地铁车站风道施工方案比选

摘要：以北京地铁十四号线将台站风道施工为背景，对采用浅埋暗挖法施工的车站风道工程中常用的几种施工方法进行了初步分析对比。进而将CRD工法及洞桩法进行数值模拟分析，从安全性、造价及工期三个方面对两种工法进行比较分析，得出更适合本工程的施工方法。

关键词：围护结构变形; 数值模拟; CRD; 洞桩法

中图分类号：TU94.2文献标识码：A

在地铁工程的施工过程中，地表沉降导致的事故发生的概率很高。地铁风道施工的技术关键为：如何有效地控制地表沉降来满足环境、交通、建(构)筑物及管线的要求，如何防止洞内土体坍塌，确保周围土层稳定，使整体结构受力合理，作业安全。本文以北京地铁十四号线将台站风道工程为例，对不同的施工方案进行了比选分析。

1工程概况

北京地铁十四号线将台站风道主体结构为地下三层单拱结构，最小覆土厚度8．8m，底板埋深29.78m，宽为12.8m，高度为20.83m。风道下穿酒仙桥路，公路交通繁忙，周围很多高层建筑物，地下有各种管线，场地位于沉降边缘区，随着区域地下水开采量增大，地面沉降范围及其灾害效应会加大，因此在设计中宜考虑可能发生的地面沉降量，并采取相应的防治措施。其主要特点：①受特殊的地理位置的制约，须采用浅埋暗挖施工，但由于风道覆土浅、跨度大、覆跨比小、边墙较高，因而施工难度大。②受外部环境的制约严格。由于风道下穿公路、附近有很多建筑物，因此对方案的可靠度和地表的沉陷量提出了较高的要求。

2初步分析

根据开挖分部的不同形式，目前国内地铁车站风道的浅埋暗挖施工主要有CRD法、洞桩法、中洞法、侧洞法等多种方法。

CRD法主要特点：1.将大断面隧道划分成小断面分步施工，各个部分封闭成环的时间短，每个工序受力体系完整。2.多次扰动地层，需要控制沉降。适用范围：1.适用于少水的软岩或土质地层；2.适用于中小跨度地下工程。

洞桩法主要特点：1.利用小导洞施作桩及桩顶纵梁，形成主要传力结构；2.通过桩体使深部地层参加结构受力，地层变形小；3.在拱部支护和边桩保护下进行主体开挖，能够形成大空间作业；4.在扣拱后开挖下部土层，地表沉降容易控制；5.施工期间结构受力转换明确，施工安全容易保证。适用范围：1.适用于少水的软岩或土质地层；2.适用于大跨度地下工程或对地层变形需要严格控制的中等跨度地下工程。

中洞法主要特点：1.中洞先行，建立起梁柱支撑体系，然后施作侧洞；2.分块多工序多，多次扰动地层，需要控制沉降；3.废弃工程量较大。适用范围：1.适用于少水的软岩或土质地层；2.适用于单层或高度不大的双层中小跨度隧道。

侧洞法主要特点：1.两个侧洞先行，然后施作中洞；2.分块多，工序多，多次扰动地面沉降大；3.废弃工程量较大。适用范围：1.适用于少水的软岩或土质地层；2.适用于大跨度地下工程。

结合本风道结构的实际情况，风道结构属于高边墙结构，高垮比较大，若采用侧洞法和中洞法这种将结构纵向分割分部开挖的工法，单个洞室的高跨比会更加大，在施工时不利于隧道结构的稳定性。经初步分析比较，下面对CRD法和洞桩法进行施工方案比选。

3数值计算模型

洞桩法与CRD法施工工序中，小导管注浆的加固效果可视为在开挖面周围土体中形成了约0.6～1．2m厚的环状预加固圈。喷层作为衬砌单元采用弹性材料来模拟；钻孔灌注桩围护结构的单桩形式等效成一定厚度的地下连续墙来模拟计算；格栅钢架通过压刚度等效的方法进行考虑；钢支撑采用梁单元来模拟。

图1 CRD法三维计算模型

图2 洞桩法三维计算模型

4模拟结果及分析

4.1地表沉降对比分析

图3两种不同工法地表沉降对比图

图3中可以看出，在采用洞桩法施工时，模拟所得到的数值均小于采用CRD法施工模拟时所得到的数值。CRD法施工时，施工包括洞室分部开挖、架设初支、拆除临时支护、浇筑二衬，其中每一个工况均会引起地表沉降，不利于沉降控制。洞桩法施工时，完成围护桩和顶拱初衬之后，形成了围护桩、冠梁、拱部初衬所形成的稳定的支撑体系来承受横向和竖向的复合荷载，可有效控制之后进行的施工工况所引起的地表沉降。

4.2围护结构水平位移对比分析

图4 两种不同工法围护结构水平位移对比图

图4中可以看出，在采用洞桩法施工时，模拟所得到的数值均小于采用CRD法施工模拟时所得到的数值。风道结构的边墙较高，有很大的侧向土压力。CRD法施工时，侧向压力主要由格栅喷混支护结构承担，刚度较小，且支护是在土体开挖后才开始架设，在初期支护达到一定强度前，土体已产生一定的位移，所引起的水平收敛较大。洞桩法施工时，侧向压力主要由灌注桩加内支撑或楼板二衬结构所组成的支护结构承担，刚度较大，围护桩是在土体开挖前完成，很好的约束了土体的侧向变形。其小导洞的施工阶段还可先探测结构所在地层的实际情况，也可排导地下的残留水，为后期结构施工做好准备。

5安全、造价、工期对比分析

5.1安全性

从本次研究的计算数据可以看出，洞桩法施工所引起的最大地表沉降值比CRD法的少了34.6%；洞桩法施工所引起的最大水平收敛值仅有CRD法的27.4%。洞桩法在扣拱完成后所产生的地表沉降约占总沉降的83.2％。

CRD法施工时，施工包括洞室分部开挖、架设初支、拆除临时支护、浇筑二衬，其中每一个工况均会引起地表沉降，不利于沉降控制。风道结构的边墙较高，有很大的侧向土压力。侧向压力主要由格栅喷混支护结构承担，刚度较小，且支护是在土体开挖后才开始架设，在初期支护达到一定强度前，土体已产生一定的位移，所引起的水平收敛较大。

洞桩法施工时，完成围护桩和顶拱初衬后，形成了围护桩、冠梁、拱部初衬所形成的稳定的支撑体系来承受横向和竖向的复合荷载，可有效控制之后进行的施工工况所引起的地表沉降。侧向压力主要由灌注桩加内支撑或楼板二衬结构所组成的支护结构承担，刚度较大，围护桩是在土体开挖前完成，很好的约束了土体的侧向变形。其小导洞的施工阶段还可先探测结构所在地层的实际情况，也可排导地下的残留水，为后期结构施工做好准备。

5.2造价

经验与分析告诉我们“CRD”工法与“洞桩法”造价接近。“洞桩法”的围护桩尽管是支护结构，但是提高了车站结构的安全储备，综合效益占优势；采用的中间支撑系统可以回收和重复利用，废弃工程较少。北京地区的建设经验表明，在呼家楼车站这种形式的车站修建在综合效益方面“洞桩法”要优于“CRD”工法。

5.3工期

工期受到的约束条件有很多，管线改移、房屋拆迁、施工方案变更、施工中的突发事故等很多因素都会影响施工的工期，我们比较的时候只考虑正常施工的情况。将台站风道结构特点是高跨比较大，CRD工法施工时，分为四层八个部分，因每分部土体开挖的场地狭小，无法使用机械设备进行开挖，在施作结构二衬时，拆撑、换撑的工序复杂；洞桩法施工先慢后快，前期施做小导洞、围护桩和拱部初衬时进度较慢，在洞室顶部支护完成以后，可以形成较大较安全的工作空间，可以使用小型挖掘机械作业，可以大大提高掘进速度。本风道结构是单跨的且只有两个小导洞，工程量较小，就工期来看，CRD法比洞桩法与施工的工期略长。采用CRD法与洞桩法工期影响因素比较见表7。实际施工中，两种功法的工期应该比较接近。

4结论

通过数值模拟分析两种施工方法比较后，发现洞桩法能更好的控制隧道施工时的土层位移，施工更安全，对外界影响较小。在综合考虑了沉降、水平收敛、工程造价和工期后，得出选择洞桩法作为本地铁车站风道的施工方案更为合理。

参考文献

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