设置地下存车线的地铁区间大断面暗挖的顺挖技术研究

黄爱军

（上海市城市建设设计研究总院，200125，上海∥高级工程师）

随着城市地铁线网建设规模的不断扩大，地铁区间设置停车折返线、渡线等段的浅埋暗挖、大跨、变断面隧道施工案例逐渐增多。例如，北京地铁复八线的王府井—东单区间隧道、深圳地铁1号线的大剧院—科学馆区间、南京地铁1号线的南京站—东井亭区间等。但在以往工程中，设置地下存车线的渡线段隧道一般选择由标准断面的横通道切入（见图1），施工中常常需要由小断面扩挖到大断面，存在爬坡扩挖、破壁进洞、反序施工等多种不利工况。如何快速、顺利进入变断面和大跨渡线地段施工，减少施工工序，优化体系转换，实现施工工序的连续等，仍然值得探讨和研究。

本文针对地铁地下存车线的渡线段暗挖施工中竖井横通道进行分析，通过在渡线中部设置高断面的横通道，可统一从大断面向小断面施工，避免顺扩、反扩工序，减少并优化了暗挖法施工中结构体系的转换。

1 工程实例

1.1 工程项目概况

北京地铁某区间隧道设置有停车折返线1条及渡线，位于管网密布的城市主干道下方，是一个结构复杂的洞群工程。该区间隧道的暗挖施工是通过竖井和横通道进行的。

竖井自上而下穿过的地层为：人工堆积层（填土层①）；第四纪全新冲洪积层（粉土层③、粉质黏土层④、粉土层④1、粉细砂层④3），第四纪晚更新冲洪积层（粉质黏土层⑥、卵石圆砾层⑦、粉质黏土和黏土层⑧、卵石圆砾层⑨、粉质黏土和黏土层⑩）。横通道和区间正线开挖断面位于粉细砂层、粉质黏土层、粉土层，其稳定性很差。在竖井施工范围内存在四层地下水，分为上层滞水、潜水、第一层承压水和第二层承压水，横通道和正洞的顶部位于第一层承压水所处的中细砂层，开挖时极易出现流沙现象。因此，开挖前必须提前进行降水，把地下水位降低到开挖面以下0.5m。

1.2 反挖方案

此类工程，常规由标准断面横通道切入正线施工［1］（见图1（a）中阴影部分）。其中，右线施工需采取由小断面以1∶2坡度的喇叭口方式扩挖到大断面；右线标准断面转入大跨断面施工更是需要采用小导洞扩挖、再反挖的施工工艺。在此反挖方案施工中，断面转换多，临时支护量大，断面转换时受力体系转换十分复杂。在渡线范围内由小断面或标准断面扩挖到大断面是工程的难点，需要采用爬坡反挖工法。这种二次扩挖施工在同一地段形成对土体的多次扰动，对初期支护结构的受力转换和土体变形的控制均十分不利。从北京地铁采用该工法的经验来看［2］，地表沉降量均超过了80mm。

图1 存车线渡线段反挖、顺挖方案施工示意图

1.3 顺挖方案

为避免由小断面向大断面开挖，选择在最大断面处设置横通道，即将竖井横通道设置于渡线中部位置，其平面布置见图1（b）。相比图1（a）方案，原连拱隧道段断面虽略有增加，开挖尺寸（宽×高）为15.7m×11.6m，但减少了中洞法施工，同时避免了由双侧壁导坑向中洞法施工的转换。最主要的是，在该处设置横通道后，区间隧道施工全部由大断面向小断面施工，工序简单明了，工序转换简便，避免了暗挖施工中风险较大的顺扩、反扩等不利工况，使得施工中的受力体系转换得到了极大的优化。这就是本文提出的顺挖方案。

2 顺挖方案要点分析

在渡线中段设置横通道，使施工全部由大断面向小断面进行，避免了扩挖、反挖等不利工序。但同时也带来了高断面横通道、横通道两侧结构不对称等不利条件。暗挖施工在结构断面变化处的施工工序不连续、步骤多、结构受力发生多次转换、土体受到多次扰动、沉降量难以控制等［3］，历来就是地下工程施工的难点。采用顺挖方案时需要对结构工序转换处进行重点分析。

2.1 高断面横通道的分步开挖

由于横通道两侧均为大断面正线隧道，横通道设计高度必须保证正洞破口在直边墙上完成。经优化后，横通道的断面尺寸（宽×高）为5.7m×14.64m，是典型的高断面结构。

设计中考虑为减少结构受力的转换次数，首先竖井一次开挖到底，竖井筑底后将高断面的横通道“化大为小”分导洞开挖，并通过设置较大刚度的导洞间的临时中隔板，以减小开马头门期间的应力集中。其施工步骤见图2。

图2 高断面横通道分导洞施工顺序

考虑到横通道开挖将破除竖井的环向格栅，使初期支护在横通道断面范围内不能封闭成环，在很大程度上减弱了竖井的初期支护强度，并对围岩的稳定构成很大威胁。利用通用有限元软件ANSYS进行了模拟开挖分析，其分析模型见图3。与开标准马头门做对比分析，可得到以下结论：

1）马头门外侧需要保留不少于500mm厚的初期支护，并在两侧各增设竖向连接筋作为加强措施，形成马头门的加强暗柱。该暗柱应有足够的能力以承担两侧侧墙的土压力。

2）通过上下导洞间设置足够刚度的初支隔板（型钢混凝土），可以减小高断面马头门对竖井的影响。通过对比分析可知，图2中3个导洞的高断面马头门与标准断面马头门相比，竖井及暗柱内力仅增大10%。

图3 高断面横通道有限元模型

2.2 不对称开挖的高断面横通道二次衬砌结构实施

横通道两侧区间为不对称结构，施工期间两侧荷载不平衡，且正线马头门破除后正线间残余的初衬结构宽度很小。经有限元模拟（分析模型见图4）可知，初期支护结构会发生扭曲而导致失稳。为保证施工安全，考虑在横通道二次衬砌施工完成后再开正洞马头门。

图4 高断面横通道两侧不对称开挖有限元模型

高断面横通道施工初期支护时设置的两道临时中隔板会影响由横通道向正线的施工。二次衬砌施工时由于要先进行防水板铺设，必须拆除初期支护中隔板，造成结构受力发生多次转换，必然引起较大的内力重分布。这对横通道的两侧高侧墙受力极为不利。拆除时不慎可能造成土体再次扰动产生位移，甚至造成结构破坏及土体坍塌。

为此，二次衬砌施工时由下依次向上施工，并预留正线开洞孔口，依次架设二次衬砌隔板后拆除初支中隔板，共设置三道二衬隔板。在正线限界范围外设置上下两道二衬隔板代替初期支护中隔板；由于正线断面较大，左线采用双侧壁导坑法施工，右线采用台阶法施工，并结合正线施工临时中隔板位置设置临时二衬隔板，以确保二次衬砌实施期间及正线开洞门的安全。具体设置位置见图5。

图5 高断面横通道内利用二衬隔板替换初支中隔板

通过结合正洞施工的临时中隔板设置临时二衬隔板，大大减小了正洞施工前初支侧墙的高度，保证了预留正洞孔口处初支的稳定；同时可以将正洞施工所引起的偏压受力传递到横通道的另一侧边墙，确保高断面的横通道在正洞施工期间不会发生失稳和破坏。在正洞施工完成后，方可拆除临时二衬隔板。

2.3 正线施工顺序及洞口异型环梁设置

渡线段左右洞断面大小差别较大，根据模拟计算分析［4］，先开挖大洞后开挖小洞比先开挖小洞后开挖大洞对地表影响稍小，但差别不明显，仅减少2%～5%。而小洞先行施工可以进一步确定大洞的地质情况，为大洞施工方法的选择提供依据；同时，小洞先行施工也有利于掌握大洞的水文地质条件。

正线进洞时需要拆除横通道两侧的格栅，需要有可靠的结构承担横通道拱顶的土压力，否则将对横通道的安全构成很大的威胁。由于含存车线的正线断面较大，跨度为15.6m，直接设置大断面的加固环梁，其构件尺寸较大，考虑到正洞采用双侧壁导坑法施工，可结合施工的临时中隔板、中隔壁设置眼睛型的洞口环梁，以减小环梁高度，达到减小横通道侧面直墙高度，并可使得正洞施工横通道两侧的不平衡土压力通过临时中隔板传递。施工期间环梁布置及开挖工序见图6。

图6 施工期间环梁布置及开挖工序图

由横通道向正洞开挖时，割除格栅后横通道拱顶的土压力传递到洞口加固环梁上，以保证结构安全，减小地面沉降。永久使用阶段，通过在接口部位设置较大刚度的二衬环梁，使横通道顶部的荷载传递到二衬环梁。

2.4 结构的抗震措施

多年来，地下结构一直被认为是抗震、减震性能比较优越的工程建筑，而随着近年来地下结构灾害的例子不断增多，地下结构抗震的研究愈来愈受到重视。隧道的横通道与停车线段大跨度变断面暗挖区间为典型的断面变化区域，纵横导洞结构的受力状态复杂［5］。

主隧道与横通道交叉形成的空间结构受力复杂，因此成为隧道抗震的薄弱环节。2008年汶川地震的隧道震害调查发现，主隧道与横通道交叉部位的震害严重。且由于该处为结构变化区域，无法通过实施二次衬砌形成一致的结构断面。根据相关研究，横通道开挖后，主隧道与横通道交叉形成的空间结构处出现应力集中现象，在地震过程中，各部位安全系数呈交替变化状态；拱顶部位容易出现拉应力，是抗震的薄弱部位［6］，需要采取加固措施，以确保地震作用下主隧道与横通道交叉结构的安全。

为消除正线隧道与横通道交叉形成的空间结构处的应力集中现象，针对抗震中的薄弱环节采取加强措施，在大断面区间与横通道连接处增设的相互垂直的竖向抗震柱和抗震隔墙，如图7所示。设置抗震柱、墙后，横通道和隧道结构成为超静定结构，使结构某些构件在地震时进入非弹性状态，且具有较大的延性，以消耗地震能量、减轻地震反应，使隧道结构“裂而不倒”，有助于提高纵横向的结构稳定性，提高抗震能力。

图7 二次衬砌设置抗震柱墙体系

3 结论

本文结合案例，分析了全顺挖实施大断面暗挖地铁存车线的技术要点：高断面马头门可上下分导洞开挖，并通过加强洞口环梁与初支隔板的刚度，保证开马头门的安全；通过初支隔板与二衬隔板的交替布置确保高断面横通道二次衬砌结构的安全实施；并在横通道二次砌衬实施后，由大断面开始进行两侧不对称正线区间的施工；同时针对正线区间与横通道交叉结构抗震的要求，提出了渡线段结构的加强措施。

在地铁渡线中部设置高断面横通道，正洞可以全部由大断面向小断面施工，避免了顺扩、反扩等不利工况，并减少施工转换。目前，该区间已经按照本文方法开始施工。

［1］张炳根.地铁渡线地段大断面浅埋暗挖综合施工技术研究［J］.现代隧道技术，2007，44（02），25.

［2］邓敦毅，周艳芳.竖井横通道转入隧道正线的施工关键技术［J］.铁道标准设计，2006，50（08），58.

［3］韩日美，谢永利.浅埋暗挖法施工中结构受力的合理转换［J］.现代隧道技术，2007，44（03），71.

［4］王暖堂.城市地铁复杂洞群浅埋暗挖法的有限元模拟［J］.岩土力学，2001，22（04），504.

［5］李海波，马行东，李俊如，地震荷载作用下地下岩体洞室位移特征的影响因素分析［J］.岩土工程学报，2006，28（3）：358.

［6］臧万军，高波，公路隧道与横通道交叉结构抗震性能研究［J］.北京工业大学学报，2012，38（4）：509.

［7］郑剑升.软土地区大截面矩形顶管工法研究［J］.城市轨道交通研究，2011，14（11）：93.