黄土地区地铁竖井转横通暗挖施工稳定性的探究

王晓飞WANG Xiao-fei；程林CHENG Lin

（中国建筑第二工程局有限公司，西安 710199）

0 引言

竖井是地铁区间隧道首要完成的分项工程，地铁属于城市地下工程，为避免对城市交通及人们出行造成影响，通常采用对地上活动影响较小的暗挖或盖挖施工方法，在这其中，竖井转横通道是后续车站或区间隧道施工的关键工序[1]。目前，地铁暗挖竖井转横通道主要采取“先竖井后横通”及“竖井-横通并行”两种施工方案，“先竖井后横通”施工方案中，施工人员需要先竖井封底，随后在井内搭建施工平台进行横通施工；“竖井-横通并行”施工方案中，施工人员需要先进行竖井施工，达到封底标高时搭建临时平台进行横通道施工，横通道施工至预定位置后完成竖井剩余部分施工。本文依托西安15 号线神舟二路站工程，分析黄土地层中不同施工方案对竖井-横通道整体结构、地表沉降、地层受力及形变特征进行分析，并针对这些情况提出相应措施，以提升施工稳定性。

1 工程概况

西安15 号线神舟二路站位于东长安街与神舟二路十字路口，主要沿东长安街东西向敷设于路中绿化带内，因此轨面埋深47.5m，车站采用明挖基坑+分离岛站采用暗挖隧道的施工方法，主要通过D15XZ-SZZ-034 桩号处设置的竖井通过横通道施工。车站站厅层形式为地下两层三柱四跨框架结构，明挖基坑总长136.4m，标准断面宽度为36.4m，基坑开挖深度约为19.9m；站台层为地下一层隧道分离岛式车站，站台暗挖隧道总长度167.2m，标准尺寸为10.2m（宽）×10.87m（高），拱顶埋深39.3m；盾构端头井段开挖宽度12.05m，开挖高度11.37m；覆土深度约39.0m。

工程区间车站施工，西北侧为烟草公司及家属小区，周边规划以商业用地、工业用地和公共绿地为主，施工地区地貌单元属黄土塬，车站主体拟建场地地势开阔，地形平坦，勘探点地面高程约499.29～502.19m，最大高差约2.90m。根据地质勘察资料，拟建工程场地在勘探深度90m范围内，即竖井和通道覆盖层主要为第四系堆积物，即由杂填土（Q4ml），新黄土（Q3eol）、老黄土（Q2eol）、残积（Q2el）古土壤等互层组成。工程中竖井支护主要采用超前小导管、格栅钢架、钢筋网、竖向连接筋及喷混凝土；横通道支护主要采用大管棚、超前小导管、格栅钢架、钢筋网、竖向连接筋、喷混凝土、二次衬砌。

2 竖井转横通施工方案稳定性比较

2.1 施工方案比较

施工方案一“先竖井后横通”，竖井与横通交叉段施工共有五个施工工序：①竖井锁口段施工，需要开挖锁口段，设置井壁支护和安全栅栏、安全门；②竖井井身施工，井身施工采用倒挂井壁法，施工重点在于井壁支护结构的设置，可采用格栅钢架网喷C25 混凝土进行施工作业；③井底施工，可采用C30 混凝土进行封底，注意井底结构面低于横通道结构；④马头门施工，完成竖井封底施工后，搭建施工平台开展马头门破除作业，随后采用钢格栅+混凝土的方式设置临时仰拱[2]；⑤横通道施工，采用台阶法进行施工，上台阶进尺5 至8m 后将马头门下台阶混凝土破除，采用钢格栅+喷射混凝土的方式进行支护，随后同时开展横通道上下台阶施工。

施工方案二“竖井-横通并行”，锁口段施工与方案一相同；井身施工至横通道上台阶处停止开挖，开展临时封闭施工；对马头门段进行超前支护，随后破除马头门进行横通道上台阶施工；上台阶进尺4.00m 后并行开展剩余竖井段和下台阶施工，完成后将竖井井底永久性封底；重复上述施工工序将横通道开挖至主线位置，转入马头门施工[3]。

2.2 施工方案稳定性分析

根据该工程具体施工条件，对竖井转横通道进行施工模拟分析，将地层转化为均值水平的层状分布，地层岩土体采用Mohr-Column 本构模型。竖井转横通道计算分析模型中，X、Y 方向的尺寸分别为66.00m 和36.00m，共划分单元数43802，并预先设置好X、Y 方向的平动自由度，结合勘察资料（如，杂填土、新黄土、老黄土、支护等重量、模量、摩擦角、厚度、粘聚力等）建立施工模拟数值模型（见图1），依照施工步骤进行模拟实验，最终得出相应结果。

图1 竖井转横通道施工模拟分析模型

根据模拟结果分析稳定性可知：

①地层沉降特性：两种施工方案引发的地层沉降基本一致，方案一最大沉降为14.60mm，方案二最大沉降为14.80mm，地表变形均呈现椭圆状，其中最大变形位于锁口圈梁地表，最大形变量为15.00m。

②竖井支护结果稳定性分析：两种施工方案竖井支护结构均处于受力情况，不同受力方向最大变形量不同，但变形位置均靠近马头门方向，方案一在X、Y、Z 方向上最大形变量为17.48mm、26.82mm、38.15mm，方案二在X、Y、Z 方向上最大形变量为13.65mm、23.10mm、38.35mm，方案二相较于方案一在X、Y 方向最大变形量降低，但在Z 方向上高于方案一。对竖井支护结构最大受力情况进行分析，在靠近马头门拱肩标高内侧井壁区域，方案一的大主应力为1.216.00kPa、最大剪应力为10618.21kPa，方案二的大主应力为8746.61kPa、最大剪应力为8539.54kPa（具体见表1），相较于方案一，方案二的大主应力和最大剪应力分别减少了14.358%、19.57%，很大程度上降低了支护结构承受的压力，改善了支护结构受力情况。

表1 竖井最大受力参数对比表（单位：kPa）

③横通道支护结构稳定性分析：两种施工方案横通道支护结构均处于整体受压情况，对不同方案下竖井不同方向位移情况分析可知，方案一在X、Y、Z 方向上最大形变量为17.48mm、17.31mm、25.73mm，最大变形位置距离马头门2m 的横通拱底；方案二在X、Y、Z 方向上最大形变量为13.65mm、12.97mm、26.74mm，最大变形位置位于距离马头门12m 的横通拱腰，分析可知，距离马头门位置越近，竖井与横通道交叉部位施工稳定性越差。

④马头门支护结构稳定性分析：根据上文分析，在两种施工方案下，收敛变形最大的位置为马头门拱腰处竖井两侧井壁，对不同施工步骤该区域收敛变形情况进行模拟可知，竖井施工至18.00m 处时，竖井收敛变形急剧上升；在进行竖井开挖至横通道上台阶标高处时，方案二竖井收敛变形几乎不变；到横通道上台阶开挖至6m 时，收敛变形持续增大，最高可达44.94m；方案一收敛变形最大值则为52.28m，增加了14.03%。对横通道距离马头门2.00m 的拱底位置进行变形对比分析可知，当竖井施工深度至3.00m 时，拱底逐渐出现隆起变形，且对着施工工序开展，隆起程度逐渐增加，在这种情况下，两种施工方案隆起变化基本一致，变形值差距较小。同时，对马头门处最大剪应力分布情况进行对比分析，方案二最大剪应力为8539.54kPa，方案一最大剪应力为9377.90kPa，方案二最大剪应力相较方案一小了近10%。由此可知，方案二横通道横向最大变形值可减少63.49%，相较于方案一无论竖井、横通道结构支护受力与变形均能得到又有效的控制，但是，在马头门位置、竖井及横通道交叉等施工危险区域，需要加强施工把控，加强马头门破除前竖井及横通道周围土体加固及支护强度，保障该应力集中部位的稳定性，确保施工有序开展。

2.3 施工方案稳定性比较

由上文可知，“先竖井后横通”及“竖井-横通并行”均是目前国内地铁暗挖竖井转横通普遍应用的两种施工方案，均有大量施工实例和成熟施工体系。结合大量工程实践和西安15 号线神舟二路站工程可知，采用“先竖井后横通”施工方案，竖井与横通道交叉段马头门施工稳定性较强，但整体施工工序较为复杂，施工工期长，危险性较大，竖井封底必须达到一定强度后才能搭设作业平台进行马头门破除作业；完成横通道上台阶支护后需要将作业平台拆除后才能进行下台阶的施工，工序间干扰较大，整体过程较为繁琐，平台搭建和拆除需要花费大量时间，且危险性较高[4-5]。

采用“竖井-横通并行”施工方案，施工至横通道上台阶位置就进行临时封底，开展上台阶施工支护，推进4m后将临时封底拆除，并行开展下台阶施工，整个施工过程无需搭建作业平台，可以直接在临时封底上进行上台阶施工，施工过程较为简便，花费时间较短，且避免了高空作业带来的危险[6]。同时，施工方案二对方案一施工工序进行了优化，去除了作业平台搭设这一工序，有效缩短了施工时间，提升了施工作业的安全性。两种施工方案在竖井和横通道机构的变形和力学响应存在差异，需要依据实际施工情况和工程要求采用有限元软件进行对比分析，确定具体应力和形变特性，选择最为适宜的施工方案。结合上文模拟试验分析结果，施工方案二相较施工方案一无论在竖井支护还是横通道支护，支护结构均有多改善，施工稳定性更强。

3 黄土地区地铁竖井转横通暗挖施工及现场监测

3.1 “竖井-横通并行”施工

西安15 号线神舟二路站根据建议采用“竖井-横通并行”施工方案进行施工，基于有限元数值分析和现场实际情况，可确定施工工序大致为竖井锁口段施工、井身施工、马头门横通道的上台阶施工、竖井剩余部分及横通道下台阶施工、横通道的台阶法施工、竖井剩余部分及横通道下台阶施工、正线马头门施工。考虑到该区域横通道位于残积（Q2el）古土壤＜4-2-2-1＞、老黄土（Q2eol）＜4-1-2-1＞层中，该古土壤层厚为1.90～5.30m、层底深度为38.40～49.70m，层底高程为450.30～462.52m，为棕红色心红褐色硬塑土质均匀，属于中压缩性土，与老黄土互层，且局部夹杂老黄土薄层；老黄土层厚为1.20～9.60m、层底深度为35.00～57.80m，层底高程为442.76～466.26m，以粉质黏土为主，为褐黄色，可塑，土质均匀，含有少量结核及蜗牛壳碎片，属于中压缩性土，位于水位以下，与古土壤互层。该区域各土层天然含水量较为稳定，物理性质指标稳定，且土体直立性好，结构强度较高，固结成岩程度大，区间竖井断面小，对竖井及横通道并行施工十分有利。

因此，竖井支护主要采用超前小导管（Φ42×3.5，L=2m/3.5m，钢花管）、格栅钢架（C25，C14）、钢筋网（Φ8150×150mm）、竖向连接筋（C22）及喷混凝土（C25），支护安全系数高。为简化施工工序，加快施工进度，采取竖井-横通并行施工优化方案，在竖井开挖至马头门位置时，设置加强型钢钢架，并进行30cm 的素喷C25 混凝土砼封底后转入横通道进行施工。在横通道施工时，要重点把控马头门的施工，在上文数值分析中，马头门受力复杂，为确保施工安全稳定，需要在破除马头门前的换撑处置中，在横通道上台阶开挖部分设置Ⅰ20 型钢进行临时支护，并在进洞后拆除。横通道的支护也是保障施工稳定性的关键，如在进行横通道顶部施作超前小导管时，采用Φ42×3.5，L=4m的小导管结合超前注浆的方式，对横通道地层进行加固，并在注浆结束后破除马头门时，先后设置Ⅰ20 型钢架3榀，喷射C25 砼后完成支护。除此之外，横通道支护还增加了大管棚（Φ108×6）和二次衬砌（C35 防水钢筋混凝土，抗渗等级p10），进一步加强了支护强度。

此外，在“竖井-横通并行”施工中，为保障施工流程有序开展，还需要严格控制相关技术要点，具体包括以下几点：①在进行竖井锁扣圈梁施工时，需要提前完成周边管线调查和改迁等工作，才能进行竖井井段口施工和基槽开挖；②该工程属于黄土地层，地质情况较为复杂，需要避免采用全断面开挖作业方式，采取分块、分侧，边挖边支护的人工开挖方式，每次开挖进尺0.50m；③在竖井井壁土方分侧、分块开挖过程中，同样需要采取边开挖边支护的方式，每次开挖一段，检查净空合格后先喷射40mm 砼进行封闭，再挂上钢筋（Φ6.5＠150×150mm）焊接而成的钢筋网，之后再开展格栅钢架施工，补喷C25 混凝土至400mm；④在进行永久封底施工时，需要设置井壁临时爬梯等施工辅助装置，并且采用Ⅰ20a 工字钢（间隔0.50m）和网喷C25 砼（厚度350mm）进行封底。

3.2 施工现场监测

施工现场监测是确保黄土地区地铁竖井转横通暗挖施工安全性的重要措施，通常在竖井及横通道拱顶位置设置若干监测点，对施工引发的地表沉降和横通道拱顶沉降情况进行实时监测，共设置5 组，每组间隔5.00m。根据某一施工工序地表沉降及横通道拱顶沉降监测数据可知，针对地表沉降数值，施工导致的地表最大沉降约为10.00mm，远低于建设规范要求的30.00mm 控制值；针对地下水位较低的黄土层或者降水情况下的黄土层，施工导致的沉降数值较小；针对横通道拱顶变形情况，马头门区域沉降数值变化较大，距离马头门区域越远，拱顶沉降量越小，但整体实际测量情况略高于有限元模拟测量结果。

对比分析实际测量情况和模拟分析结果，其地表沉降位置与数值大致相同，但在实际测量中，马头门拱顶变形朝向临空面，模拟结果变形朝向地表抬升，但综合结果分析，“竖井-横通并行”施工方案无论在模拟分析还是实际测量中，地表、竖井及横通道变形均在规定控制范围内，因此，在黄土地区地铁竖井转横通暗挖施工中，采用“竖井-横通并行”施工方案更加经济可行，稳定性也更高。

4 结束语

综上所述，在西安15 号线神舟二路站施工中采用“竖井-横通并行”施工方案，结合试验分析结果和现场施工实际情况，严格控制施工流程和技术要点，如在竖井井身段采用明挖逆做的人工开挖方式，由上至下，每开挖0.50m进行支护作业，并基于黄土地层特征，采用分侧、分块的开挖方式，避免全断面开挖，确保竖井开挖高效稳定开展。同时，加强施工现场安全监测，对竖井转横通施工引发的地面沉降和拱顶沉降进行全过程24 小时跟踪监测，每间隔5m 设置监测点，实时了解沉降变化数值，并采取相关处理措施，保障施工和地层稳定。