导坑支护加强施工设计管理，以控制过大变形的发生。

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StabilityAnalysisofExcavationofIntermediateDiaphragmWallinLargeCross-sectionMetroStationConstructedbyDouble-side-driftMethodandItsKeyTechnologies

CUI Zhendong

(CCCCTunnelEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100102,China)

U 45

B

1672-741X(2017)09-1140-06

2017-03-30;

2017-07-06

崔振东(1971—)，男，黑龙江嫩江人，1994年毕业于中国地质大学(武汉)，地质学专业，硕士，高级工程师，主要从事地铁、隧道与地下工程施工技术管理。E-mail： cuizhendong2000@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.012