重庆轨道交通10号线中央公园东站位于重庆市渝北区空港新城中央公园东侧同茂大道下方, 沿同茂大道东西向布置。中央公园东站采用14m岛式双层车站, 车站净宽23.0m, 净高19.0m。主体最大开挖跨度25.54m, 开挖高度21.52m, 开挖面积468.55m², 采用直墙圆拱形断面, 复合式衬砌。车站围岩主要为砂质泥岩, 级别为Ⅳ级, 覆土厚度20.93~30.16m。车站采用双侧壁导坑暗挖法施工。

车站大跨度隧道采用双侧壁导坑台阶法开挖, 全断面分为9部分进行开挖施工 (见图1) 。

为满足施工造价、施工效率等要求, 施工方法的选择顺序为:全断面法→台阶法→环形开挖留核心土法→中隔壁法 (CD法) →交叉中壁法 (CRD法) →双侧壁导坑法;从施工安全、围岩受力变形角度考虑, 其选择的优先级顺序应反过来。不难发现施工效率较高时, 其施工断面划分或开挖支护措施较简单, 但在保证结构安全和受力较小的情况下, 其断面划分较多, 施工复杂。如何平衡这对矛盾, 进而选择合适的施工方法为亟待解决的问题, 其主要表现在确定施工方法以及开挖尺寸、施工先后次序等。

水平分层施工即将断面按照水平向分成若干层, 依次进行开挖土体、施作支护结构。若一次开挖高度过大, 土体卸载优化过快, 隧洞底部及洞室周边应力增长过快, 对洞室支护不利。

最典型的就是采取台阶法施工。采用台阶法施工时, 仅仅在断面划分若干层, 灵活多变、适用性强, 其作业面大和施工效率相对较高, 能较早地使支护闭合, 从而有效保证开挖面的稳定性和围岩收敛变形。

台阶法演化的施工方法很多, 比如长台阶、短台阶和超短台阶等。又如在大断面隧道的设计和施工中采用的三台阶临时仰拱法, 还有的大断面隧道采用多台阶法。分析这类台阶法施工, 可以发现采取台阶法施工时, 基于将大断面划分为若干更小的断面来实施开挖, 按照水平向分解成若干个层次, 仅为1层时就是全断面开挖, 分为3层时就是三台阶开挖, 在施工时根据隧道围岩条件和人员机械安排分别确定上、下台阶的高度, 从而灵活调整并最终实现整个隧道断面的开挖。

基于台阶法分析, 这类施工方法的选择均可统一于水平分层优化模型。当i=1时为全断面开挖方法即按照设计轮廓一次爆破成型, 然后修建衬砌;当i=2时为两台阶开挖;当i=3时为三台阶开挖等。结合工程实际和工程经验, 确定i值和h_i, 优选切合实际的方案。

如图2所示, 将同一断面分割为i层进行开挖。台阶高度为h₁~h_i。这类问题属于单过程多目标决策问题。因为在隧道施工开挖方案选择中, 分层数和台阶高度均应综合考虑施工经验和施工方便、经济适用等因素。

水平分层模型为:

在实际施工方案优化中, 仅需要对水平分层优化模型中2个主要参数 (即水平分层数和台阶高度) 集合进行确定, 最终确定水平分层优化模型的若干方案, 优化决策分析时仅需要对这几个方案进行比选就可以找到最优方案。

横向分块施工即将断面按照横向分成若干块, 依次进行开挖土体、施作支护结构。若一次开挖高度过大, 土体卸载过快, 隧洞底部及洞室周边应力增长过快, 对洞室支护不利。

常见的横向分块施工的方法有CD法、CRD法、双侧壁导轨法等, 均是将隧道断面分割成若干个横向洞室分别开挖, 最终实现全断面开挖。

当采用CD法进行施工时, 首先开挖隧道的一侧, 并在断面的中间部位施作中隔壁, 然后再开挖隧道断面的另一侧。CD法将断面分成左、右2个部分, 有效减小隧道跨度, 使隧道施工可以适应地层相对较差和围岩相对不稳定的洞室开挖。

当采用CD法进行施工不能满足安全要求时, 可在CD法基础上加设临时仰拱, 即交叉中隔壁法 (CRD工法) 。交叉中隔壁法即将隧道断面横向分成2块进行开挖, 在考虑实际地质因素和施工条件下, 再进行水平分层优化的施工方案, 加设临时仰拱, 将断面上、下进一步划分为小的区块, 从而达到减跨目的, 同时开挖的每步都各自封闭成环, 利于隧道围岩的稳定, 保证施工安全。

当采用CRD法进行施工不能满足安全要求时, 可以采用双侧壁导坑法。采用双侧壁导坑法将隧道的断面横向分成3块:左、右侧壁导坑和中部核心土3个区块, 对于中部核心土区块又进一步分解为上部核心土、下台阶。实际施工时采用双侧壁导坑法, 对于左、右两侧的导坑尺寸均有要求, 宽度不宜超过断面最大跨度的1/3, 高度以到起拱线为宜。

分析上述常见的CD法、CRD法、双侧壁导坑法等施工方法, 均采用横向分块对断面隧道进行减跨, 从而使隧道开挖施工更安全, 基于上述分析, 这类施工方法的选择均可统一于如图3所示的横向分块。

如图3所示, 将同一断面分割为j块进行开挖, 横向间距为w₁~w_j。这类施工方法均可统一归于横向分块模型中。

当j=1时, 即横向分块仅1块, 常见有全断面开挖和水平分层开挖的施工方法;当j=2时, 即为常见的CD法、CRD法;当j=3时, 即为常见的双侧壁导坑法。当j取更大值时, 常见案例中横向洞群开挖和多跨连拱隧道开挖均可以归于横向分块优化模型中, 因此, 使用横向分块优化模型可以有效解释常见施工方法和案例。

若不考虑隧道断面特定横向开挖, 即有j种分块, 对应有f_y=f (j, w) 种开挖方案。

在实际施工方案优化中, 仅需要对横向优化模型中2个主要参数 (即横向分块数和分块宽度) 集合进行确定, 即可最终确定横向分块优化模型的若干方案, 优化决策分析时仅需要对这几个方案进行比选就可以找到最优方案。

综合水平分层模型和横向分块模型可以得到平面分区模型, 如图4所示。

在实际施工方案优化中, 仅需要对平面分区优化模型中4个主要参数 (即水平分层数和台阶高度以及横向分块数和分块宽度) 集合进行确定, 最终确定平面分区优化模型的若干方案, 优化决策分析时仅需要对这几个方案进行比选就可以找到最优方案。

纵向分段即考虑开挖分部之间前后间距, 即开挖进尺问题。对于城市地铁隧道项目, 隧道工程多为线性结构, 在对其分析时均是取一段距离的隧道进行研究, 或者一些地铁车站也仅在一定长度范围内采用隧道断面进行构筑。因此, 沿着纵向分段优化问题可以统一于图5所示模型, 对一段总长度为L的隧道进行优化分析。实际施工时, 采用预留核心土开挖, 开挖过程中, 其参数 (如台阶间错开距离、核心土长度等) 均是通过纵向分段数集合体现。比较常见的施工方法为长台阶法、短台阶法、微台阶法, 均是通过调整纵向分段数集合来实现台阶长度的差异。

因此, 对于纵向分段优化模型可以统一为:

在实际施工方案优化中, 仅需要对纵向分段优化模型中2个主要参数 (即分段数和分段长度集合) 进行确定, 即可最终确定纵向分段优化模型的若干方案, 优化决策分析时仅需要对这几个方案进行比选就可以找到最优方案。

实际隧道工程是一个三维方向的空间结构, 实际隧道开挖必须同时分析3个方向。即将隧道内条柱状土体分区分块依次进行开挖支护, 最终实现隧道贯通。

综合平面分区模型f_xy=f[ (i, h) , (j, w) ]和纵向分段优化模型f_z=f (k, l) 可以得到三维分块模型, 如图6所示。

如图1给出的设计方案, 由于进入站厅层的施工通道位于 (1) , (3) 分块中间, 施工时用于分层的临时仰拱很难施作, 且 (1) , (2) 分块空间较小, 不利于机械施工, (7) 空间较大, 不利于人工施工, 需要对特大断面隧道施工9部开挖工法进行优化。

考虑改善施工通道环境、解决施工空间以及临时仰拱的施作, 优化方案中保持现有开挖支护参数, 仅对断面开挖尺寸和开挖次序进行优化分析。基于控制变量的考虑以及模型尺寸和实际施工问题, 本次优化采用等间距循环开挖进尺, 因此, 选用平面分区优化理论模型f_xy=f[ (i, h) , (j, w) ]进行优化。

继续采用9部开挖工法, 即i=j=3, 仅对参数h集合做出优化。考虑施工实际情况, 将 (1) 分块的下部调整到车站站厅层, 便于施工车辆由施工通道进入并通过站厅层进行隧道断面开挖, 能够优化后续施工组织设计;同时将 (3) 分块依次向下调整, 并减小了仰拱区上方 (5) 分块;减小 (7) 分块, 采取人工开挖, 减小大断面隧道对围岩的扰动, 尤其是便于控制拱部变形;相应增大了 (8) 分块和 (9) 分块, 增大核心土区域面积, 便于施工期间隧道的稳定, 同时中间预留较大部分核心土, 便于后续施工机械开挖。

由于更改了每个分块的h _{(i, j)} , 则每个分块的实际开挖面积发生改变, 实际开挖卸荷过程发生变化, 是否能沿用原设计开挖顺序方案需要进一步优化论证。因此, 对于这样将大断面分为9个分块进行多阶段多决策的开挖问题, 可以采用动态规划模型和层次分析模型一同进行优化分析。优化后开挖断面如图7所示。

将9个分块视为9个子洞室进行开挖, 每个分块均采取自上而下的顺序开挖;开挖支护使用设计支护参数, 不加以改变, 仅考虑对参数h _{(i, j)} 的优化结果;每个分块的岩土体采取一次性开挖。

对大断面隧道开挖优化方案进行施工力学分析, 由于有大量计算, 合理选择计算模型尤为重要。对于9部开挖工法优化采用FLAC3D软件进行计算, 具有易参数化建模计算、易收敛等优点。主要计算模型如图8所示。

通过分析, 仍然可以沿用原设计开挖顺序方案进行施工。主要施工工序如下。

1) 先开挖两侧导坑, 再开挖中部剩余部分, 侧壁导坑形状近似椭圆形, 导坑宽度为1/3隧道宽度, 开挖方式均采用弱爆。爆破时严格控制炮眼深度及装药量。

2) 侧壁导坑、中部采用台阶施工, 台阶长度10~30m, 同层左、右两侧纵向错开10m, 侧壁导坑纵向错开中部核心土20m, 各工序平行流水作业。

3) 开挖循环进尺根据围岩地质条件和初期支护钢架间距合理确定, 不得大于2榀拱架间距。

4) 底部开挖完成后, 仰拱及仰拱填充施工及时跟进, 提早形成封闭环。

5) 开挖后及时对围岩进行监控量测, 分析数据, 反馈结果, 分析洞身结构的稳定性, 为支护参数的调整、浇筑二次衬砌的时机提供依据。围岩变形稳定后施工二次衬砌。车站施工工序如图9, 10所示。

采用优化后的分块方案施工, 经对右侧壁导洞 ( (2) , (4) , (6) 分块) 监控量测数据进行分析, 收敛累计最大18mm, 拱顶沉降累计最大15.9mm, 结构稳定、安全。

(1) , (2) 分块原设计断面成近似三角形, 面积34m²。开挖断面小, 不利于机械出渣, 爆破后需采用人工将留在台阶平台的土石方清理至中台阶上, 再采用机械装运出洞。开挖每循环进尺1.5m, 按留在平台的土石方2/3计算, 共需人工清理土石方34×1.5×2/3=34m³, 安排6人, 每循环需耗时3.8h。车站全长216m, 共216/1.5×2=288个循环, 共耗时1 094.4h。

采用优化的分块方案后, (1) , (2) 分块面积53.2m², 自站厅层进入后方便挖掘机和铲车作业, 原设计断面34m²土石方全部采用机械装运, 可直接节约时间1 094.4h。

(1) , (2) 分块原设计断面不利于机械出渣, 爆破后需采用人工将留在台阶平台的土石方清理至中台阶上, 再采用机械装运出洞。开挖每循环进尺1.5m, 按留在平台的土石方2/3计算, 共需人工清理土石方9 792m³。按照优化后的分块方案, 可节约土石方人工清运费用为9 792m³×15元/m³=146 880元。

通过优化分析, 得出优化方案优于原设计方案, 包括施工方法以及开挖尺寸、施工的先后次序等。