（重庆建工集团股份有限公司，重庆401122）

IV级围岩地铁暗挖车站开挖工法探讨

吴秋良，王翔

（重庆建工集团股份有限公司，重庆401122）

该文依托重庆地铁金山寺车站工程，提出了设计的双侧壁导坑法在Ⅲ～Ⅳ级围岩施工存在的问题，在车站开挖工法初步增选了三台阶法、保留核心土法，对车站开挖三种工法建立弹塑性有限元进行模拟分析，得到了三种开挖工法的围岩位移分析结果，再经过工法比选，提出了一种安全合理的工法，即保留核心土法，从而指导车站的开挖施工，解决了双侧壁导坑法在Ⅲ～Ⅳ级围岩施工存在的问题，可为类似工程提供参考。

重庆市轨道交通；金山寺车站；暗挖车站；开挖工法；围岩；变形分析；保留核心土法；三台阶法；双侧壁导坑法

1 工程概况

1.1 工程概述

金山寺车站为重庆市轨道交通六号线中间暗挖车站，南接礼嘉站，北接曹家湾站，全长190.5m；车站采用10m岛式站台，单拱双层结构，主体隧道开挖宽度为20.6m，高度为17.4m，开挖断面为306.4m2，车站采用复合衬砌结构。车站位于礼嘉大道与白云路交汇处下方，埋深较深，顶部覆盖层厚度27～40m，地面无大型建筑，车站施工对地面建筑基本不会产生不利影响。车站南北两端各设有施工通道，北侧通道接入车站拱腰位置，南侧通道接入车站拱底位置。车站含四个出入口通道及两座风道，其中一个出入口为预留通道，均为复合衬砌结构。

1.2 水文地质条件

车站所处地形属丘陵斜坡地貌，地形平缓，原为农垦区。地层自上而下分别为第四系全新统人工填土和粉质粘土，下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组砂岩和砂质泥岩，本站第四系覆盖层厚度小，基岩为砂岩、泥岩互层。拟建区属磁器口向斜东翼，岩层受构造影响较大，岩体中构造裂隙较发育，岩层倾向285°，岩层倾角9°。施工区内无断层，基岩内裂隙发育程度中等，岩体成层状结构。围岩主要为砂质泥岩和砂岩，围岩基本级别为Ⅳ级，自然抗压强度为12.7MPa，无不良地质现象。

场地内地下水主要为第四系弱承压水及基岩裂隙水。地下水富水性受地形地貌、岩性及裂隙发育程度控制，为大气降水和地表水渗漏补给。第四系厚度小，覆盖少，含水微弱；侏罗系的泥岩等为相对隔水层；侏罗系的砂岩为基岩裂隙水含水层。

1.3 设计开挖工法

金山寺车站设计开挖工法为双侧壁导坑法,施工顺序如下：第1步，右侧上部导坑开挖，初期支护；第2步，右侧中部导坑开挖，初期支护；第3步，右侧下部导坑开挖，初期支护；第4步，左侧上部导坑开挖，初期支护；第5步，左侧中部导坑开挖，初期支护；第6步，左侧下部导坑开挖，初期支护；第7步，中洞上部土（岩）体开挖，初期支护；第8步，敷设防水层，浇筑隧道拱、墙二次衬砌；第9步，中洞中部土（岩）体开挖；第10步，中洞下部土（岩）体开挖，初期支护；第11步，敷设仰拱防水层，浇筑仰拱混凝土。其施工顺序见图1。

图1 金山寺站设计施工顺序图

2 双侧壁导坑法存在的问题

2.1 双侧壁导坑法的特点及适用范围

双侧壁导坑法作为“新奥法”的一个分支，是一项边开挖边浇筑的施工技术。其原理就是把整个隧道大断面分割成4～9个对称的导坑和左右上下多个小断面施工，以此化整为零，从各个小断面单独掘进，最后形成一个大的隧道,导坑断面近似椭圆，周边轮廓圆顺，避免应力集中，利用土层或岩层在开挖过程中短时间的自稳能力，采用网状支护形式，使围岩或土层表面形成密贴型薄壁支护结构，用中隔壁核心土承担部分受力[1]。

双侧壁导坑法施工的特点：双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。

双侧壁导坑法的应用范围：它适用于V-VI级围岩地层，开挖断面在大于40m2的隧道，也适用于对地表沉陷要求严格的隧道，而且适合于各种尺寸与断面形式的隧道洞室。

2.2 双侧壁导坑法在Ⅲ-Ⅳ级围岩施工存在的问题

在Ⅲ-Ⅳ级岩层地区隧道都是采用钻爆法施工，爆破以其经济、高效、快捷的特点广泛应用于地下岩体工程的开挖中,然而岩体中爆炸在造成爆区岩体破碎、剥离的同时,不可避免地造成近区岩体的扰动、损伤,中远区岩体的振动等危害。岩体的损伤效应在多次频繁爆破作业的情况下更为突出。损伤岩体的力学性能劣化,强度降低，完整性变差,从而对岩体的安全稳定造成威胁。研究表明：推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法开挖的隧道必然导致围岩产生一定程度的损伤、破坏。任一固定断面上,在整个推进式往复的爆破过程中与爆源越近,损伤度和位移量越大,越远越小[2]。存在的问题如下。

（1）拱部和核心岩柱受多次爆破作业的损伤、破坏，其岩体力学性能劣化。

（2）核心土上台阶开挖组织困难。核心土中上台阶即⑦部开挖后紧跟拱墙二衬施工，然后进行中下台阶开挖，核心土上台阶开挖时两侧导洞已开挖完成，此时唯一通道于核心土上，首部开挖时借助防水台架可勉强解决人员上下开挖机具运输问题，而土方运输、排险均需要的机械设备（如装载机、挖机、渣车）和初支所需的拱架运输问题为施工组织难点。

（3）工期。拱墙二衬施工与掌子面两侧导坑开挖作业并行期间，因防水台架、二衬模板台车存在，核心土两侧无法再通行车辆，运输困难，工期无法满足合同要求。

3 车站开挖工法初选

3.1 车站开挖工法初选

根据金山寺车站地质条件，出入口布置情况，施工通道设置位置以及设计开挖工法等方面，初步增选有代表性的三台阶法、保留核心土法两种开挖工法及设计的双侧壁导坑法进行比选。

3.2 选取的两种开挖工法的开挖步骤

3.2.1 三台阶法的施工顺序

三台阶法施工顺序如下：第1步，上台阶开挖，初期支护；第2步，中台阶左侧开挖，初期支护；第3步，中台阶右侧开挖，初期支护；第4步，下台阶左侧开挖，初期支护；第5步，下台阶右侧开挖，初期支护；第6步，敷设仰拱防水层，浇筑仰拱混凝土；第7步，敷设防水层，浇筑隧道拱、墙二次衬砌。其施工顺序见图2。

图2 三台阶法施工顺序图

3.2.2 保留核心土法的施工顺序

保留核心土法施工顺序如下：第1步，上部开挖，初期支护；第2步，左侧中部导坑开挖，初期支护；第3步，右侧中部导坑开挖，初期支护；第4步，左侧下部导坑开挖，初期支护；第5步，右侧下部导坑开挖，初期支护；第6步，核心土上部开挖；第7步，核心土下部开挖，初期支护；第8步，敷设仰拱防水层，浇筑仰拱混凝土；第9步，敷设防水层，浇筑隧道拱、墙二次衬砌。其施工顺序见图3。

图3 保留核心土法施工顺序图

4 车站开挖工法比选

4.1 三种开挖工法下围岩变形分析

4.1.1 车站开挖工法模型建立

运用弹塑性有限元进行模拟分析，为减小边界效应保证计算的准确性，模型尺寸为：隧道中线左右分别取50m，竖直向上取至地表，地表至下边界86m；因隧道埋深较深，故计算时按自重应力场考虑。

计算区域侧向边界处水平位移被约束以模拟场地的半无限远边界，底面沿竖直方向位移被约束，按照平面应变问题计算。

有限元模拟计算以初始地应力场（包括重力和上部荷载）、隧道开挖等过程进行，根据《公路隧道设计规范》JTG D70-2004要求，在模拟开挖过程中，隧道开挖和初期支护在相应边界节点应力释放60%，施作二衬和仰拱完成后在相应边界节点应力释放40%[3]。

4.1.2 三种开挖工法下围岩变形计算结果

三台阶法取隧道下台阶右侧开挖初期支护完成后的计算结果，双侧壁导坑法取隧道中下部台阶开挖初支完成后的计算结果，保留核心土法取隧道核心土下部开挖初支完成后的计算结果。

4.1.2.1 水平位移分析

三台阶法最大值1.639mm；双侧壁导坑法最大值1.340mm；保留核心土法最大值1.414mm。见图4。

图4 隧道围岩水平位移云图

4.1.2.2 竖向位移分析

三台阶法最大值5.627mm；双侧壁导坑法最大值5.271mm；保留核心土法最大值5.329mm。

4.1.2.3 计算结果分析

经过以上数值模拟分析，针对车站开挖工法的不同情况，围岩的位移计算结果汇总于表1。

表1 车站隧道开挖不同工法计算结果表

从表1中可以看出，车站隧道开挖三种工法所计算的位移值相差较小，其中，双侧壁导坑法竖向位移最小，其最大值为5.271mm；其次为保留核心土法，其最大值为5.329mm；三台阶法其值最大，为5.627mm。

4.2 三种开挖工法比选

对初步选取的三台阶法、双侧壁导坑法、保留核心土法在安全性、经济性及工期等方面比选见表2[4]。

经过以上数值模拟分析，三种施工法的围岩位移值都相差不大，其中双侧壁导坑法的位移最小，核心土法较大，三台阶法的位移最大；其竖向位移最大值核心土法比双侧壁导坑法大1.1%，三台阶法比双侧壁导坑法大6.8%。同时经过列表比选，三台阶法安全性一般，在此车站不宜采用；保留核心土法在安全性稍低于双侧壁导坑法外，其他几个方面都优于双侧壁导坑法。综合以上分析比选，选择了工期较快，且经济合理的保留核心土法来进行组织施工。

表2 车站隧道三种开挖工法比选表

5 结语

金山寺车站采取保留核心土法施工解决了拱部和核心岩柱受多次爆破作业的损伤、破坏，其力学性能劣化问题，也解决了核心土上部开挖组织困难问题，同时，采取保留核心土法在14个月内安全顺利地完成了车站主体开挖及初支，比原设计双侧壁导坑法计划19个月，提前5个月，提前了26.3%。保留核心土法通过金山寺车站安全顺利建成，为类似工程提供了参考。

[1]蔡启章.双侧壁导坑法在地铁浅埋暗挖隧道中的应用[J].科技之友，2010(05).

[2]张国华.基于围岩累积损伤效应的大断面隧道施工参数优化研究//中国科学院研究生院武汉岩土力学研究所博士论文[C].2010.

[3]重庆交通科研设计院.JTG D70-2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]杨其新.地下工程施工与管理:第2版[M].成都：西南交通大学出版社，2009.

责任编辑：孙苏，李红

Excavation method of underground subway station of Class IV Surrounding Rock

Based on the Jinshan Temple subway station Project in Chongqing,some problems in the gradeⅢandⅣrock construction with double side heading method.Three step method and core soil reservation method are added into the excavation method.Elastic-plastic finite element simulation is established to analyze the three methods and the analysis results of the surrounding rock displacement with the three excavation methods are obtained. Through comparison,a kind of safe and reasonable method is presented,that is core soil reservation method,to guide the station excavation construction. It solves the problems in gradeⅢandⅣrock construction with double side heading method and can offer some references for similar engineering.

rail transit in Chongqing;Jinshansi station;underground station;excavation construction method;surrounding rock;deformation analysis; core soil reservation method;three step method;double sides heading method

TU745.3

A

1671-9107（2014）07-0023-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.023

2014-02-18

吴秋良（1973-），男，重庆人，本科，高级工程师，主要从事建筑工程技术及管理工作。

王翔（1986-），男，重庆人，本科，助理工程师，主要从事建筑工程技术工作。