祖玲娜

（深圳地铁建设集团有限公司，广东深圳 518026）

目前，国内的地铁建设正在如火如荼地进行着[1]，其不可避免地受到各种复杂环境的限制。例如，在地面建筑复杂，建设条件有限的情况下，需采用暗挖法进行地铁车站的修建。由于采用暗挖法进行车站开挖具有断面大、跨度大、周围环境复杂等特点，其施工面临的风险也较大[2-4]。已有部分研究人员对暗挖法施工工法、开挖支护的时空效应和支护参数的选取优化进行了研究。目前常用的施工工法包括双侧壁导坑法（以下简称“双侧壁法”）、中隔墙法、台阶法和洞桩法等[5-11]。由于上述各工法在适用环境、造价和工期等方面存在一定的差别，因此根据所建地铁站的地质条件和周围环境，选择一种适合于该站施工的工法尤为重要。本文以深圳地铁8号线一期工程深外高中站为例，对双侧壁法和台阶法的施工工序进行了对比分析，可为类似地质条件下大断面暗挖车站施工工法的合理选择提供参考。

1 工程概况

深外高中站敷设于盐田区中青一路下方，全长205 m，设4个出入口、2组风亭，采用明暗挖结合的方法进行施工，其平面图如图1所示。其中，明挖段长60 m，为地下4层框架结构，明挖顺作法施工；暗挖段长145 m，最大开挖断面为21.56 m×18.95 m，开挖面积达365 m2，为地下2层复合式衬砌隧道。

1.1 工程地质

深外高中站西邻梧桐山景区，东侧毗邻盐田坳狭长带，整体呈西高东低、北高南低，原地貌为丘陵，位于两丘陵交界的沟谷地带，因人类活动的影响，西南侧削坡修筑成人工边坡，东北临盐排高速。深外高中站跨越丘陵和山坳地貌，南西—北东向高差较大，丘陵地带（暗挖段）高程范围为71.66～ 91.30 m，呈缓坡状下延至路面，北侧与南侧为建筑用地。

根据地质钻探数据显示，场地内的土层主要为填块石、填碎石、中等风化凝灰岩、微风化凝灰岩，车站底板位于微风化凝灰岩和微风化花岗岩之中，车站平均覆土厚度为12.58～57.37 m，地质情况如图2所示。围岩综合分级为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级，其中Ⅲ、Ⅳ级围岩段约长69.6 m，覆土厚度为16.25～57.37 m，由上到下地层分别为素填土，强、中、微风化凝灰岩，洞身范围均处于微风化凝灰岩，上覆基岩厚度为10～27 m，围岩自稳能力较好；Ⅴ、Ⅵ级围岩段约长75.3 m，覆土厚度为12.58～16.25 m，由上到下地层分别为素填土，强、中、微风化凝灰岩，洞身范围处于中、微风化凝灰岩，上覆基岩厚度约为2.5 m，围岩自稳能力较差。

1.2 设计概况

暗挖段为地下2层两跨钢筋混凝土大断面马蹄形隧道结构，初期支护采用350 mm格栅钢架锚喷混凝土。直墙拱形结构顶板和侧墙厚度均为1 000 mm，底板厚度为1 200 mm，中板厚度均为400 mm。车站暗挖段根据不同的围岩级别，共采用A、B、C型3种断面形式。其中明暗挖交界处为Ⅴ、Ⅵ级围岩。Ⅴ、VI级围岩及破洞门处采用C型断面，C型断面开挖断面宽度为21.56 m，高度为19.107 m，开挖总面积为364.59 m2，长为80.3 m。初期支护采用C25喷射混凝土，二次衬砌采用C40模筑钢筋混凝土，拱墙厚度为1 000 mm，仰拱厚度为1 200 mm。

2 大断面暗挖车站施工工法比选

深外高中站为国内罕见的大断面暗挖车站，暗挖开挖断面大对于周围围岩稳定性的影响较大，因此需要对大断面暗挖车站施工工序进行对比分析，选取更为适合该大断面暗挖车站施工的工法，以确保施工的安全。

2.1 模型建立

在深外高中站明暗挖车站交界处采用C型断面形式，开挖面积为364.59 m2，埋深约为14 m，断面设计图如图3所示。依据开挖断面尺寸，本文对九步开挖双侧壁法与台阶法的施工工法进行比选，以选择最适合的暗挖车站开挖方式。断面开挖的顺序如图4所示。

为量化双侧壁法和台阶法2种工法施工时导致的围岩反应，根据现场地质条件和施工工序建立车站开挖的数值模拟模型，在保证施工安全的前提下，选取最优施工工序。由于暗挖车站长145 m，因此可将其简化为平面应变模型计算，采用地层结构法进行计算，能更加直观地得到围岩的变形规律。为消除模型边界对隧道开挖的数值模拟影响，模型选取的尺寸为120 m×80 m，模型侧面限制水平方向的位移，底部限制水平和竖向的位移。岩土体、初期支护、二次衬砌和临时支护均采用平面应变单元进行模型分析，岩土体服从Mohr-Coulomb屈服准则，初期和临时支护均按弹性考虑，锚杆采用植入式梁单元模拟。数值计算模型网格划分如图5所示。

2.2 参数选取

根据该车站的施工断面情况，初期支护采用C25喷射混凝土，二次衬砌采用C40混凝土，临时支撑采用I25a型钢。数值模拟计算参数如表1所示。

表1 数值模拟计算参数

2.3 数值模拟结果分析

通过数值模拟分析大断面暗挖车站的开挖支护过程，提取九步开挖双侧壁法和台阶法在开挖后的总竖向位移云图和车站横断面水平收敛情况进行如下分析。

那进献钓竿的部下难免有些不悦，但还是强打精神讨好说：“下端重才稳得住，用起来更顺手。”说着就将握把那一截拧下，使劲在地面方砖上敲打，笃笃有声，这还不算，他还高高举起那一截，朝地上摔去。一声脆响之后，那一小截钓竿完好无损。

2.3.1 施工引起的竖向位移

根据图4的施工工序，提取九步开挖双侧壁法和台阶法开挖引起的竖向（Y向）位移变化图如图6所示。图中展示了与图4步序①、⑥、⑦、⑨相对应的地层竖向位移。图中单位均为mm，负值表示沉降，正值表示隆起。

从图6中可以看出，在2种工法第1步开挖施工时，引起的土体位移相同；随着后续土体的开挖施工，可以发现台阶法施工的拱顶沉降大于双侧壁法的拱顶沉降，这是因为双侧壁法中部预留的土体对于拱顶位移起到了较好的限制作用。2种工法施工引起的拱顶沉降都处于规范允许的范围内。

在相同的地质条件和支护情况下进行暗挖车站施工时，土体会发生向车站内部的位移，2种施工工法引起的拱顶沉降分别为3.16 mm和3.22 mm。由于车站开挖范围内均为中等风化凝灰岩，车站施工引起的地表沉降较小，2种工法引起的地表沉降分别为0.82 mm和0.91 mm。由对比分析可知，双侧壁法由于在施工时中间预留了核心土，对车站顶部的沉降有较好的限制作用，因此在拱顶和地表沉降方面均略优于台阶法。

在暗挖车站开挖完成之后，将进行二次衬砌施工。二次衬砌施工也采取分层分部浇筑，不同二次衬砌施工工况下的位移变化如图7所示。

在浇筑二次衬砌时，由于分部浇筑，拱顶位置最后浇筑，因而拱顶沉降在二次衬砌浇筑过程中也有所增大。在浇筑仰拱二次衬砌并拆除既有临时支护时，拱顶沉降明显增大，双侧壁法从2.54 mm增大到4.29 mm，台阶法从2.75 mm增大到4.59 mm，在施工中应该引起重视。对比2种工法施工引起的拱顶沉降可以发现，双侧壁法引起的最大拱顶沉降为4.74 mm，而台阶法施工引起的为5.03 mm。在拱顶沉降方面，双侧壁法也略优于台阶法。

图8为双侧壁法和台阶法施工后初期支护沿X方向的位移图，通过简单计算可得到车站横断面水平收敛情况。图中，正值表示发生向右的位移，负值表示向左的位移。

由图8可知，2种工法施工时引起的水平位移基本对称分布。双侧壁法的水平收敛值为4.2 mm，台阶法的水平收敛值为4.3 mm，二者的水平收敛情况类似，均能满足大断面暗挖施工的要求。

图9为2种工法施工后的二次衬砌沿X方向的位移图，向右位移为正。由图9可知，在二次衬砌浇筑完成之后，2种工法施工时引起的二次衬砌水平位移基本对称分布。2种工法的水平收敛值均为6.6 mm，且水平收敛情况类似，均满足大断面暗挖施工的要求。

3 现场施工情况

3.1 监控测点布设

与常规的车站监测点布置相同，本次大断面暗挖车站在拱顶、车站两侧边墙处均布置了监控测点，对大断面开挖时的拱顶沉降和周边收敛情况进行监测分析。

3.2 开挖步序优化

在综合对比后，深外高中站暗挖段整体采用九步开挖的施工工序。根据围岩地层情况，其中Ⅲ、Ⅳ级围岩段，采用九步台阶法进行开挖施工；Ⅴ、Ⅵ级围岩段采用九步双侧壁法进行开挖施工。台阶法在自稳能力较强的Ⅲ、Ⅳ级围岩段使用，可以有效地提升开挖施工效率，节约工期。

3.3 二次衬砌浇筑步序优化

深外高中站暗挖段施工工序在Ⅲ、Ⅳ级围岩段中根据实际监测情况进行了调整，二次衬砌施工分3步实施，即竖向分3层施工（图10）：第1步，分段间隔拆除底部竖撑，施工仰拱及回填；第2步，拆除底部横撑及中部竖撑，施工侧墙、中板及立柱；第3步，拆除中板以上支撑，施作拱顶。调整后二次衬砌施工时中板及侧墙采用支架法施工，拱部采用二次衬砌整体台车施工，提高了施工效率。二次衬砌施工纵向分段距离：仰拱施工每段为12 m，中板及侧墙施工每段为9 m或12 m，拱部施工每段为6 m。

3.4 监测数据分析

由于数值模拟难以全面模拟地质情况的变化，以及施工的时间间隔，因此根据施工提供的监测数据，对施工安全性进行分析，以确保大断面暗挖车站的施工安全非常重要。图11a为统计的拱顶沉降监测数据，图11b为统计的车站断面水平收敛监测数据。

根据施工监测数据可知，拱顶沉降最大值为4 mm，车站横断面的水平收敛值为4.9 mm，水平收敛值趋于稳定，与数值模拟计算所得的结果较为接近，再次验证了数值模拟的适应性。根据监测数据可知，采用九步双侧壁法及台阶法开挖施工所引起的拱顶沉降和水平收敛值均较小，能够较好地适应该站的地质情况。

4 结论

本文通过对大断面暗挖车站不同施工工法进行数值模拟分析，并结合现场具体地质情况、施工监测情况，对施工工法进行优化选取。通过数值模拟分析结果可知，在Ⅲ、Ⅳ级围岩段采用九步开挖台阶法相较于九步开挖双侧壁法，地层变形均有加大，但仍保持在规范允许的安全范围之内。通过与现场实际施工监测数据对比，进一步验证了该数值模拟分析结果的适应性。在大断面暗挖车站施工过程中，通过工序优化，明确了九步开挖双侧壁法及台阶法施工的地质适应范围，其中Ⅴ、Ⅵ级围岩段采用九步开挖双侧壁法，Ⅲ、Ⅳ级围岩段采用九步开挖台阶法，能够确保超大暗挖车站施工更安全更高效的完成。