沿海城市地铁车站大断面隧道施工方案比选分析

方案具有重要意义。以202标段暗挖车站主体和辅助隧道为对象，通过三维数值模拟及造价分析，系统研究比较了几种典型大断面隧道施工方案。基于数值模拟和综合指标的定性的分析比较，针对大连地铁车站隧道施工而言，CRD工法具有很好的安全性、经济性、快速性。研究方法和结果对同类工程具有积极参考意义。

关键词：暗挖车站；浅埋暗挖；施工方案；CRD

1 前言

我国的城市地铁和城际轨道建设工程尤其是地铁车站具有所处地质复杂、浅埋大断面的特点，除了围岩自身稳定性问题，其修建于繁华城市地面之下，既有的设施尤其是交通设施的环境安全问题特别突出，选择合理隧道开挖施工方案具有重要意义。

大连地铁修建于沿海城市，所处的地质环境具有复杂性和富水的特点。大连地铁的大部分车站和区间处于上软下硬地层，穿越主干线路、路面、高架桥，临近建筑物，环境问题突出。部分线路处于临海地区，地下水位高。上述地质特点缺乏直接的经验工程类比，给暗挖车站的施工方案确定带来困难。为此，本文以202标段暗挖车站主体和辅助隧道为对象，通过三维数值模拟，系统研究比较了几种典型大断面隧道施工方案，选取了适合沿海城市地铁隧道施工的方法。

2 工程概况

大连地铁一期工程202标段香工街车站为地下双层分离岛式车站，覆土厚度约6.8m。结构标准段总宽度为41.5m，结构埋深约为24.5m。其中竖井尺寸长×宽×高为：12.4m×6.0m×30m。车站正线车站所在范围在华北路中间，沿华北路方向有高架桥一座，高架桥为双柱多跨连续梁结构，高架桥桥桩外边缘距离车站主体结构外墙净距3.0m，距离隧道底部3.472～15.322m不等。

香工街车站所在的场地地貌为剥蚀低丘陵。从地面向下依次为上覆第四系人工堆积层，第四系上更新统坡洪积粉质粘土层，下伏钙质板岩、辉绿岩等。场地土类型为软弱土—岩石，岩体比较完整。整个地层明显存在上软下硬的特点。该区域到的标准冻结深度0.70m，场地地形较为平坦。车站主体以及与之相连的横通道属于浅埋、大断面隧道，其稳定性和经济性受到隧道的开挖方法的直接影响。按隧道横断面分布情况来分，开挖方法可为全断面开挖、台阶开挖和分部开挖法。以下将大跨度暗挖隧道全断面开挖法、台阶法、CD法、CRD法进行对比。

3 大连地铁大断面隧道施工方案比选

3.1 各方案三维数值模拟

首先建立三维数值模型，进行全断面、台阶法、CD（中隔壁）法和CRD（十字交叉中隔壁）法施工方案的数值模拟对比。数值计算采用美国的Itasca公司的有限差分软件FLAC3D，建立模型时首先选取计算模型区域为隧道洞径的5～7倍左右，左右边界采用单向水平约束，地表为自由边界，底面为三向约束。本次计算模型范围：左右方向从-40.6m至40.6m（x方向），上下方向从0到49.2m（z方向），前后方向（轴向，y向）从0到10m。隧道高16m，宽12m，为马蹄形，拱顶距地表8m左右。模型从地表0～3m为素填土，距地表3～13m为强风化钙质板岩，距地表13～49.2m为中风化钙质板岩。物理力学性质如表1所示。

数值模型地质体采用四面体单元，用空单元模拟开挖。衬砌的模拟采用shell单元，锚杆的模拟采用cable单元。地应力场为自重应力。本构模型采用莫尔库仑准则。首先采用自重应力平衡，得到初始应力场。对地质模型进行概化，对其施工工序进行一定简化，然后按照全断面法、台阶法、CD法和CRD法几种开挖方法的过程进行施工动态模拟，得到各个开挖步对应的围岩变形、应力分布和塑性区。

3.2 模拟结果分析

数值模拟可以获得围岩的变形、应力和塑性区的情况对比。从围岩变形角度分析，全断面开挖由于应力重新调整幅度大，围岩位移比较大。台阶法开挖位移次之，图1是台阶法开挖步的水平位移分布云图。

分析可见，开挖第一步，最大水平位移发生在拱脚位置，约为4.06mm；开挖第二步、第三步拱頂位移与第一步基本相同，施工较安全；开挖第四步，位移云图的分布没有发生大的变化，最大水水平位移减小到4.01mm。

图2是CRD法开挖围岩水平位移。CD法开挖围岩位移略大于CRD法开挖，两者比较接近。开挖第一步沉降位移和侧向位移都较大，沉降位移达到到8.3mm，底部上抬约2.5mm。第二步开挖支护完成后，最大位移仍发生在拱肩位置，由于中隔壁的实施，控制位移的效果比较明显。第三步开挖后，位移变化不大。之后的开挖步，位移值并无显著增大。

综合考虑以上3种施工工法的三维数值模拟，从围岩变形、塑性区从大到小依次为CRD法-CD法-台阶开挖法-全断面法。上述顺序也是总体稳定性从大到小的顺序。单从控制水平收敛位移角度，CRD法控制效果最好，这是由于其施加了临时中隔墙和临时仰拱，有效地制止了围岩变形，所以其变形小于其他的两种工法。各工法对应的水平收敛位移列于表2。由该表可见，全断面施工工法产生的水平位移相对较大，明显大于其他两种工法，不宜作为本区域施工方案。

4 施工方案造价指标综合定性比选

在数值模拟基础上，从安全和造价角度综合考虑，对上述施工方法进行综合定性比较见表3所示。基于分析结果，针对大连地铁车站隧道施工而言建议采用CRD法。

5 结论

基于数值模拟和造价指标的定性的分析比较，针对大连地铁车站隧道施工而言，CRD方法是适用于本区域的施工方法，具有很好的安全性、快速性、经济性。CRD法施工能为今后沿海城市同类隧道工程的优化设计与安全施工起到积极的指导作用。

参考文献

[1]王梦恕.隧道工程浅埋暗挖法施工要点[J].随道建设，2006，26（5）：1-4.

[2]张玉军，熊传义.拟建武汉地铁盾构法施工的有限元数值模拟[J].岩土力学，2001，22（1）：51-55.

[3]熊燕斌，高英林.有限元数值模拟在南京地铁张府园和玄武门车站结构设计中的应用[J].地下工程与隧道，2003，（3）：10-13.

[4]漆泰岳，刘强，据国全.软弱岩层大跨度地铁车站施工优化与地表沉降控制[J].岩石力学与工程学报，2010，29（4）：804-813.

（作者单位：中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司）

推荐访问:断面 隧道 沿海 车站 地铁

---