重庆地区层状岩地层超大断面暗挖地铁车站施工工法比选*

张国华 陈海勇 邓 昆 童建军 马兴叶

(1. 中铁开发投资有限公司， 650118， 昆明； 2. 湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 410008， 长沙；3. 西南交通大学土木工程学院， 610031， 成都//第一作者，高级工程师)

目前，城市地铁暗挖车站施工主要采用的工法包括双侧壁导坑法、CD(中隔墙)法、CRD(中隔墙加台阶)法、洞桩法和拱盖法等。每种工法在开挖原理、适用环境及车站结构型式等方面的应用不尽相同，且在环境影响、造价和工期上存在较大区别。针对重庆地区层状岩地层，探索出一种经济适用的施工工法——双层叠合初支拱盖法。该施工工法作为全新的工法，在层状岩地层中的适应性仍未能明确，且各施工工法的关键性指标差异亦很大。

本文根据重庆地区的地质条件，并依托工程实际情况，着重分析了双侧壁导坑法和双层叠合初支拱盖法的适应性及经济性。为方便对比分析不同施工工法的效果，对双层叠合初支拱盖法、双侧壁导坑法及CRD法进行了数值模拟及工程实际对比分析。结论可为重庆地区层状岩地层暗挖车站施工工法的合理选择提供参考。

1 层状岩地层超大断面暗挖地铁车站的施工工法

基于重庆地区层状岩地层的特殊地质条件、车站结构型式和受力特点，依托工程实际情况，统计分析了该地区在建及已建地铁车站的施工工法，模拟计算了双层叠合初支拱盖法、双侧壁导坑法和CRD法3种不同暗挖车站施工工法。各施工工法示意如图1所示。

图1 重庆地区层状岩地层各施工工法示意图

2 层状岩地层超大断面暗挖地铁车站施工工法数值模拟

2.1 计算模型及参数

基于地层-结构模型，采用FLAC3D数值软件进行计算分析。计算模型及监测断面如图2～3所示。依据重庆地区层状岩地层地勘和设计资料，对支护结构弹性模量进行等效处理，对锚杆加固区围岩的力学参数进行简化提高。围岩和支护结构的物理力学参数如表1所示。

图2 双层叠合初支拱盖法、双侧壁导坑法计算模型

图3 CRD法计算模型及监测断面示意图

2.2 计算结果分析

2.2.1 位移分析

图4～6为3种施工工法下的位移云图。由图4～6可知，双层叠合初支拱盖法中隧道的最大竖向位移位于拱顶部位，拱顶向下沉降值为7.75 mm，地表最大沉降值为5.18 m；隧道水平位移最大值位于大拱脚位置，位移呈洞周向外扩张趋势，最大扩张值为4.01 mm。双侧壁导坑法与双层叠合初支拱盖法的竖向位移变化形态类似，最大竖向位移出现在拱顶，其沉降值为6.63 mm，地表沉降值为4.37 mm；而在水平位移方面，双层叠合初支拱盖法则呈现与双侧壁导坑法不同的位移形态，洞周出现向内收敛的位移，最大值位于右侧墙角位置，洞周最大收敛值为5.18 mm；而CRD法拱顶最大竖向位移为11.4 mm，地表沉降最大值为7.98 mm，其洞周亦呈现收敛形态，但其收敛值大于双侧壁导坑法，最大位移收敛值达到8.42 mm，边墙处向内收敛趋势最为剧烈。3种工法的位移曲线示意如图7所示。

图4 双层叠合初支拱盖法位移云图

图5 双侧壁导坑法位移云图

图6 CRD法位移云图

2.2.2 受力分析

通过提取监测断面初期支护内力的相关数据，得到3种施工工法下的内力及相应截面安全系数如表2所示。由表2可知，双层叠合初支拱盖法安全系数最小值主要位于墙角部位，其次为拱腰部位；由于双层叠合初支拱盖法针对大拱脚区域实施打设注浆管注浆及设置加强型纵梁的措施，其大拱脚处位置内力及安全系数都处于较安全值，安全系数最小值为 5.55。双侧壁导坑法拱腰及拱顶处安全性较高，安全系数明显高于其他截面；安全系数最小值同样位于墙角位置，最小值为4.84。而从安全系数分析结果上看，CRD法最小安全系数仅为2.40，因此在安全性方面，采用CRD法进行层状岩地层超大断面暗挖车站施工较为危险。

图7 三种工法的位移曲线图

2.2.3 围岩稳定性分析

图8为3种工法下围岩的塑性区。由图8可知，双层叠合初支拱盖法围岩塑性区出现在砂岩和砂质泥岩互层处，其中，大拱脚及下部边墙两侧围岩出现较大塑性区。双侧壁导坑法施工条件下，围岩塑性区主要出现在墙脚、两侧边墙及拱脚位置，其中墙角出现了较大塑性区。CRD法在同样的地质条件及支护参数下，其塑性区较前两种工法范围更大，塑性区的位置在洞周分布也更宽，表现为拱腰一直到下侧边墙及墙脚都产生了较为明显的塑性区范围。因此，在层状岩地层超大断面暗挖车站的施工条件下，CRD法的适应性较双层叠合初支拱盖法及双侧壁导坑法要弱。

表1 围岩和支护结构的物理力学参数表

表2 三种施工工法的内力计算结果

图8 三种工法下围岩的塑性区图

2.3 结果对比

双层叠合初支拱盖法、双侧壁导坑法和CRD法的数值计算结果对比如表3所示。由表3可知，不同的施工工法对车站的影响程度不同，常规的双侧壁导坑法在对拱顶沉降、地表沉降及围岩稳定性等方面都表现出较高的安全性。首次运用于重庆地区的双层叠合初支拱盖法的计算结果与双侧壁导坑法较为接近，各项考查指标均能很好地满足控制标准，且在洞周收敛形态方面控制较好，衬砌结构的安全性亦较高。而CRD法施工相对偏危险，各项考查指标均明显差于其他两种工法，且在重庆地区层状岩地层超大断面暗挖车站施工中适应性较差。

表3 三种施工工法的计算结果对比表

3 层状岩地层超大断面暗挖地铁车站施工工法经济性分析

由于CRD法在重庆地区层状岩地层超大断面暗挖地铁车站施工中的适应性较差，本文着重针对双层叠合初支拱盖法和双侧壁导坑法进行经济性分析。以重庆轨道交通5号线为工程背景，其相邻车站凤西路站和华岩寺站，分别采用双层叠合初支拱盖法和双侧壁导坑法进行施工。两个车站的地质情况、断面大小和车站功能定位均具有高度的一致性。且两车站可从施工便捷性、工期、经济性及安全性等方面进行对比分析，亦具有高度的可信度。研究结论可为重庆地区层状岩地层超大断面暗挖地铁车站施工工法的综合比选提供参考。

3.1 经济指标

统计重庆轨道交通5号线凤西路站和华岩寺站的工法经济指标(见表4)可知，双层叠合初支拱盖法每延米的工程造价比双侧壁导坑法节约投资2 856元。因此对于超大断面暗挖地铁车站，采用双层叠合初支拱盖法施工比采用传统的双侧壁导坑法施工，整个工程可节约投资近60万元。

表4 双层叠合初支拱盖法及双侧壁导坑法经济指标对比表

3.2 施工进度

以华岩寺站为例，采用双侧壁导坑法施工时，其主体结构及开挖支护的施工进度一般为18～24 m/月，主体结构二衬的施工进度每7 d为9 m，工期总计约18个月。而采用双层叠合初支拱盖法进行施工时，上导洞开挖及支护的施工进度为2 m/d，历时约4个月；加强初支扣拱模筑混凝土约4个月；以上两部分施工作业考虑前后错开2个月，总计约6个月；下部主体开挖及支护每天按750 m3出土量计算，历时约5个月； 二衬及防水施工预计5个月。因此，双层叠合初支拱盖法总工期约16个月，比双侧壁导坑法节省工期2个月。

实际工程中，重庆轨道交通5号线凤西路站采用双层叠合初支拱盖法施工。该车站于2015年1月20日开始进行车站主体施工，2015年6月25日完成上导洞开挖及拱盖施工，2015年7月11日—2015年12月15日完成车站主体下断面开挖支护施工，2016年4月完成二衬及防水施工。施工总历时15个月，比预计工期提前1个月。

在施工进度方面，双层叠合初支拱盖法的优势主要体现在如下几个方面：①下断面开挖时可通过拉中槽、马口跳槽等方式形成多个开挖面同时施工；②大大减少了拆除临时支撑体系的工作量；③开挖掌子面与二衬间的步距较大，使得施工空间较大，操作亦相对便利；④拱墙衬砌可直接采用模板台车施工，施工进度较快。

综上所述，双层叠合初支拱盖法施工的经济效益较为显著。该工法节省投资近60万元，缩短工期3个月，间接效益可达200余万元。同时，为复合式隧道掘进机过站提供了有利条件，对地表沉降控制效果较好，对成渝高速影响也较小，带来了较为理想的经济及社会效益。

4 结论

针对重庆地区层状岩地层暗挖地铁车站的特殊地质条件、超大断面及受施工工法影响显著等特点，对该地区暗挖车站常见的3种施工方法的适应性进行了数值模拟分析，对重庆轨道交通5号线相邻车站工程进行了综合对比分析，得到3种施工工法的主要特点(见表5)及主要结论如下所述：

(1) 在适应性方面，不同的施工方法对隧道的影响程度不同。常规的双侧壁导坑法在对拱顶沉降、地表沉降及围岩稳定性等方面的控制均表现出良好的特性；CRD法施工相对偏危险，各项考查指标均明显差于其他两种工法。而在重庆地区首次运用的双层叠合初支拱盖法的计算结果与双侧壁导坑法较为接近，各项考查指标均能很好地满足控制标准，且对洞周收敛形态控制较好，衬砌结构的安全性亦较高，这说明该施工工法在层状岩地层中的运用是安全的，且在重庆地区具有较强的适用性和可行性。

表5 三种施工工法的主要特点

(2) 从施工安全、施工进度及经济性角度对层状岩超大断面暗挖地铁车站施工方法进行综合比选发现：双层叠合初支拱盖法每延米的造价比双侧壁导坑法节约投资2 856元，直接效益达60余万元，缩短工期3个月，间接效益可达200余万元，带来了较大的经济及社会效益；能较好地适应重庆地区的地质条件及经济要求，具有工作面大、效率高、工序少和施工安全等显著优点，具有较强的经济适用性。因此，在重庆地区层状岩地层超大断面暗挖地铁车站施工中，建议采用双层叠合初支拱盖法施工。