地铁大断面浅埋暗挖偏压隧道设计与施工方案比选

康立鹏

（深圳市市政设计研究院有限公司 深圳518000）

目前，我国大城市轨道交通工程在缓解城市地面交通，引导城市发展，改善城市居住环境方面作出了重要贡献［1-3］。轨道交通土建工程优先考虑明挖法或盾构法施工，由于线路设置、地表环境、地质条件等原因，部分地段需采用矿山法施工，其中大断面浅埋暗挖隧道由于覆土浅、断面大、机械化程度低等原因，存在施工难度大、风险高的问题［4-7］。

本文依托深圳地铁某停车场出入场线隧道，采用有限元模拟、方案对比等手段对工法选择、洞门形式、临时支护拆除与二次衬砌施工方案进行研究。结论可以为类似地层的大断面浅埋暗挖偏压隧道提供参考。

1 工程概况

图1 总平面Fig.1 General Plan

纵断面如图2 所示，顶部覆土高度为0～28 m，东侧洞口主要地层为全、强风化花岗岩，隧道进洞后主要穿越地层为中、微风化花岗岩，该段隧道断面大、地质差、偏压严重。

图2 地质纵断面Fig.2 Geological Profile（m）

2 大断面浅埋隧道设计方案比选

2.1 洞口偏压段设计方案比选

隧道东侧洞口段（长度10.0 m）偏压严重，一侧覆土17.1 m，一侧覆土仅2.9 m，大偏压可能导致初期支护收敛变形较大，喷射混凝土开裂、鼓包、局部剥落，衬砌开裂等情况［8-9］。矿山法方案断面如图3所示，明挖方案断面如图4所示。

图3 洞口偏压隧道横断面Fig.3 Bias Tunnel Cross Section at Entrance （m）

图4 洞口偏压隧道明洞方案设计Fig.4 Bias Pressure Tunnel Open Tunnel Plan Design at Entrance （m）

为分析矿山法与明挖法隧道结构受力，针对2 种设计方案进行有限元计算分析，采用地层-结构法进行建模，计算模型如图5所示。

图5 偏压隧道有限元计算模型Fig.5 Finite Element Calculation Model of Biased Tunnel

采用矿山法的轴力、弯矩如图6所示，衬砌最大轴力、弯矩分别为-460 kN（受压）、1 760 kN·m，图7为采用明挖法的轴力、弯矩；衬砌最大轴力、弯矩分别为-1 280 kN（受压）、1 310 kN·m。

图6 偏压隧道矿山法二次衬砌轴力及弯矩Fig.6 Axial Force and Bending Moment of secondary Lining of Bias Tunnel Mining Method

图7 偏压隧道明挖二次衬砌轴力及弯矩Fig.7 Axial Force and Bending Moment of Secondary Lining of Open-cut Tunnel under Bias Pressure

明挖法方案中衬砌最大轴力为矿山法的2.8 倍，最大弯矩为矿山法的0.74 倍，较大的轴力与较小的弯矩明显有利于二次衬砌发挥混凝土的抗压性能，对衬砌永久受力有利，因此，洞口浅埋暗挖偏压严重段采用明挖方案。

2.2 进洞后设计方案比选

隧道进洞距离南坪快速路更近，该段长度为80 m，同样存在明挖法和矿山法2 种方案，均会对南坪快速路存在一定的不利影响，为尽量减少对南坪快速路的不利影响，针对2 种工法对南坪快速路的影响进行有限元分析计算，明挖法采用对位移控制更有利的桩孔桩+预应力锚索方案，计算模型如图8 所示，明挖法施工引起的路基位移如图9 所示，矿山法施工引起的路基位移如图10所示。

图8 有限元计算模型Fig.8 Finite Element Calculation Model

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

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

从图9、图10可知明挖法、矿山法开挖引起南坪快速路最大位移分别为15.5 mm、8.5 mm，明挖法开挖引起的路基位移约为矿山法的2 倍；同时矿山法无需改迁地面公路设备；因此，进洞后80 m 大断面隧道选择对公路路基影响小，无需设备迁改的矿山法。

3 隧道洞门方案比选

隧道作为一种隐秘性工程，洞门是唯一外露部分，从功能上来说，洞门通常具有3 种作用：①防护作用，即承担背后的岩土压力，防止背后落石影响洞口行车；②调光功能，可以缓和洞内与洞外的光线差异给人带来的不适；③景观功能，即协调洞门与周边的景观，缓解驾驶疲劳及进入暗部空间的紧张感［10］。常用的洞门形式有2 种，端墙式洞门和突出式洞门［11］。本隧道洞门选型对比如下：

根据终端水价的定义和计算方法可知，影响用水成本和用水量的因素均对终端水价的测算产生影响。项目区3个农民用水者协会的管辖范围，由于灌溉条件、灌溉方式、工程状况、水源工程供水方式等不同，终端水价存在着差异。桃花山镇农民用水者协会管辖范围为山区地形，有提水灌溉和自流灌溉两种供水方式，由于提水灌溉成本高于自流灌溉，因此需要分别计算提水灌溉和自流灌溉终端水价。调关镇农民用水者协会和东升镇农民用水者协会控制范围为丘陵区，水源供水方式为提水灌溉，由于山区提水泵站扬程高、流量低，而丘陵地区提水泵站扬程低、流量大，运行成本存在着差异，因此有必要对山区和丘陵区的提灌终端水价分别计算。

⑴防护作用，端墙式洞门由于洞门端墙凸起较高，能更有效地防止背后落石。

⑵调光功能与景观功能，突出式洞门具有更好的调光与景观功能，但地铁车辆进出停车场速度较慢，且没有乘客，突出式洞门的调光和景观功能对于地铁意义不大。

⑶洞门受力，洞门位于停车场咽喉区，端墙式洞门明洞短，突出式洞门明洞长，端墙式洞门净宽17.7 m，由于洞门靠近停车场咽喉区，线路呈喇叭形式，突出式洞门明洞加长后，洞门宽度更大，达20.7 m，比端墙式洞门宽3 m，不利于结构受力。

通过上述对比可知，端墙式洞门的防护作用、洞门受力均优于突出式洞门，突出式洞门的优势仅在于调光和景观功能较好，但调光和景观功能对于地铁隧道的意义并不大，因此，本出入场线隧道洞门选择端墙式洞门。

4 临时支撑拆除与衬砌施工方案

本段矿山法隧道设计方案为双侧壁法施工，初期支护与临时支护施工完成后，需要分步拆除临时支撑及施工二次衬砌，需要采用大量的临时支撑，施工步骤如图11所示。

图11 临时支撑拆除与二次衬砌施工工序Fig.11 Temporary Support Removal and Secondary Lining Construction Procedures

上述分步开挖工序虽然结构受力较安全，但存在一系列问题，如工序繁杂带来的效率低下，分步施工带来的二次衬砌质量差、防水效果差［12］，现场隧道衬砌施工约10 m后，按该工序施工的混凝土和防水效果不理想，施工进度落后于预期，需研究新的二次衬砌施工工法，考虑到进洞10 m后隧道开挖揭露开挖面地质均为中、微风化花岗岩，拱顶位移与净空收敛监测值较小，经比选研究提出“一次拆除临时支撑+二次衬砌一次成环”的方案，单次拆除临时支撑长度为6 m，施工衬砌长度为5 m，为保证临时支撑拆除后的结构安全，采取以下措施：

⑴进行有限元计算分析，分析中、微风化花岗岩层中一次性拆除临时支撑，二次衬砌一次成环的结构受力，有限元模型如图12 所示，临时支撑一次性拆除后初期支护最终位移如图13所示，隧道拱顶最大沉降20.9 mm，隧底隆起最大为9.1 mm，净空收敛最大为17.8 mm，均处于安全范围。

图12 有限元模型Fig.12 Finite Element Model

图13 初期支护位移Fig.13 Initial Support Displacement（mm）

⑵加强隧道拱顶沉降、净空收敛、地表位移的沉降监测，隧道临时支撑一次性拆除后，监测频率由1次/d调整为2次/d，一旦发现监测值超警戒值或有突然增大的趋势，立马架设临时型钢支撑。

⑶临时支撑拆除后，围岩的变形通常具有一定的时空效应，若二衬施工时间太长，容易出现围岩变形过大，拱顶的下沉甚至塌方［13］，为保证隧道安全，要求在临时支撑拆除后，尽快施工二次衬砌，若由于其它原因暂停施工，应事先架设临时支撑。

通过上述一系列措施，最终二次衬砌施工采用“一次拆除临时支撑+二次衬砌一次成环”的方案顺利完成。

5 结论

⑴隧道洞口10 m 范围存在严重偏压，经方案比选，采用明挖法施工的二次衬砌最大轴力（压力）约为矿山法的2.8 倍，最大弯矩约为矿山法的0.74 倍，更有利于发挥混凝土的抗压性能，对衬砌永久受力有利，该段采用明挖方案。

⑵隧道进洞后80 m 大断面隧道，采用明挖法、矿山法开挖引起南坪快速路最大位移分别为15.5 mm、8.5 mm，矿山法方案更有利于对周边环境的影响，采用矿山法方案。

⑶地铁出入场线隧道洞门形式建议优先考虑防护功能更好的端墙式洞门。

⑷在中、微风化样中施工大断面隧道衬砌时，可考虑一次性拆除纵向一定长度的全部临时支撑，衬砌一次施工成型，施工中应提高监测频率。