地铁车站暗挖工法实例比选分析

张国良（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300132）

地铁车站暗挖工法实例比选分析

张国良
（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300132）

在繁华市区主干道下修建地铁，尤其在不允许交通中断的前提下，暗挖法成为一种较优的方案。以徐州某地铁车站为例，对“洞柱法”和“中洞法”方案进行详细对比分析，从工程地质、适用条件等方面进行了综合比选，并对两方案进行了数值模拟。研究结果表明：“洞柱法”对周边环境影响较小，受力体系优于“中洞法”，研究成果可供繁华中心城区暗挖施工地铁车站参考。

暗挖法；洞柱法；中洞法；方案比选；地铁车站

1 引言

地下空间和城市轨道交通的快速发展，车站施工工法越来越多的受周边环境、工程水文地质及交通的影响。已由原来的明挖法逐步向暗挖法、明暗挖结合和盖挖法等多种工法转变［1］。当车站位于繁华市中心且位于城市主干道正下方，交通不容许中断，暗挖法成为一种必然选择［2］。

文献［3-5］可知，暗挖地铁车站结构形式主要有：多拱多跨单（双）层车站、单拱单（双）层车站、分离式单拱单（双）层车站等，相应的根据不同的地质条件采用的施工方法主要有：洞桩法、桩柱法、中洞法、侧洞法、洞柱法、拱盖法、CRD法、双侧壁导坑法等。北京地铁暗挖车站主要位于砂卵石层中，施工方法以洞桩法为主；青岛、重庆地层以硬岩为主，施工方法以双侧壁导坑为主，对本文的车站工法选择有一定的参考价值。

国内外学者也对暗挖车站做了大量研究。其中，梁韵［3］归纳整理了国内外典型暗挖地铁车站的结构形式，对各结构形式的受力特征、所适应的地层条件等进行比较分析，提出暗挖地铁车站的结构形式选取原则；许洪伟等［4］结合青岛某地铁车站对拱盖法进行了受力分析，进而优化了上半断面的设计参数，为相同地层提供了工程类比的实例；董惠定等［5］结合北京地铁，对暗挖车站所采用的几种暗挖施工方法进行比选，总结了这些暗挖施工方法的适用条件和优缺点；齐万鹏［6］结合北京地铁，利用数值模拟与实测进行对比分析，对大跨地铁车站浅埋暗挖法的安全性及其对经济指标的影响进行了较为深入的研究，明确了各个施工方法之间对于地表环境、管线、土体条件、施工条件、工程造价等因素的相对重要程度，进而得出不同的车站结构形式采用不同的施工方法。综上，众多学者的研究成果为本文提供了依据。

随着数值模拟计算越来越多的运用于地下工程，在暗挖工法的选择上，不应仅仅通过工程类比确定施工设计工法，更应该加入数值模拟计算来指导其施工设计［7］。本文结合徐州市某地铁暗挖车站，通过数值模拟计算、工程类比对暗挖车站的工法选择进行实例分析，为进一步的施工提供坚实有力的基础。

2 工程概况

2.1 车站概况

徐州市某地铁车站为1、2号线换乘站，两线设置联络线，站后设置单渡线，1、2号线车站同期实施。其中1号线车站位于淮海路正下方，2号线车站位于中山北路东侧(占用两个机动车道)，淮海路和中山路均为徐州市的主干道，双向七车道+2非机动车道。车站位于徐州市重要的城市商业中心，建筑物密集，大型商场较多，且均为高层或小高层。地面交通繁忙，需要保证道路交通连续畅通，车站总平面图如图1所示。

图1 地铁车站总平面图

2.2 工程地质概况

本车站所处的地层从上到下依次为：杂填土、老城杂填土、粉质粘土、粘土、中风化岩层等，其中上层杂填土较厚，平均厚度为9～12m，对车站较为不利，地质纵断面图如图2所示，各地层主要物理参数如表1所示。场区地下水（潜水）埋深约1.45～3.50m，水位标高约29.07～36.63m；岩溶裂隙水水位埋深为7.40～7.90m，水位标高为25.23～25.25m，具有承压性。

图2 车站地质纵断面图

表1 地层主要物理参数表

3 施工工法的比选

受中心时尚大道不拆迁及淮海路不允许中断等条件的制约，车站需在时尚街区结构和淮海路正下方进行暗挖施工。根据暗挖法车站的结构形式，目前施工常用的施工方法主要有“中洞法”、“侧洞法”、“洞桩法”、“桩柱法”、“双侧壁导坑法”等工法。根据车站周边建构筑物形式、车站功能要求、线路条件、车站埋深等综合比选，1号线车站采用双柱两层车站。

结合众多学者的研究成果［1-6］，根据地质报告及地质纵断面综合判断，为保证施工安全、避免在地面及工作面内对杂填土进行处理，需将暗挖拱顶标高压低至⑤3-4硬塑状粘土层中，顶拱距离⑤3-4硬塑性粘土和杂填土分界面3m。

3.1 方案一

方案一车站采用“洞柱法”施工，“洞柱法”适用于三跨双层车站，适合于站台宽度大于11m的地铁暗挖车站，是使用功能较好的断面形式，在北京、沈阳和哈尔滨等城市地铁中已有较多的成功实例。由于中间两柱的减跨，使得每跨的开挖跨度不超过8m，施工安全性高，风险小，结构受力体系简单明了。车站横断面如图3所示，洞柱法施工车站步骤如图4所示。

图3 方案一车站横断面图（单位：mm）

图4 洞柱法施工工序图

3.2 方案二

方案二采用中洞法施工，车站结构采用双柱双层单跨形式，采用中洞法+CRD法施工。结构如图5所示，施工步骤如图6所示。单拱双柱车站可以获得宽敞的空间，多用于岩石地层，近年来在第四纪地层也有采用的实例，但其施工难度较大、开挖跨度大，起拱高、技术较复杂。根据地质资料显示，结构站厅层基本位于硬塑状粘土中，站台层基本位于中风化灰岩、中风化砂岩中。在工可阶段，地勘资料不够详细，因此暂推荐此工法。

图5 方案二车站横断面图（单位：mm）

图6 中洞法施工工序图

3.3 方案比选

根据众多学者对柱洞法和中洞法的研究成果［13-14］，对洞柱法和中洞法进行了大量研究，二者在适用条件、周边土体变形、工期、防水和初期支护拆除量和造价角度进行了比较，如表2所示。

表2 方案比选

4 数值计算分析

4.1 计算模型及参数

利用Midas-GTS岩土有限元软件对两个方案建立二维平面应变模型，以初始自重应力场为基准，模拟车站开挖工序［8-9］：（1）并生成自重应力；（2）杀导洞①土体单元，进行应力释放，释放系数为30%；（3）激活初期支护，释放剩余应力70%，按此顺序，逐个导洞开挖并支护；（4）施工完⑦、⑧导洞初支后，开始施工车站底板、中间钢管桩、顶拱和中板，在模型中，激活对应的结构单元；（5）杀死⑨号导洞土体单元，激活初支，依次顺序杀死10、11、12号导洞土体单元，激活对应的初支单元；（6）杀死车站断面范围内的初支单元，激活车站二衬和剩余中板、侧墙、底板结构单元。

为消除边界效应，模型尺寸为130m（宽）×70m（高），如图7所示。模型中土体视为理想M-C弹塑性模型［10］，土体采用平面应变4边形单元，初支及二衬采用梁单元模拟，分别赋予对应的材料和几何参数，土体物理参数见表1，并结合文献［11-12］进行适当修正。

图7 平面计算模型

方案一模型共4082个单元，4177个节点；方案二模型共4622个单元，4177个节点。模型的侧面和底面施加位移边界条件，侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，上边界为自由地面。模型中钢管混凝土柱按照抗压刚度等效［10］，折算成C50混凝土墙，墙厚0.14m。

表3 结构单元物理力学参数

4.2 模型计算结果分析

经过数值模拟计算，提取土体竖向位移云图，方案一土体位移如图8（a）所示，方案二土体位移如图8（b）所示。洞桩法施工车站完成后，周边土体的最大竖向位移为36.8mm，地表最大沉降位于扣拱拱顶；中洞法施工车站完成后，土体的最大位移为46.6mm。提取车站施工完成后地表沉降曲线，如图9所示；洞柱法施工车站完成后，地表最大沉降为19.8mm，小于一般市政管线所要求的沉降标准30mm要求［7］，中洞法施工完车站后，地表最大沉降为32.5mm，大于市政管线所要求的沉降标准30mm［7］。显然，中洞法对周边土体的影响远大于洞桩法。

图9 车站施工完成后地表沉降曲线

5 结论

本文针对实际地铁车站，结合周边实际环境和地质条件，通过对适用条件进行了比较，对车站的两种工法进行了数值模拟，在目前的环境下，主要得到以下结论：

（1）根据分析结果，初步设计采用“方案一”洞桩法做为推荐方案。

（2）对于上部是粘土下部是基岩的地方，施工方法及结构形式还是受控于上部开挖的土层。

（3）⑤3-4层的粘土，自稳能力好，土的渗透系数小，对暗挖工法相对来讲还是有利的。但这层土中采用“方案一”6导洞的洞桩法，在控制沉降、结构受力体系转换等方面是优于“方案二”中洞法的。

（4）但具体从工期、造价、废弃工程量、防水等角度考虑，“方案一洞柱法”比“方案二中洞法”优化多少，还需根据车站周边环境和工程地质等实际情况进行研究，在施工设计及施工过程中进一步验证。

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Comparison Analysis of Mining Method of the Living Metro Station

ZHANG Guo-liang
（China Railway Tunnel Survey and Design Institute Co., Ltd., Tianjin, 300132, China）

Undermining method is becoming a better solution when metro station is built under the urban arterial road, especially the transportation is not allowed to interrupt. As an example of Xuzhou metro station, pillar-beam-arch method and center drift excavation method were compared and analyzed from the aspects of engineering geology, applicable condition and so on. Two schemes were simulated, the results showed that "pillar-beam-arch method" scheme had less impact on the surrounding environment, and was superior to the “pillar-beam-arch method” in construction. But above all, the research results can be used for reference of subway station scheme which was constructed by undermining method in the bustling downtown area.

undermining method；pillar-beam-arch method；center drift excavation method；scheme comparison；subway station

U231.4

B

1009-3842（2015）03-0043-05

2015-02-10

张国良（1981-），男，河南洛阳人，工程师，硕士，主要从事隧道及地下工程设计。E-mail:21465826@qq.com