文章以北京市昌平区未来科技城地铁区间为例展开探讨, 该工程为典型的南北走向, 位于鲁疃西路西侧未来科技城开发地块南侧。近车站处设置单渡线 (渡线曲线段R=290) , 线路由南向北2‰下坡。轨顶标高最高点11.825m, 最低点11.526m。区间隧道结构断面尺寸为:13.90m×10.78m (宽×高) 。

双侧壁导坑法的具体内容如图1所示, 作为1种较为传统的工程方法, 其在施工中具有明显的局限性, 具体为: (1) 所需使用的机械设备规模较小, 不适用于大型设备施工作业; (2) 施工工序繁多, 施工效率较差, 耗费大量的成本; (3) 施工中临时支护结构拆除作业时极易引发变形现象, 甚至会对工程安全造成影响; (4) 各时期支护之间的衔接性较差, 彼此之间具有相对独立性, 因此所得到的整体初支结构不够圆顺, 加大了应力集中现象出现的可能性。

双侧壁导坑法的可行性较差, 出于工程效率及质量的考虑, 在原有工艺方法上进行了改进, 提出如下2种方法。

首先是台阶分步临时支撑法。全断面将会形成3个台阶部分, 对于上台阶断面而言, 以分步开挖的方式进行施工, 同时应使用竖向临时型钢进行支撑处理, 当结束上述施工后依次进行中、下台阶的开挖施工。需注意的是, 台阶分步临时支撑法所涉及的工序较少, 所形成的开挖断面较大;但在进行临时支护拆除作业时, 极易出现初支应力大幅增加的现象, 如果该值超出了初支结构所具备的极限强度, 则极易引发坍塌。此方法的具体内容如图2所示。

考虑到上述方法存在的弊端, 在该基础上进行了改进, 此时得到了台阶临时支撑与部分双侧壁法相结合的方式, 其具体内容如图3所示。

在施工前期, 有必要进行动态数值模拟分析, 由此确定合适的开挖工法。基于对地铁车站隧道进行数值模拟的方式, 综合考虑工程所提出的质量、成本等多方面要求, 最终确定1套可行性较高的方法。此外, 为了验证方案的可行性, 应对施工过程中的各项参数进行监测, 并将其与模拟值进行对比, 从而对工艺方法进行全面掌握。

该项目采用二维弹塑性平面应变模型, 考虑到边界效应所带来的影响, 基于提升计算结果精确性的目的, 最终设定的模型尺寸有:于隧道中线部分而言, 其左、右2侧分别取70m和100m, 在进行上边界选取时应延展至地表处位置。在进行边界条件计算时应考虑的内容有:有必要给左右边界设置水平约束, 同时应在底边界处设置竖向约束;而对于地表处, 则将其设置为自由边界的形式。基于ANSYS有限元软件分析可知, 无论围岩、锚杆还是钢支撑等结构, 均需要遵循D-p屈服准则。在进行模拟分析时, 围岩设置为Plane42单元, 喷射混凝土环节则将其设置为Beam3单元。此外, 诸如锚杆及钢支撑等结构则采用Linkl单元模拟的方式。

该工程项目中, 所提出的方法均遵循图1～3所给的开挖顺序进行模拟分析。

对于浅埋暗挖超大断面隧道工程而言, 围岩必须具备足够的安全性, 具体体现在拱顶下沉和地表沉降2方面。对此, 本文以这两大指标为对象进行分析, 所得结果如表1所示。此外, 还对所提出的3种方法对应的锚杆轴力状态进行分析, 所得结果如表2所示。

对上述结果进行如下分析。

1) 关于改进后的方法二, 这种多技术综合的方式可大幅缩减施工工序, 此时围岩的扰动次数得到了良好控制, 工程施工周期较短, 在确保工程质量的前提下还具有良好的效益。因此, 只要严格遵循施工原则, 所得到的效果不亚于双侧壁导坑法。

2) 经改进后的方法二, 其所带来的锚杆轴力得到了良好控制, 为了进一步验证方法的可行性, 工程人员对锚杆承载力进行了全面检测, 结果表明其达到了工程标准, 在施工中具有足够的安全性。

3) 基于改进后的方法二, 所得到的围岩应力应变现象均可控制在工程许可范围内, 所设置的支护结构较为简单, 所得到的隧道整体稳定性较佳。

基于上述分析可知, 台阶临时支撑与部分双侧壁法的结合方式可以突破传统方式的弊端, 充分顾及工期、成本等多方因素, 可行性较佳。

出于全面控制隧道拱顶下沉及地表沉降现象的目的, 加之工程对工期、质量等方面所提出的种种要求, 最终选定为改进后的方法二进行施工, 即以台阶临时支撑为基础, 综合引入双侧壁法进行施工。在施工过程中, 密切关注开挖进尺、掌子面距离等各项性能指标;应尽早做好开挖面封闭工作;当获得足够的监测数据后, 相关人员便可在此基础上对工艺参数进行调整。

“台阶临时支撑+部分双侧壁法”的施工方式具有高度可行性, 它继承了多种传统方法的基本优点, 可创造足够安全的施工环境, 由此提升地铁车站隧道施工的整体质量, 在成本、效率等方面均能满足工程所提出的要求。当采用此方式后, 节省的施工成本达650万元, 相比传统方式提前125d完工, 整体效益良好。

以实际地铁车站隧道工程为例展开分析, 基于数值计算的方法, 加之密切的监测手段, 最终选定了“台阶临时支撑+部分双侧壁法”的施工方式, 实际结果表明此方法所带来的效果较为理想。