复杂环境下地铁车站导洞开挖施工方法对比研究

摘要：为了探究不同隧道开挖方法在地铁车站结构受力和沉降方面的影响差异，本研究以长春地铁5号线工农大路车站为实际案例，运用MIDAS FEA软件对两种施工方法（一次扣拱暗挖逆作法和PBA工法）进行模拟分析。比较这两种方法在施工过程中的差异，分析结果显示，在导洞开挖支护施工阶段，一次扣拱暗挖逆作法导致的地表沉降量最大，占总沉降量的59.14%。而PBA工法在二衬扣拱施工阶段起到较为关键的作用，该阶段所引起的地表沉降量占总沉降量的42.65%。对于拱顶沉降，一次扣拱暗挖逆作法的拱顶沉降较为稳定，而PBA工法的拱顶沉降在不同的施工时间都有大幅度的变动。在其他方面，一次扣拱暗挖逆作法相较于PBA工法具有较小的影响，结构更为稳定，可进一步降低施工风险。

关键词：地铁车站；导洞开挖；一次扣拱暗挖逆作法；PBA工法；施工方法

中图分类号：U231.3" "文献标识码：A" "文章编号：２０９６-2118（2024）04-0121-06

Comparative Study on Construction Methods of Subway Station Guide Tunnel Excavation under Complex Environment

LU Yu1，ZHAO Wei2

（1：Changchun Construction Engineering Quality Supervision Station，Changchun Jilin〓130000，China；2：China Railnay ERJU 4th Engineering Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan〓610000，China）

Abstract：In order to explore the differences in the influence of different tunnel excavation methods on the stress and settlement of subway station structures，this study takes the Gongnong Road Station on Line 5 of Changchun Metro as an actual case，and uses MIDAS FEA software to simulate and analyze two construction methods（one-time arch excavation reverse method and PBA method）.Comparing the differences between these two methods during the construction process，the analysis results show that during the excavation and support construction stage of the pilot tunnel，the maximum surface settlement is caused by one-time arch excavation reverse method，accounting for 59.14% of the total settlement.The PBA construction method plays a crucial role in the construction stage of the secondary lining arch，and the surface settlement caused by this stage accounts for 42.65% of the total settlement.For the settlement of the arch crown，the settlement of the arch crown is relatively stable under one-time arch excavation reverse method，while the settlement of the arch crown under the PBA construction method varies significantly at different construction times.In other aspects，one-time arch excavation reverse method with a single arch buckle has a smaller impact compared to the PBA method，and the structure is more stable，which can further reduce construction risks.

Keywords：subway station；pilot tunnel excavation；one-time arch excavation reverse method；PBA construction method；construction method

0 引言

地铁建设是现代城市规划中不可或缺的一部分，作为一种高效、清洁的城市交通方式，地铁建设促进了人员流动，对城市区域经济发展具有重要意义。在地铁建设中，车站的施工是整个项目的重要环节之一。地铁车站在建设过程中，周边往往存在大量既有建筑、道路、桥梁或其他市政设施，因此其施工方法的选择对于周围环境和建筑物具有较大影响。在地铁车站的施工过程中，结构的受力和沉降问题一直是工程师关注的重点。如果施工方法不当，可能会导致结构开裂、沉降不均匀等问题，从而影响地铁的正常运营和使用寿命。因此，选择适合的施工方法对于保证地铁车站的施工质量和安全至关重要。

目前，管棚-台阶法-拱中法（PBA法）被广泛应用于地铁车站建设中[1]，其通过在地面设置导洞，逐步扩大洞室，从而形成车站主体结构。这种方法在城市中心或繁华地段施工具有较大的优势，因为它对地面的影响较小，可以减少拆迁和管线迁移等问题[2]。然而，PBA法也存在一些缺点，如施工周期长、成本高、对周围环境影响较大等。在PBA法下，地表沉降和拱顶沉降主要受到导洞开挖顺序和地层条件的影响。由于导洞开挖过程中对地层的扰动较大，容易导致地表沉降不均匀。同时，由于拱顶与周边墙的变形协调性较差，容易导致拱顶沉降过大。为了减少地表沉降和拱顶沉降，需要合理安排导洞开挖顺序和采取相应的支护措施[3-4]。

相较而言，一次扣拱暗挖逆作法是一种较新的地铁车站建设方法，目前在国内的应用相对较少。该方法通过在地面上设置钢筋混凝土拱顶和周边墙，进行暗挖施工[5]。这种方法能够显著缩短施工周期、降低建设成本，对周围环境的影响较小。然而，由于暗挖施工的局限性，一次扣拱暗挖逆作法的施工难度较高，且对地质条件敏感。在一次扣拱暗挖逆作法下，地表沉降和拱顶沉降主要受到暗挖施工的影响。由于暗挖施工对于地层的扰动较小，地表沉降相对较为均匀[6]。同时，由于拱顶与周边墙的变形协调性较好，拱顶沉降也相对较小。为了减少地表沉降和拱顶沉降，需要加强拱顶和周边墙的支撑和固定措施[7]。

上述两种地铁车站建设方法具有不同的施工顺序和特点，为了探究在同一工程中两种建设方法对周边环境的影响，依托长春地铁5号线工农大路站，充分考虑其位于城市中心且周边环境复杂等因素，基于MIDAS FEA软件，模拟车站结构及周边环境在不同建设方法下，不同施工阶段的力学状态和地表沉降规律。通过对两种施工方法下车站结构的地表沉降、拱顶沉降和拱顶应力进行对比研究，探究两种施工方法对于地铁车站结构的影响存在的差异，从而为长春地铁5号线工农大路站车站工程的施工方法选取提供参考。

1 工程概况

本项目长春地铁5号线工农大路站为岛式车站，车站总长215.4 m，站台为14 m宽，为双层三跨拱顶直墙结构，车站覆土为8.7 m～10.4 m，车站底板埋深为24.64 m～26.4 m，车站共设置3座竖井，其中1#竖井距离临时竖井长度为147 m，临时竖井距2#竖井长度为43 m。临时竖井与1#竖井间车站主体为对向开挖。车站所在场地土层自上而下分别为：填土层、粉质粘土层，结构底板位于粉质黏土层中，现状地下水位标高为地面以下2.1 m。工农大路站结构断面见图1。长春地铁5号线工农大路站周边建筑众多，且建筑等级均较高，地上交通流量大，因此对工程的施工质量提出了更高的要求。

2 施工方法对比

2.1 一次扣拱暗挖逆作法

采用一次扣拱暗挖逆作法进行车站开挖的过程可以分为七个精细步骤[8]，详细内容如图2所示。

首先开挖1#～4#洞室，并完成上层导洞开挖支护施工；接着开挖5#～10#洞室，完成下层导洞开挖支护施工；随后铺设底板及部分侧墙防水层，同时施作桩底纵梁、部分底板和底拉梁，并完成边桩、冠梁及立柱等结构的建设；凿除临时结构，施工防水层及二衬结构；对中跨土体按照相应顺序进行开挖；清除基坑内剩余临时支护，继续开挖土体并施作侧墙、中楼板结构；继续开挖土体，凿除临时支护，铺设剩余防水层，并施作剩余侧墙、底板。

2.2 PBA工法

如图3所示，PBA施工方法依照此顺序进行导洞开挖工作，其把车站的开挖全过程详细划分成六个部分[8]。在实施导洞挖掘工作时，首先对前方的小导管执行注浆处理，以提升地层的稳定性，之后按照阶梯式逐渐开挖小导洞，挖掘次序是先开挖下方，后开挖上方，最后再处理两侧至中央。在边桩、中柱和冠梁的施工阶段，先在下方双侧导洞内施工防水层和基础条，再在上方双侧导洞内开展挖孔桩与桩顶冠梁的施工。钢筋混凝土柱则通过挖孔护套将上下侧导洞连接，在中间导洞内施工钢筋混凝土柱。同时，在横向导洞内进行横向基础条的施工，并在车站永久底板的下方进行布置。

在初步支撑施工阶段，运用超前大管棚注浆法和小导管注浆法，在横向通道内对左右跨顶部土层加固。然后对拱部土方实行分层对称开挖，并完成拱顶初期支撑结构的施工制备。在二次衬砌施工阶段，等待拱部导洞贯通后，移除初次支护结构之间的连接。之后开展防水层和二次衬砌结构的施工，并完成钢拉杆的拉设工作。在构建负1层结构的阶段，将负1层车站结构划分为段落施工，利用分层开挖法将土层开挖至中楼板的底部标高。然后进行中楼板、侧墙防水层、保护层以及侧墙的施工。在负2层结构施工阶段，将负2层车站结构分成若干施工段，用分层开挖法将土体开挖至基底位置。然后进行底板防水层、底板、侧墙防水层、侧墙以及车站内部构件的施工。

3 不同施工方法模拟分析

3.1 数值模拟

如图4（a）所示，针对一次扣拱暗挖逆作法建立131 m×52.4 m×24 m全断面开挖模型，默认3层地层方向及厚度相同。针对无接触元素和地下水影响，使用莫尔-库仑和弹性模型描述土壤和混凝土。大管棚和小导管简化成2.0 m固化层。PBA工法模型的基本假定同上，模型如图7（b）所示。假定地表和各土层均匀水平分布，土体材料采用摩尔-库仑本构模型，混凝土材料采用弹性模型。导洞超前支护管棚和小导管注浆简化为等厚的注浆加固层。结合当地经验，并依据相关勘测单位提供的原位实验结果以及土工实验数据选取材料参数，最终选取土层材料的力学性能参数见表1。

3.2 地表沉降对比分析

经过计算，两种施工方法的结构位移典型云图如图5～图6所示。对中轴线上方的地表沉降进行了选取，施工期沉降变动评估报告显示（见图7），一次扣拱暗挖逆作法施工地表沉降最为明显的阶段是10个导洞开挖和支护阶段，占总沉降的59.14%。中跨拱施工和上部、下部结构施工也会造成较大的地表沉降。对PBA工法施工的车站主体结构中，各个施工阶段所造成的地表沉降占总沉降的比例也进行了比较，如图8所示。

图8显示，PBA法二衬扣拱施工阶段因土体开挖范围大，受到后续工序的影响，引发地表总沉降量的42.65%，应当受到重点控制。此工序完成后，结构受力体系已基本由永久结构承担，因此后续土体开挖的影响虽大，但不会引起明显的地表沉降。

3.3 拱顶沉降对比分析

如图9所示，拱顶沉降选了车站拱顶中部的3个测点进行分析。对于一次扣拱暗挖逆作法，其在导洞开挖支护施工阶段、衬砌结构施工阶段以及边跨二衬扣拱施工阶段，车站中轴线位置的拱顶沉降要略小于左右边跨拱顶位置的沉降。随着施工的进行，中轴线位置拱顶的沉降逐渐增长，渐渐明显大于左右拱顶的沉降，当所有结构施工完成时，车站中轴线位置拱顶的最大沉降量为51.3 mm，与左右拱顶位置沉降量相差6 mm。对于PBA工法，其在导洞开挖阶段，边桩、中柱和底板施工阶段，中轴线位置的沉降要大于左右拱顶位置的沉降，但差距不大。随着施工进度的推进，中轴线拱顶的沉降水平快速增长，逐渐大于两侧的沉降，当施工完成时，拱顶最大沉降量达到57.97 mm。

3.4 拱顶应力对比分析

对两种施工方法下车站结构的应力计算结果如图10～图11所示。对两种施工方法的拱顶应力变化进行分析，如图12所示。图12（a）显示，拱顶应力选择了车站中部剖面进行分析，拱顶应力变化最大值仅为0.2 MPa。随着二衬扣拱完成，拱顶应力逐渐减小并稳定。导洞开挖和其他结构施工阶段，拱顶应力保持在0.23 MPa不变。边跨和中跨拱顶初期支护完成后，中轴线应力增至0.37 MPa，但随二衬扣拱进行，应力迅速降至0.26 MPa。中板和负2层二衬结构施工阶段，拱顶应力保持稳定。

由图12（b）可得，左右拱顶位置的应力变化较小，施工对其影响很小，表明左右拱顶结构在施工过程中相对稳定。而车站中轴线位置的拱顶应力在不同施工阶段有所变化，但整体趋势是减小并稳定下来。表明中轴线位置的拱顶在施工过程中经历了一定的应力调整，但最终趋于稳定。

对于拱顶应力与拱顶沉降的关系，对比图12和图13，联系两种施工方法的特点，可认为在PBA法中，拱顶应力和沉降的关系主要取决于预应力梁的设置和设计。预应力梁通过施加预应力，可以有效地抵消由于开挖和地下水压力引起的拱顶应力和沉降。通过调整预应力梁的位置、布置和预应力大小，可以控制拱顶的应力和沉降。而在一次暗挖扣拱法中，拱顶应力和拱顶沉降的关系主要受到暗挖开挖引起的土体变形和支护结构的影响。对于一次扣拱暗挖逆作法，地下开挖引起的土体变形会导致拱顶应力的增加和拱顶沉降的发生。支护结构的设置和设计将直接影响挖掘引起的土体变形和拱顶的应力和沉降。

4 结论

通过对一次扣拱暗挖逆作法与PBA工法施工的地表沉降、拱顶沉降和拱顶应力进行对比分析，得出以下结论。

1） 一次扣拱暗挖逆作法在进行10导洞开挖支护时引起的地表沉降量最大，占总沉降量的59.14%；而PBA工法的关键阶段是二衬扣拱施工，该阶段引起的地表沉降量占总沉降量的42.65%。一次扣拱暗挖逆作法使车站的拱顶沉降保持稳定，其中轴线位置沉降略小于边跨。相比之下，PBA工法的沉降变化显著且逐渐增长，并会高于前者。

2） 在一次扣拱暗挖逆作法的施工过程中，左右拱顶位置的应力相对稳定，而车站中轴线位置的拱顶应力在不同施工阶段有所变化，但整体趋势是减小并稳定下来。对于PBA工法，拱顶位置的应力波动不大，对施工不敏感，而轴线位置的拱顶应力变化趋势与前者相同。

3） 通过对两种施工方法下长春地铁5号线工农大路站的地表沉降、拱顶沉降及拱顶应力的对比，可以认为采用一次扣拱暗挖逆作法更为合适。

参 考 文 献

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编辑：杨 洋