南宁半成岩地层明暗挖地铁车站关键技术及数值分析

罗文静， 邹成路

(广州地铁设计研究院股份有限公司， 广东 广州 510010)

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，地铁车站修建常常会遇到周边环境复杂(下穿地面建筑物、河流、重要管线、城市主干道等)而无法采用全明挖或全盖挖施工，采用大断面暗挖方法又有可能面临水文地质条件差、工程风险过高的问题。明暗挖地铁车站具有灵活性高、对周边环境适应性好、风险可控的优点，在国内已有较多的应用实例。例如： 文献[1]针对国内各类型式的明暗挖地铁车站提出了一些看法和体会；文献[2]以广州地铁5号线小北站为例，对线路两端或中间不具备明挖条件的地铁车站施工，提出了“分离暗挖站厅隧道”的概念；文献[3]针对广州市轨道交通6号线首期工程的复杂地段，因地制宜、创新地提出了有9种不同形式的明暗结合方式；文献[4]针对地铁明暗挖施工车站过程控制要点及措施进行了分析；文献[5]以广州地铁6号线一德路站、海珠广场站为工程背景，对2个车站进行了设计分析，采用站台与站厅分离的建筑布置方式解决了复杂条件下的地铁设站问题。从以上研究可知，目前大多研究是从建筑使用功能的角度对明暗挖地铁车站各类设计形式进行探讨，对于从结构专业角度深入分析的研究较少，因此，有必要对明暗挖地铁车站中结构设计存在的问题进行分析。

广西南宁半成岩地层成岩时代较新，固结程度弱，其泥岩层大多含有亲水矿物，具有一定的膨胀性，而粉砂岩层具有遇水软化崩解的特性[6]。这容易引起隧道施工中的塌方、大变形和突水、涌砂等现象，给工程带来了较大的风险[7-8]。如何在半成岩地层中修建隧道是一个难题，在半成岩中修建明暗挖地铁车站更是一项挑战。本文依托南宁青秀山站对半成岩地层中明暗挖地铁车站修建过程中遇到的关键问题进行深入探讨，并提出了解决问题的方法。以期研究结果为类似工程案例的设计和施工提供有益参考。

1 工程概况

青秀山站位于青山路与凤岭南路交叉路口以东，横跨凤岭南路布置，中心里程处轨面埋深约为52 m。车站西南侧为在建英华路—青山路立交，北侧为八角楼(4层)及金汇如意坊(仿古牌坊)等低层餐饮商业建筑，西侧为秀山花园小区(8层)，南侧为青秀山风景区(5A级风景区)。车站总平面见图1。

综合考虑地块可实施条件、工程风险、消防疏散、工程造价、对客流的吸引等因素的影响，最终确定采用明暗挖相结合的方案施工车站。站厅层采用明挖3层结构(局部4层)，站台层采用暗挖法，左右线站台通过横通道连接，站台层与站厅层通过斜扶梯通道相连接，如图2所示。站厅层与站台层采用4个小竖井相连接。左、右线站台隧道毛洞跨度为10.9 m，高度为10.05 m；横通道毛洞跨度为11 m，高度为9.3 m；斜扶梯通道高度为13.8 m，跨度为11 m。斜扶梯通道与正线隧道的最小水平净距为3.45 m，站台层隧道与明挖站厅层竖向净距约为18.7 m。

图1 车站总平面图

图2 车站三维模型视图

2 工程地质与水文情况

2.1 工程地质情况

根据南宁市轨道交通3号线青秀山站岩土工程详细勘察报告，车站范围内岩土从上至下依次为： 表层为素填土①2；中部为硬塑土、坚硬土、半岩半土的泥岩、粉砂质泥岩⑦1-3；下部为粉砂岩以及粉细砂岩⑦2-3。工程地质剖面如图3所示。

图3 工程地质剖面图

洞身地层泥质粉砂岩层为第三纪古近系岩层，属于极软岩，具有风干易散、开裂、局部地层遇水软化崩解的特性，极易发生隧道施工坍塌，钻孔深度40～50 m的岩石芯样见图4。

图4 钻孔深度40～50 m的岩石芯样

2.2 水文情况

车站工程影响范围内的地下水主要为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水。勘察测量稳定水位埋深为36 m，建议承压水头标高按高程82 m计算，位于隧道顶以上16 m，地下水水位年变化幅度为2～5 m。站台层隧道均处于地下水位以下，洞身地层为弱透水地层，渗透系数为0.8～1.0 m/d。地下水将对围岩稳定性产生较大影响，给工程带来较大风险。

3 结构设计关键技术问题

虽然国内在明暗挖地铁车站施工方面已经积累了一些经验，但作为在半成岩地区首座明暗挖相结合、埋深最大、结构体系最复杂的车站，本站建设依然面临着诸多难题。

3.1 半成岩地层围岩加固方案

车站所处地层主要为泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩以及粉细砂岩。泥岩层(⑦1-3)主要矿物成分为伊利石、高岭石和绿泥石等，水平层理构造，沉积时代较新，固结程度弱，成岩作用差，具有一定的膨胀性。粉砂岩层(⑦2-3)呈半岩半土状，局部含泥质，厚层状构造，天然状态下单轴抗压强度为0.79～2.00 MPa，属于极软岩，且风干易散、开裂，局部地层遇水软化崩解。由此可见，隧道所处围岩掌子面不能自稳，容易发生松弛、坍塌。因此，开挖前需要提前对隧道围岩进行处理，可采用全断面帷幕注浆、冷冻法、水平旋喷桩、降水等方法。合理有效的围岩提前处理措施是车站施工能否顺利实施的关键。

3.2 隧道群近接施工相互影响

车站站厅、站台的分离式布设致使站台层隧道结构繁多，上下行线及其横通道、站台站厅联络通道共同形成了一个复杂的隧道群体系。左右线隧道、横通道、斜扶梯通道、竖井均属于近接工程，新建工程将引起近接结构的围岩应力多次重分布，对前序已经施工的结构产生一定的影响。因此，如何确定合适的施工工序，在整个建设过程中非常重要。

3.3 隧道三岔口的节点处理

本车站存在大量交叉口的节点，站台主隧道与横通道、横通道与斜扶梯通道、站台隧道与竖井均存在相贯的问题，如图5所示。不论对于永久结构受力，还是隧道开挖过程中，交叉节点都是尤为关键的问题。

图5 暗挖结构的交叉口节点示意图

3.4 暗挖隧道与明挖车站的相互影响

本站左右线站台隧道、横通道及2#斜扶梯通道均位于明挖站厅层正下方，如图2所示。施工顺序有2种方案： 1)先施工暗挖隧道群，明挖基坑开挖(卸载)则可能引起主隧道产生偏压效应； 2)先施工明挖站厅结构，则主隧道开挖有可能造成已建成明挖站厅结构出现不均匀沉降，造成结构产生裂缝危及永久结构的使用。根据工期和工程筹划的合理性，并经过计算分析最终确定选择第2种方案。

4 解决方案

4.1 半成岩地层的群井降水技术

设计初期，评审专家对结构方案进行多次审查，认为在第三系岩层中降水难度可能很大，容易出现成井困难、渗透性低、抽水困难、含砂率高等问题，建议将重点放在注浆加固上，例如全断面WSS注浆等。但经过后期对地层的深入认识(遇水没有瞬间崩解)及抽水试验结果，并考虑到降水存在工效高、工程造价相对较低等优点，项目组再次展开了半成岩地层降水技术的研究。

4.1.1 降水试验

通过单井抽水及群井抽水2种试验获得地层的竖向和横向水力联系。根据群井抽水井及观测井数据资料，采用三维渗流有限差分软件Visual MODFLOW 4.2反演求取相关水文地质参数，保持抽水量和过滤器长度不变，反演得到储水率S、渗透系数K，结果见表1。数值模拟群井抽水降深与实测得到的降深变化基本一致(见图6)，满足工程精度要求。

表1 水文地质参数反演结果

图6数值模拟群井抽水降深与实测降深对比

Fig. 6 Comparison between simulated drawdown depth and measured one

4.1.2 降水方案

根据参数反演结果，采用MODFLOW建立有限差分模型对降水井的位置进行反复演算。计算模型尺寸为3 000 m×3 000 m×80 m(长×宽×高)，见图7。模拟期为3 d，将整个模拟期划分为9个计算周期，在每个计算周期中，所有外部源汇项的强度保持不变。设计降深为25 m，将水位降至隧道拱顶以下0.5 m。

经过反复模拟计算，最终确定的降水井平面间距为10～15 m，共布设79口降水井，其中，明挖站厅基坑内降水井兼作基坑开挖所需降水井。

图7 降水计算模型网格图

另外，由单井及群井水位恢复试验结果(见图8)显示： 在停止抽水后，短时期内水位恢复较快，群井在390 min之内可恢复10%，而单井则在40 min之内即可恢复达14%。所以，工程现场需要确保连续供电，应当预备备用发电机，切换时间建议控制在4 h以内。

(a) 单井抽水水位恢复比例

(b) 群井抽水水位恢复比例

Fig. 8 Recovery ratio of water level in single well pumping and group well pumping

4.1.3 降水效果

通过群井降水，隧道围岩的稳定性得到了大幅度提高。由围岩物理力学参数试验显示，降水前粉砂岩⑦2-3摩擦角为30°，黏聚力为60 kPa； 降水后摩擦角提高为40°，黏聚力提高为600～1 000 kPa。降水后，隧道掌子面可自稳(见图9)，无需进行超前帷幕注浆，取得了良好的经济效益，同时可以适当对隧道的开挖工法进行优化。另外，降水引起车站周边建筑物的沉降均小于15 mm，满足规范要求。

图9 降水后隧道掌子面

4.2 隧道群洞效应及交叉节点的处理措施

为了充分降低车站修建过程中的工程风险，采用有限元数值分析的方法对隧道的开挖工序进行了多方案比选，最终确定了相互影响最小的施工工序及支护参数。

4.2.1 参数反演

岩土体的弹性模量常常是影响数值计算的关键参数。在整体模型计算前，利用小断面的施工横通道监测数据对弹性模量进行反演(见图10)，确定计算输入的弹性模量为勘察报告中所提供的压缩模量的70倍。

图10 弹性模量参数反演

4.2.2 数值模拟分析

建立三维数值模拟计算模型(见图11)，为避免边界效应，隧道周边土体尺寸按4倍洞经考虑，则建立的模型长150 m，宽140 m，高100 m。

(a) 整体模型(b) 隧道结构模型

经过多方案比选并结合现场的实际情况确定了开挖步序： ①明挖站厅层开挖并施工站厅结构—②左线隧道开挖—③横通道开挖—④右线隧道开挖—施作左右线隧道及横通道的二次衬砌—⑤斜扶梯通道开挖—⑥小竖井开挖。隧道开挖方法采用CD法，开挖进尺为1 m，台阶长度为4 m，初期支护闭合成环，距离掌子面16 m。

以围岩位移为参考指标对各工序进行分析，各施工步序对应的围岩最大竖向位移如图12所示。左线隧道开挖后隧道拱顶的位移为4.6 mm，横通道进洞后隧道拱顶位移增大为10.3 mm，增大了约124%，其影响范围约为2倍的隧道洞径；待横通道开挖完成后，拱顶位移增大为13.4 mm，相对横通道进洞时又增大了约30%；右线隧道开挖完成后，最大位移增大为16.4 mm，相对上一工序增大了约22%；斜扶梯通道和竖井开挖完成后，位移为18.4 mm，相对上一工序增大了约12%，增加幅度较小。虽然斜扶梯通道开挖对交叉口及左右线变形的绝对值影响较小，但对横通道结构影响较大，横通道标准断面的位移由9 mm增大至18 mm，使得3处交叉口引起的围岩位移较大范围相互联结，导致整个横通道上方处于变形较大的状态。竖向位移云图见图13。

图12 围岩拱顶最大竖向位移

Fig. 12 Variation of maximum vertical displacement of surrounding rock

(a) 左右线隧道开挖完成后竖向位移云图

(b) 竖井开挖完成后竖向位移云图

从支护结构受力的角度进行分析。在交叉口位置，支护结构呈现双向受弯及双向受拉压三维空间受力状态，尤其是拱顶和仰拱出现较大的拉力，初期支护最大拉力达到1 674 kN，站台隧道初期支护受拉范围约为2倍横通道洞跨，见图14(a)。其次，与斜扶梯通道和正线隧道交叉的横通道二次衬砌结构整个拱顶和仰拱均呈现受拉状态，最大拉力达到1 381 kN，见图14(b)。因此，不论对于初期支护还是二次衬砌结构，在隧道相贯的交叉口位置必须加强支护结构设计。

4.2.3 工程措施

根据数值分析结果，针对车站暗挖站台层隧道群的开挖时序设置了以下几点原则： 1)横通道距离左线隧道开挖面大于1倍隧道洞径后方可开挖； 2)明挖站厅位置的斜扶梯通道需要待下方正线及横通道二次衬砌完成后方可施工; 3)连接站厅与站台的小竖井最后施工。最终确定的施工工序见图15。

图15 施工工序图

针对隧道三岔口处围岩变形大、支护结构呈现轴向受拉的情况，对隧道支护措施进行加强设计，主要包括以下几个方面：

1)加强正线隧道及横通道的格栅钢架主筋，其中横通道主筋采用4E32钢筋。同时，将格栅钢架的纵向连接筋直径由22 mm提高至28 mm，环向间距由1 m减小至0.5 m，增强钢架的整体性。

2)对横通道进洞钢架进行密排，密排数量不少于4榀，间距为400 mm。

3)横通道进洞前需打设φ108 mm的超前大管棚。

4)为了保证永久结构的安全，适当加大横通道的衬砌厚度及相应的配筋，本站横通道三岔口处衬砌厚度设计为900 mm。

4.3 暗挖隧道群对明挖结构的影响分析

针对项目工期的需求，需要研究基坑开挖完成后明挖结构与站台隧道群是否可以同步施工的问题。本文采用三维数值模拟的方式，对实际工序条件下的结构受力及变形进行分析，计算时考虑明挖结构施工时已搭设满堂脚手架(采用临时隔墙模拟)。

计算结果表明： 1)从位移角度来看，站台层隧道群开挖引起的明挖结构底板最大位移约为4.6 mm，见图16，满足规范要求。2)从结构受力的角度来看，结构底板的受力影响较小。开挖前后结构底板弯矩云图如图17所示。暗挖隧道开挖前，底板最大外侧弯矩为3 208 kN·m，最大内侧弯矩为2 211 kN·m，开挖后最大的外侧弯矩为3 422 kN·m，最大内侧弯矩为2 143 kN·m，内力变化小于10%。因此，在明挖结构施工完成后再开挖下部结构在理论上是可行的。

图16 明挖结构竖向位移云图(单位： m)

Fig. 16 Nephogram of vertical displacement of open-cut structure (unit: m)

(a) 开挖前

(b) 开挖后

Fig. 17 Nephograms of bottom structure before and after the mined tunnel excavation (unit: kN·m)

5 监测情况

施工过程中严格按照设计方案进行施工，未出现安全事故，各项监测数据也在合理范围内，其中,横通道与正线交叉口处拱顶沉降最大值为11.7 mm，横通道与斜扶梯通道交叉口处最大竖向位移为12.9 mm，见图18。虽然监测得到的拱顶沉降位移与数值模拟结果存在一定的差别(可能与实际监测过程中监测点的埋设稍晚，支护已经发生了部分变形有关)，但基本的变形规律与数值模拟结果一致。

(a) 横通道

(b) 斜扶梯通道

Fig. 18 Settlement monitoring curves of crown of transverse passage and ramp passage (in 2017)

6 结论与体会

本文结合南宁地铁3号线青秀山站对半成岩地层明暗挖地铁车站修建中的几个关键问题进行了分析及研究，得到以下几点结论：

1)半成岩地层隧道施工采用群井降水可以保证隧道顺利开挖并获得良好的经济效益。由于地层存在较厚的泥岩层，降水对周边建筑物的影响较小。降水的设计参数可根据设计降深、施工实际情况及降水效果进行适当调整，本站采用的降水井平面间距为10～15 m。施工期间应保证降水井连续抽水，间断时长不宜小于4 h。

2)暗挖站台隧道群的开挖需要严格控制施工时序。原则上，横通道距离正线隧道开挖面大于1倍隧道洞径后方可开挖，并建议在横通道二次衬砌结构达到设计强度后开挖斜扶梯通道。

3)在隧道相贯的交叉口位置，应适当加强支护结构设计，尤其是在隧道纵向上。加强设计范围为2倍横通道洞径，横通道进洞前应进行超前支护施工，必要时打设超前管棚。

4)先施工站厅层明挖结构、后施工站台层暗挖隧道群是可行的，但应提前计算分析并加强相关监测。

隧道三岔口问题属于近接工程问题，当在同一区域开挖多个隧道时，由于多个隧道的开挖引起围岩应力多次重新分布，隧道的围岩压力已不能再按常规的单洞隧道进行计算。实际设计过程中，对于初期支护，可采用地层结构法结合现场监测的方式对支护的安全度进行评价；然而对于二次衬砌结构，规范只允许采用荷载结构法进行分析，这时围岩压力的取值就很关键。因此，对群洞隧道的荷载，不能简单照搬规范计算，需要综合多种因素确定。建议结合工程类比法，采用地层结构法对塌落拱高度进行反算得到土压力，同时考虑水土分算及合算2种工况。