大拱脚地铁车站落底施工技术研究

陈德钢伍志勇

摘要：针对大断面隧道，进行重叠换成大拱脚暗挖地铁车站落底施工工艺研究。本文以重庆轨道交通环线工程民安大道为工程依托，为解决其工程落底施工问题，采用ANSYS有限元软件进行结构位移分析、初期支护应力分析。经过三种开挖方案比选，最终确定了安全可靠的落底施工步骤，为类似的大断面地下结构落底施工提供了相关依据。

关键词：大断面隧道；大拱脚；落底施工；ANSYS有限元软件

1引言

随着我国城市轨道交通建设的发展，越来越多的城市车站将位于市中心繁华地段，为了减小施工对周边环境的影响，在国内外许多地质条件允许的地方，比如重庆的许多轨道地下车站均采用了暗挖法施工[1]。对于地下交通结构而言，为了适应更宽道路或者轨道交通的要求，大跨、超大跨隧道及地下结构应运而生[1]。而对于大断面隧道，主要的施工方法主要有双侧壁导坑法和拱盖法。对于围岩差、断面跨度大、地表沉降控制要求严格的隧道，常常采用双侧壁导坑法[2]。拱盖法是在明挖法、盖挖法和PBA工法基础上创建的适用于特殊底层的一种暗挖施工方法。本车站采用拱盖法的施工方法。对于拱盖法施工工法，国内有很多专家和学者对此进行了研究。张光权[4]等研究了地铁车站拱盖法施工沉降监测分析及控制对策，提出了在采用拱盖法施工过程中，应注重采取合理的支护和加固方式。吕波[5]提出在风化岩石地层中采用拱盖法施作浅埋暗挖大跨地铁车站是合适的。钟国[3]提出拱盖法完全遵循地下工程浅埋暗挖法理论，较好地解决了采用钻爆法暗挖施工的大跨度地铁车站的施工安全和变形控制要求，具有环境影响小、工序少、效率高、施工安全可靠等突出优点，并成功地应用于工程实践，取得了良好的经济效益和社会效益。本文以重庆轨道交通环线工程（一期）民安大道站为工程依托，针对大断面隧道的拱盖法，进行重叠换成大拱脚暗挖地铁车站落地施工工艺研究，研究成果对以后类似城市隧道施工也具有重要的参考价值。

2工程概况

重庆市轨道交通环线工程（一期）民安大道站位于渝北区泰山大道西段及人和立交南侧，车站呈东西走向，周边环境复杂，其中车站北侧为既有锦上华庭小区、贝蒙盘古商业区，车站南侧为锦上华庭小区和重庆邮区中心局。民安大道站为环线和四号线跨线同台换乘地下三层暗挖岛式车站。拱顶埋深42m～46m，车站开挖长度242m（YDK18+631.458～YDK18+873.458、ZDK18+631.458～ZDK18+873.458），开挖宽度25.7m，高度28.1m，开挖断面面积671.89m2，采用拱盖法施工。

3工程难点

3.1隧道大跨度、超大断面开挖

民安大道站车站断面开挖宽度宽为25.7m～30.053m，开挖高度为28.051m，车站断面面积为672平方米，车站断面特别大，属于超大隧道断面。车站采用拱盖法施工，为满足设置大拱脚需要，车站断面拱部开挖宽度进一步增加，相应增加了工程风险。

3.2周边环境复杂，工期较紧张

车站呈东西走向，车站南侧为锦上华庭小区和重庆邮局中心局，车站北侧为锦上华庭、贝蒙两处房产项目（主体结构已经落成）。由于地面公共交通日益拥堵，以及重庆轨道三号线等既有轨道线路承受着巨大压力，重庆轨道环线需要尽早竣工并投入使用，因此，该工程具有工期较紧张的特点。

3.3保证拱脚位置围岩稳定

车站虽然采用拱盖法施工，但隧道属于深埋隧道，隧道拱部围岩非松散体，拱部设计以新奥法基本原理为依据，施工期间围岩和支护联合作用，围岩为主要的承载体，认为拱部承载的主要荷载为拱盖自重和少数围岩形变荷载。因此，保证拱脚部位的围岩稳定是采用拱盖法的重点和难点。

4大拱脚暗挖地铁车站落地施工工艺研究

民安大道站埋深约为44m，依据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）判断车站主体隧道为深埋隧道。根据越来越多的工程研究表明深埋隧道侧墙塑性区发展范围较大，深埋隧道的破坏往往表现为侧墙失稳的破坏，侧墙的稳定显得非常重要。而本工程隧道侧墙高度特别高，为高边墙地下结构，采用拱盖法施工，从而进一步增加了侧墙工程的风险。设计要求采用明挖逆作法分段跳槽法进行施工，加强初期支护，随挖随支，及时支护，并且通过设置具有侧向支撑作用的混凝土结构板，能够有效控制侧墙塑性区发展。侧墙采用长锚杆，锚杆锚入理论稳定岩层中。对于大跨径地铁车站施工，其开挖方式的不同会影响到结构的安全性。为了便于分析，本文采用ANSYS有限元软件对民安大道车站进行模拟落地施工。为了进行落底开挖模拟，制定了三种方案。三种方案的方案图示分别见图4.1，图4.2，图4.3所示。其中，方案一与方案二的开挖顺序为①②③④⑤⑥；方案三的开挖顺序为①②③④。

4.1结构位移分析

利用ANSYS有限元软件对以上三种方案进行落底施工模拟分析，其分析结果分别如下。

（1）方案一：二衬施做完成水平位移图和竖向位移图分别如图4.4和图4.5所示。

5结论

结合民安大道车站工程特点，以及通过对三种落底施工方法进行计算，分析结构位移以及初期支护应力的变化，可得到以下结论：方案一的初期支护应力最大值为12.1MPa，方案二的最大值为12.8MPa，比方案一的初期支护应力最大值大5.8%；而方案三的初期支护应力最大值为18.2MPa，比方案一大50.4%。当采用这三种不同施工方法时位移变化均较小，基本无影响。综合考虑到初期支护应力的变化影响，方案一落底开挖方案为本文研究所得的最佳开挖方案。

参考文献：

[1]晋学辉.红旗河沟大型暗挖车站施工力学研究[D].[硕士学位论文].重庆：重庆交通大学，2012

[2]高峰，谭旭凯.双侧壁导坑法施工的大断面隧道的稳定性分析[J].重庆：重庆交通大学，2010

[3]钟国.地铁车站的一种新型暗挖施工工法——拱盖法[J].大连：大连地铁有限公司，2012

[4]张光权，杜子建，宋锦泉，蔡建德，陶铁军.地铁车站拱盖法施工沉降监测分析及控制对策[J].岩土力学与工程学报，2012

[5]吕波.暗挖地铁车站拱盖法关键施工技术[J].现代隧道技术，2014