地铁车站站台暗挖隧道下穿城市快速路的施工力学分析

张 庆

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

近年来，我国地下铁道建设方兴未艾，而随着城市建设与交通需求的不断增长，城市地下空间的开发利用不断深化，新建地铁工程经常面临着大跨度、浅埋深、穿越城市道路、建筑物密集区等种种不利的情况［1］－［3］。其中，地铁车站站台隧道下穿城市公路的情况尤为典型。

地铁车站站台隧道通常采用暗挖法施工，隧道断面较大、间距较小，无论从围岩稳定性、支护结构的复杂程度还是从城市环境保护角度看，施工难度都相当大［4、5］。鉴此，本文采用数值计算方法对成都地铁2号线一期工程站东广场站站台暗挖隧道下穿车流量特别大的城市公路时的影响进行研究，进而提出了保障既有城市公路正常运营和新建隧道安全施工的方法与监测手段，可为今后类似工程设计和施工提供参考。

1 工程概况

成都地铁2号线站东广场站位于成都市三环路东五段与规划道路的十字交叉路口下方，呈东、西向布置，为地下三层三跨明暗结合岛式站台车站。车站站台暗挖隧道横穿三环路，为两个断面高为9.3 m，宽为9.4 m的马蹄形隧道，单条隧道长80 m，暗挖段总宽度为23.78 m。隧道与车站的空间关系如图1所示。

隧道穿越土层主要为含卵石黏土、含黏土卵石、泥岩及局部粉砂，采用CRD暗挖法施工。共分为四个小导洞，上部两个小导洞采用台阶法加预留核心土法进行开挖，下部两个小导洞采用全断面法开挖。隧道初期支护形式为超前大管棚+超前小导管+350 mm厚C25网喷混凝土的复合衬砌，二衬结构为450 mm厚C30现浇钢筋混凝土结构，隧道衬砌断面见图2。

图2 暗挖隧道衬砌断面图

2 模型建立及参数选取

根据该隧道的具体情况，选取计算范围为:上部至地表，下部至隧道仰拱以下50 m，左右各取50 m，隧道埋深为14.3 m，隧道净距4.6 m，其计算模型见图3。

图3 计算模型

计算模型中，喷射混凝土初期支护采用梁单元予以模拟，对于表中围岩管棚超前加固区的支护效果采用提高围岩物理力学参数的方法来实现的。考虑到围岩加固效果受诸多因素影响，鉴于目前国内外对于该方面研究资料也较为缺乏，故此，本文在参考已有资料的基础上，将预加固区围岩参数中的弹模及粘聚力大幅提高［6］，计算选用的材料物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数指标

计算采用平面应变弹塑性本构模型、Mohr－Coulomb准则和相关联流动法则，通过设置不同开挖步模拟隧道开挖阶段，并以对各开挖步在不同荷载增量步加设锚喷支护或衬砌结构来模拟支护施作时机的影响，由此达到对隧道开挖施工过程的模拟［7］。

针对CRD法，选择了3种不同的施工步骤，以确定最优化施工步骤，为便于比较，3种方案均采用左、右洞同时施作的方式。方案A为先每洞均为从内侧而外侧施作;方案B为由外侧而内侧施作;方案C为由上而下施作，具体步骤如图4所示。

图4 不同施工步骤示意图

3 计算结果分析

3.1 城市公路路面沉降分析

施工开挖顺序不同，对上伏城市公路的影响也不甚同，从各施工方案得到的地表沉降曲线(图5)可见，隧道开挖引起的地表横向沉降槽曲线呈典型的正态曲线形状，且离隧道中心越远，受到的影响越小。三种施工方案中，采用方案A开挖，引起的公路路面沉降值最小，为15.95 mm，方案C次之，为18.77 mm，方案 B最大，为34.79 mm，为方案 C的2.18倍。

图5 不同施工方案下路面最终沉降

从三种方案最大沉降量的变化情况(图6)可知，方案A与方案C施工引起的最终的路面沉降差异并不大，先内侧后外侧的开挖方式要略优于先外侧后内侧的方式。而较之方案A与方案C，方案B的路面沉降成倍增加，其原因在于方案B先上侧后下侧的开挖方式使开挖范围形成大跨度的空腔，易于造成拱顶的围岩变形与沉降。

图6 不同施工方案下路面沉降的变化

选取沉降较小的方案A，考察施工过程中公路路面的沉降情况，如图7所示。可见，随着开挖过程的推进，路面的最大沉降量与沉降槽宽度都在不断增加。右洞左半侧开挖完成后，路面最大沉降出现在中间略偏于右洞上方，量值为4.12 mm;随着左洞右半断面开挖完成，其产生的沉降槽与已形成的沉降槽叠加，造成路面最大沉降发生了向左的偏移，其量值为6.96 mm。而当左洞与右洞继续开挖，沉降槽又继续叠加，造成沉降槽的形态再次出现了较大变化，路面最大沉降随之发生了两次偏移，且沉降值大幅提升。

图7 方案A施工中路面沉降情况

3.2 支护结构受力分析

对于具有大断面、小近距属性的车站站台隧道而言，施工过程的差异除了造成路面沉降的显著变化外，还将引起支护结构受力的差异。

三种施工方案下，支护结构的弯矩与轴力分布图如图8所示。可见，由于开挖顺序不同，支护结构的弯矩分布差异较为明显，方案A与方案C的最大正弯矩均出现于拱顶，最大负弯矩均出现于拱脚处，而方案B最大正弯矩均出现于拱腰，而最大负弯矩出现于拱肩处。从量值上看，方案A最大负弯矩位于右洞拱脚，达－198.21 kN·m，最大正弯矩位于右洞拱顶，为28.63 kN·m，方案B最大负弯矩位于左洞拱肩，达－198.35 kN·m，最大正弯矩位于右洞拱底，为29.33 kN·m，方案C最大负弯矩位于右洞拱脚，量值为－81.02 kN·m，最大正弯矩位于左洞拱顶，为43.92 kN·m。

从三种方案支护结构的轴力分布情况可见，开挖顺序对于支护结构轴力的影响也较显著。相比之下，方案B的轴力较之方案A与方案C分布更为不均匀，而方案A与方案C无论从分布形态或量值上都更为接近。从量值上看，方案A最大轴力位于右洞拱腰，达847.68 kN，最小轴力位于左洞拱顶，为134.75 kN;方案B最大轴力位于左洞拱肩，达973.51 kN·m，最小轴力位于右洞拱底，为90.89 kN·m;方案C最大轴力位于右洞拱肩，量值为566.25 kN，最小轴力位于左洞拱底，为142.9 kN。

图8 不同施工方案下支护结构内力雷达图

从总体受力情况来看，方案B的弯矩明显大于方案A与方案C，而轴力的分布十分不均匀，为较差的施工方案，而方案A弯矩相对较小，轴力分布较为均匀，为优选的施工方案。

4 结论

本文以成都地铁2号线站东广场站站台暗挖隧道为例，研究了在不同施工工序下，隧道下穿高速公路对高速公路路面沉降的影响以及支护结构受力的变化情况，得出以下几点有益结论。

(1)对于具有大断面、小近距属性的车站站台隧道而言，不同的施工工序将造成路面沉降的显著差异。从路面沉降控制的角度看来，先内侧后外侧的开挖方式要略优于先外侧后内侧的方式，而先上侧后下侧的开挖方式使开挖范围形成大跨度的空腔，易于造成拱顶的围岩变形与沉降。

(2)从支护结构受力的角度看来，不同的施工过程同样将引发支护结构受力的差异，相比之下，先上侧后下侧的开挖方式将使支护结构受力不利，而先内侧后外侧的开挖方式要略优于先外侧后内侧的方式。

［1］何川，苏宗贤，曾东洋.地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响［J］.土木工程学报，2008，41(3):91－98

［2］张海波，殷宗泽，朱俊高.近距离叠交隧道盾构施工对老隧道影响的数值模拟［J］.岩土力学，2005(2):282－286

［3］张志强，何川.地铁盾构隧道近接桩基的施工力学行为研究［J］.铁道学报，2003，25(1):92－95

［4］李强，王明年，李德才，等.地铁车站暗挖隧道施工对既有桩基的影响［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(1):184－190

［5］朱泽兵，刘新荣，张永兴.大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(2):290－295

［6］李志业，曾艳华.地下结构设计原理与方法［M］.成都:西南交通大学出版社，2003

［7］朱合华，丁文其.地下结构施工过程的动态仿真模拟分析［J］.岩石力学与工程学报，1999，18(5):558–562