大断面暗挖地铁车站双侧壁导坑法施工工序优化

发布时间：2020-03-16所属分类：建筑师职称论文浏览：1次

摘 要： 摘要：以某地铁车站工程项目为例，对大断面暗挖地铁车站双侧壁导坑法施工工序展开了详细的介绍。同时，结合工程特点，通过建模分析，进行了施工工序优化，达到了施工安全、高效的目标。 关键词：大断面;地铁车站;双侧壁导坑法;施工工序 1 工程概况 某地铁站

　　摘要：以某地铁车站工程项目为例，对大断面暗挖地铁车站双侧壁导坑法施工工序展开了详细的介绍。同时，结合工程特点，通过建模分析，进行了施工工序优化，达到了施工安全、高效的目标。

　　关键词：大断面;地铁车站;双侧壁导坑法;施工工序

　　1 工程概况

　　某地铁站位于城市中央公园东侧，总长203.8 m，为岛式双层车站。车站整体宽22.67 m，高18.72 m，主体最大开挖跨度23.72 m，开挖高度22.74 m，整体开挖面积 534.27 m2 ，整个工程的施工均采用直墙断面及复合式衬砌。车站围岩主要为砂质泥岩，围岩级别为Ⅳ级，覆土厚度21.53～30.26 m。由于该地铁站紧靠公园东侧道路主干线，道路宽22 m，车流量较大;西侧为2栋14层住宅楼，地下管线较多，故采用双侧壁的方式施工(图1)。

　　2 基本理论为了进一步满足施工需求，提升施工效率，降低成本，施工方式最先选择全断面法，最后确定为双侧壁导坑法[1] 。为了进一步提升施工安全水平，避免周围的围岩出现变形等情况，就要转变以往的施工顺序，从而可以清晰地看出，当技术工作人员在提升工作质量后，施工断面划分效率会提高，但是在结构稳固且具有较少受力的情况时，整个施工的过程会更加复杂，工序相较而言更钝[2] 。为更好地处理这两者之间的关系，并在此基础上选择更加合适的施工方式，就需要有关部门给予重视并及时解决发生的重要问题。总而言之，当前亟待解决的主要问题包括开挖尺寸以及施工的顺序等。

　　2.1 水平分层模型

　　该模型主要是以断面为根据，将断面分成若干大小，根据正确的施工顺序，相关专业的施工人员先将土体挖开，但是要注意开挖的速度，保证开挖速度均匀，避免出现因开挖的高度过高从而造成土体卸载过快及周边的应力增长过快，反而不利于洞室的保护。在这一过程中，最为经典的便是采用台阶施工的方法进行开挖，主要是将断面划分成多个部分，从而保证其具有极强的适应力，由于整体的施工效率较高，可以在第一时间采用支护闭合，进而有效地保证开挖面的稳定性[3] 。台阶法演化存在多种施工类型，特别是断面中存在不同台阶情况时，便可以采用仰拱的方式来进行施工，以此来分析台阶法的施工，还可以按照水平方向来分解成不同的层次，分别设置全断面的开挖以及三台阶的开挖，具体情况需要相关工作人员根据实际情况和机械情况而定，并在此基础上进行适当的调整。

　　对于台阶法的施工，可以选择同一水平的分层优化模型(图2)，当不同条件下，结合实际情况来选择最为恰当且合适的方案[4] 。将断面分隔并进行开挖，适用于当施工的目标已经明确的情况下进行，这样可以有效避免施工中可能存在的失误，分层台阶的高度也需要尽可能地视施工以及实际的经济情况而定。然而，在对实际的施工方案进行优化的过程中，仅仅需要对水平分层优化模型的主要参数进行集合确定，并在此基础上确定最后使用的方案，对备选方案进行对比，以此来寻求最有价值的方案来应用到施工的过程中。

　　2.2 横向分块模型

　　横向分块模型施工主要是根据断面进行横向分块，并且按照顺序来挖土体，以此来当作支护结构，避免开挖程度过深所造成的周边应力变化过快，从而影响洞室的高效施工。当前施工团队在进行施工的过程中经常会使用以下几种方式进行隧道的挖掘和施工，其中的原理都是水平分层的施工，并在此基础上进行分别开挖，到最后进行全面开挖，当采用横向分块的方式施工时，最开始需要挖隧道的一端，将断面中间当作隔壁，并对另一侧进行开挖。当分为2个部分时，可以有效地减少跨度，促使隧道施工可以选择最为合适的底层，根据围岩的不稳定性来开挖。若是在施工的过程中并不能更好地满足安全方面的要求时[5-6] ，就可以在这一方法的基础上增加隔壁，这种方法称之为隔壁法。隔壁法需要结合隧道项目工程的实际施工情况进行施工和分割，在此基础上划分小区块来达到减小跨度的目的，还要在开挖的过程中做到每一个工序都可以自动封闭，以此来保护隧道围岩的结构安全，并保证施工的顺利进行，当采用另外一种施工方式，且这种方式不能更好地满足施工要求时，双侧壁导坑法便是一个更好的选择，在这一方式中需要将断面分成3块，并在中间的核心土区分为上下台阶，对于左右两侧的导坑尺寸也要进行明确，避免出现宽度过大的情况[7] 。因此，当前常见的几种隧道开挖类型主要都是采用横向分块来减跨隧道横面(图3)，以此来保证整体施工的安全高效。

　　从图3可以看出，在这一分隔断面中的横向间距是固定的，这类方式都可以放在同一的横向分块模型中，当j等于不同的数值时，都有具体的施工方式，主要分为全断面开挖以及水平分层开挖等施工方式。双侧壁导坑法在j≥3 时使用，并且在案例中的横向洞群开挖以及隧道开挖都可以应用在横向分块模型中，也能化解很多更难的施工，若在施工的过程中不考虑特定开挖，便会有不同的隧道施工挖掘方式[8] 。相关专业的技术人员在进行具体施工中，为了提升整个施工项目的质量和速度，需要结合实际情况对横向优化模型进行分析和参数方向的确定，以此来分化成其他的方案，并对其进行对比，从而选择出最为适合的方案。

　　2.3 平面分区模型

　　水平分层模型平面开挖的顺序为fxy=f [(i, h), ( j, w)]，并在实际优化方案中，需要对模型中的4个重要的参数进行几何确定，以此来确定具体的模型优化，在进行决策分析的过程中也需要对这几个方案进行比选，通过分析比较来确定最为合适的方案。

　　2.4 纵向分段模型

　　在这一阶段施工的过程中特别注意的是开挖部分以及开挖的间距，特别是对于一些城市地区的地铁隧道，更要积极地采用纵向分段的开挖模式。当前一些城市中的地铁隧道的工程便使用了这一模式进行施工，相关专业的施工人员需要结合隧道设置的参数等在地铁隧道采用一定长度断面的分段建造方式(图4)。相关的技术施工人员对长度为L的隧道进行优化分析，并在实际施工的过程中沿着纵向分段优化采用预留核心土进行开挖[9] 。在开挖的过程中根据参数等进行纵向分段数的集合，当前较为常见的多数都是长短台阶法等施工方法。但是在实际施工的过程中也需要根据实际情况来调整开挖存在的差异。

　　在具体施工优化的过程中，为了确定最终的优化模型，就需要结合纵向的分段优化方面的参数确定，在这一施工过程中进行的纵向分段优化模型也可以当成fz=f(k, l)。

　　2.5 三维分块模型

　　在相关技术人员对实际的隧道进行开挖施工的过程中，具体需要对1个三维方向的结构空间进行施工，实际的隧道开挖也需要对3个方向进行具体的分析，也需要对3个不同方向的施工养护，通过高效的养护来保证隧道修建水平和质量的达标(图5)。

　　3 优化分析

　　3.1 开挖断面分块

　　为了进一步保证施工方案得以顺利的实现，此次优化分析的情况主要按照图1中所提供的设计方案对站厅层施工。在施工的过程中采用分层的临时仰拱，主要是由于上述的分块具有较小的空间，在进行机械施工的过程中可能会产生一定的局限，不仅不利于工人的施工，更是不利于机械的进入，这就需要对特大断面隧道采用特殊的施工方式[10] (图6)。为了保证隧道修建项目的顺利完成，并可以在施工中顺利高效地运行，避免不必要的风险发生，那么，修建施工技术人员就需要设置开挖的支护参数[11] 。若是在这一过程中仅仅对开挖的次序进行分析，基于控制变量以及实际尺寸模型的情况，此次方案需要优化等距循环开挖进尺，平面分区优化理论模型为fxy=f [(i, h), ( j, w)]。

　　在这一过程中继续采用9步开挖工法，也就是i =j=3，在这过程中，施工人员仅仅是对参数h进行优化，为了更好地贴合实际的施工情况，并提升整体的施工质量，就要将第1部分调整到车站厅层，保证施工的车辆可以在隧道中自由行驶，进行高效的开挖工作，以此来对后续的施工组织进行优化，与此同时，还需要对第3部分按照顺序进行调整，这一工序减少了仰拱区的上方几部分，也能增加核心土区的面积，更是有利于保证施工期间隧道的安全稳定，也有利于在后续施工中的高效以及质量的提升[12-13] 。

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　　在施工中对每个分块进行了更改，由于实际开挖面积发生了变化，这是数据和参数等方面引起的，参数发生了变化更是造成了隧道施工开挖过程的改变，以往所设计的开挖顺序需要与实际的施工情况相结合，并对其进行合理的调整和优化。

　　3.2 开挖断面分块优化数值分析

　　3.2.1 约束条件

　　在施工过程中，若是相关专业技术人员对上述分块及子洞室开挖，并且每个分块的开挖顺序是一致的，开挖的支护所使用的设计参数需要保证固定，不可因为实际情况的变化而发生改变。在这过程中需要考虑该参数的结果，就要对分块岩土采取一次成型的开挖方式。

　　3.2.2 工序

　　在大断面隧道进行开挖的过程中，需要根据实际的开挖方案以及施工力学进行具体的分析，在分析过程中由于会涉及到大量的计算，为了有效地减少整体的计算量，并减少误差[14] ，从而做到高效施工，便要选择合理的施工计算模型，对于这一施工模型来讲，选择FLAC3D软件最为合适，这一软件具有合适的参数建模计算，并且易于收敛(图7)。

　　在通过上述分析研究后得知，相关专业的施工技术人员仍然可以按照以往原有的方式进行开挖施工(图8、图 9)。

　　1)需要对两侧进行开挖，当对两侧开挖完毕后，需要挖剩下的部分，由于侧壁导坑的形状与椭圆形相似，且导坑的具体宽度为实际的1/4左右，那么具体的开挖方式需要采用弱爆，在爆破的过程中需要注意实际的装药量。

　　2)专业的技术人员需要采用台阶施工的方式，对台阶的实际长度进行固定，并在此基础上分别向左右两侧错开一定的距离。

　　3)在开挖过程中需要根据围岩地质条件以及施工初期支护钢架的间距确定，也要对仰拱进行及时的确定和跟进，以此来在最短的时间形成防护栏。

　　4)在开挖后，相关专业的技术人员需要采用专业的机械对围岩进行精确度的测量，特别是对具体的测量数据和反馈结果进行分析，以此来确保洞身结构的稳定，也有利于进行支护参数方面的调整[15] 。

　　4 优化效益分析

　　4.1 施工安全

　　在对整个施工项目进行优化后，右侧壁导洞的检测数据显示整体的施工结构安全达标。

　　4.2 施工工效

　　分块原设计断面以三角形的形式呈现，且开挖面积较小，并不适用于机械出渣，在对爆破清理完毕后，需要采用相关的机械来将其运输出洞口，对其爆破后需要根据具体情况来预留合适的土石方计算。

　　当采用了优化方案后，上述第1块和第2块的面积变大，站厅层进入后也更加有利于进行高效的施工，并且能够在最大程度上节省时间。

　　4.3 经济效益

　　通过优化分析，原设计断面并不利于在最大程度上出渣，需要对其进行爆破处理，并采用机械装运出洞，在进行优化分析后，优化后的方案相比较于原来的方案更加合适，也较有利于机械出渣，并不需要采用专业的机械入洞运渣[16-17] 。

　　5 结语

　　双侧壁导坑法是一项较为常见的隧道开挖的施工方法，更是当前隧道开挖技术发展的产物，这种方法凭借着安全高效、沉陷更低等优势在地铁车站施工的过程中得到了普遍的应用。此次研究分析了某地铁站的实际运行情况，并分析了双侧壁导坑法应用的优势，在此基础上取得了良好的经济效益，可供其他类似工程参考。