富水软弱围岩明暗挖结合分离岛式地铁车站施工关键技术

季维果

中铁十局集团有限公司 山东济南 250001

近年来，随着城市化进程不断加快，在交通繁忙和建筑密集区的城市中心区修建地铁车站也愈发困难。随着施工技术的发展，暗挖法车站得到了越来越多的应用，但大断面全暗挖车站，工期长，造价高，施工难度大，风险高，且在地质情况差或地下构筑物限制时不易实施，于是出现了将站厅明挖、站台暗挖，利用立体交叉洞室群连接站厅与站台层更具适应性的明暗挖结合分离岛式车站。

交通大学站场区地质条件复杂，地下水位高，施工风险和难度大，且该站在繁华的黄河路，周边环境复杂，地下管线众多，不具备降水条件，经过方案比选最终采用了明暗挖结合分离岛式型式，通过三维数值模拟分析确定了群洞开挖顺序，对软弱围岩开挖、二衬施作进行了探索研究，有效解决了富水复杂地层施工风险，确保了施工安全。针对大城市交通拥挤、建筑密集的现状，地铁车站越来越多的采用明暗挖结合形式，本文对类似地铁工程具有很好的借鉴和指导意义[1]。

1 工程概况

1.1 车站结构型式

交通大学站为明暗挖结合分离岛式车站，车站全长174．3m，总建筑面积14344．5m2。外挂设备厅采用明挖法施工，围护结构为地下连续墙+内支撑形式。立体交叉洞室群采用暗挖施工，两端为风道，利用风道作为通道施工左右线暗挖主体结构，左右线间设3个联络通道，暗挖主体结构上方东西设进站通道与斜通道连接外挂设备厅及站台层。

图1 交通大学车站平面图

图2 暗挖立体交叉洞室剖面图

1.2 项目施工难点

（1）水文及地质条件复杂。交通大学站原址为马栏河河道，地下水丰富，施工区域内存在6-9m厚卵石层，具有强透水性。暗挖主体穿越地质复杂，为强、中风化钙质板岩和碎裂岩交界，存在顺层岩体，属于V字漏斗型地质。同时岩体破碎，节理裂隙发育，遇水易崩解软化，强度、承载力骤减，综合评定为Ⅴ级围岩。

（2）地面管线及构筑物复杂。车站上方为黄河路主干道，埋设有国防光缆、雨污、给水、煤气等大量管线，以及暗渠、人防等构筑物，由于年久失修排污管道存在渗漏易形成水囊。

（3）立体交叉洞室群多，受力体系复杂。进站通道、斜通道和暗挖主体结构最小净距仅为1．3m，多个洞室同时施工对地层的扰动和相互影响大大增加暗挖施工风险。

（4）软弱围岩大断面二衬施工拆撑风险大。二衬施工需要分段拆除临时支撑，可能会引起隧道拱顶和边墙产生较大变形，存在极大安全隐患[2]。

2 立体交叉洞室群施工顺序

2.1 施工顺序的拟定

根据现场施工条件，针对暗挖主体群洞部分，为减小结构间相互影响，分析主洞与上方横通道和斜通道的合理施工顺序。拟定了两种洞室群的施工顺序：方案1先施工主洞初支及二衬结构后施工进站通道和斜通道、方案2先施工进站通道和斜通道后施工主洞初支及二衬。

2.2 三维数值模拟计算分析

采用Midas/NX岩土分析软件分别按照两种施工方案建立有限元模型计算，分析开挖支护过程围岩变形及相邻洞室间的影响程度，确定围岩变形相对较小的开挖支护顺序。

方案1进站通道、斜通道及联络通道施工后主洞最终拱顶最大沉降约为8．61mm，较施工前增加约6%，后续结构施工对主洞的影响较小。位移最大值在车站主洞的两端，中间部位位移变化较小，沉降值和隆起值均在控制值范围内。方案2先施工进站通道和斜通道，后施工的暗挖主体结构需要下穿进站通道，且在斜通道下方穿过会对已施工完成的进站通道和斜通道产生很大影响，暗挖主体结构施工后，进站通道最终沉降由施工前3．3mm增大至6．78mm，增加105%，斜通道最终沉降由施工前3．15mm增大至8．4mm，增加167%。

本站由于高富水卵石层和强风化碎裂岩层的存在，实际施工中的风险远大于理论计算的结果。考虑到施工安全、地质变化及变形趋势，为保证施工过程中暗挖洞室群相互影响及结构变形最小，采用方案1的施工工序。

图3 暗挖立体交叉洞室三维图

3 施工关键技术

不良地质段工法优化。

（1）原设计工法存在的问题。暗挖主体开挖断尺寸10．45×8．91m，采用高直墙扁平拱形断面，原设计采用CD工法施工。碎裂岩、泥岩等不良地质段开挖，拱部稳定性较差，极易引起拱顶塌方；且隧道左右导洞、上下台阶需错开步距施工，导致下部不能及时封闭，致使初支结构承载能力较小，极易引起初支结构变形、下沉、开裂等问题。

（2）暗挖主体工法优化。为有效防止碎裂岩、泥岩等不良地段开挖拱顶土体的松弛和塌方，根据现场地层变化情况，对施工工法进行改进。

①超前支护措施：将原设计Φ42超前小导管加密加长，环向间距由300mm调整为200mm，长度由3m调整为3．5m，增加棚护效果。②增设水平支撑。在拱部与边墙连接处，每榀增设22a工字钢水平临时支撑，临时支撑间采用Ф22钢筋连接，间距1m梅花形布置，提高临时支撑整体稳定形。③直墙段增设小导管。直墙段每两榀格栅增设Φ32小导管3根，小导管长度3m，间距1m，打设角度为斜向下30度，并注浆加固，增加初支水平向约束。

图4 优化工法施工工序图

（3）大断面风道不拆撑满堂支架法施作二衬。1、2号大断面风道开挖断面9．8m×11-15m，采用CRD工法施工。因所处地层围岩破碎，为确保二衬施工期间初期支护稳定，采取不拆撑满堂支架施作二衬，主要步骤：底板施工时按6m一循环破除中隔壁在底板范围内的喷射混凝土，按2m一循环割除中隔壁底部工字钢并铺设底板防水后立即恢复中隔壁工字钢，再进行下一循环防水施工；中板施工时破除中板范围中隔壁及临时仰拱二衬厚度范围喷射混凝土，割除边墙0．4m临时仰拱工字钢，铺设边墙防水、绑扎钢筋，将剩余工字钢浇筑在边墙二衬混凝土中，形成稳定结构。待二衬全部施工完毕并达到设计强度后，再对临时支撑集中拆除，确保了软弱围岩大断面风道二衬施工过程中支护体系的稳定，避免了拆除临时支撑与二衬施工的交叉作业，提高了施工效率[3]。

4 暗挖主体衬砌台车结合简易衬砌支架施作二衬

4.1 临时支撑合理拆除长度

通过三维有限元模拟分别对中隔壁拆除长度分别为6m、9m、12m及18m四种情况下的最大变形及最大变形增量进行比对分析，得出结论：中隔壁拆除9m是个分界点，拆除12m较9m的增加值是拆除9m较6m增量的3倍；拆除18m较12m的增量是拆除12m较9m增量的1/2。当中隔壁拆除超过9m，达到18m时，虽然沉降值没有超过控制值，但增加的趋势已明显增大，本站所处地质为强-中风化碎裂岩，当地质较差时变形会突然增大甚至超过控制值。综合考虑确定了中隔壁每次拆除长度不宜超过9m，实际施工中加强对拱部及边墙拆撑前、中、后的监测，为拆除中隔壁施工提供指导。

4.2 暗挖主体二衬施工

暗挖主体左右线均为拱形直墙结构，二衬厚度底板0．8m、边墙0．6m。因现场条件受限，只能从1号风道施工车站暗挖主体二衬。采用衬砌台车施工，受工序等条件限制，车站主体每条隧道仅能使用一部衬砌台车，由1号风道向2号风道，逐段拆除临时支撑施作二衬，施工进度受台车长度，拆撑、防水、钢筋等工序制约。采用满堂支架法，隧道直墙部分施工不受中隔壁影响，可在不拆除中隔壁的情况下，连续施工直墙段二衬，加快边墙二衬施工进度，同时模板采用普通木模或钢模，与其它工点通用，无需额外增加模板投入。但拱部施工前需拆除中隔壁，并重新搭设脚手架，且拱部二衬施工时间花费时间长[4]。

综合考虑最终采用衬砌台车法结合简易衬砌支架法，结合两种方法的优点，加快施工进度。施工步骤：每条隧道由一部衬砌台车及一套边墙模板施工二衬，用支架法从1号风道向2号风道施做边墙二衬，后续用衬砌台车施做拱部二衬。边墙支架法施工无需拆除中隔壁，施工进度远快于二衬台车的施工进度，二衬台车施工时可节省边墙防水、钢筋与堵头的施工，缩减了每循环台车施工二衬的时间，加快了二衬施工进度。

图5 衬砌台车结合满堂支架法施工图

5 结语

交通大学站水文及地质条件复杂，围岩破碎，地下水位高，地下水丰富，同时地下管线众多，沉降控制要求高，施工风险和难度大。如何有效降低在开挖、二衬拆撑施工时初期支护变形，确保施工安全，是软弱围岩分离岛式暗挖车站施工的关键。

本文通过三维数值模拟分析确定了车站群洞最佳开挖顺序，对软弱围岩不良地质段开挖工法进行了优化，大断面风道采用不拆撑满堂支架法施作二衬，暗挖主体采用台车结合简易衬砌支架施作二衬，有效降低了富水软弱围岩地铁车站施工风险，确保了施工安全，对类似的地铁工程具有很好的借鉴和指导意义，具有广泛的推广前景。