王曉飛WANG Xiao-fei；程林CHENG Lin

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司，西安 710199）

0 引言

豎井是地鐵區(qū)間隧道首要完成的分項(xiàng)工程，地鐵屬于城市地下工程，為避免對(duì)城市交通及人們出行造成影響，通常采用對(duì)地上活動(dòng)影響較小的暗挖或蓋挖施工方法，在這其中，豎井轉(zhuǎn)橫通道是后續(xù)車站或區(qū)間隧道施工的關(guān)鍵工序[1]。目前，地鐵暗挖豎井轉(zhuǎn)橫通道主要采取“先豎井后橫通”及“豎井-橫通并行”兩種施工方案，“先豎井后橫通”施工方案中，施工人員需要先豎井封底，隨后在井內(nèi)搭建施工平臺(tái)進(jìn)行橫通施工；“豎井-橫通并行”施工方案中，施工人員需要先進(jìn)行豎井施工，達(dá)到封底標(biāo)高時(shí)搭建臨時(shí)平臺(tái)進(jìn)行橫通道施工，橫通道施工至預(yù)定位置后完成豎井剩余部分施工。本文依托西安15 號(hào)線神舟二路站工程，分析黃土地層中不同施工方案對(duì)豎井-橫通道整體結(jié)構(gòu)、地表沉降、地層受力及形變特征進(jìn)行分析，并針對(duì)這些情況提出相應(yīng)措施，以提升施工穩(wěn)定性。

1 工程概況

西安15 號(hào)線神舟二路站位于東長(zhǎng)安街與神舟二路十字路口，主要沿東長(zhǎng)安街東西向敷設(shè)于路中綠化帶內(nèi)，因此軌面埋深47.5m，車站采用明挖基坑+分離島站采用暗挖隧道的施工方法，主要通過(guò)D15XZ-SZZ-034 樁號(hào)處設(shè)置的豎井通過(guò)橫通道施工。車站站廳層形式為地下兩層三柱四跨框架結(jié)構(gòu)，明挖基坑總長(zhǎng)136.4m，標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為36.4m，基坑開(kāi)挖深度約為19.9m；站臺(tái)層為地下一層隧道分離島式車站，站臺(tái)暗挖隧道總長(zhǎng)度167.2m，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為10.2m（寬）×10.87m（高），拱頂埋深39.3m；盾構(gòu)端頭井段開(kāi)挖寬度12.05m，開(kāi)挖高度11.37m；覆土深度約39.0m。

工程區(qū)間車站施工，西北側(cè)為煙草公司及家屬小區(qū)，周邊規(guī)劃以商業(yè)用地、工業(yè)用地和公共綠地為主，施工地區(qū)地貌單元屬黃土塬，車站主體擬建場(chǎng)地地勢(shì)開(kāi)闊，地形平坦，勘探點(diǎn)地面高程約499.29～502.19m，最大高差約2.90m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，擬建工程場(chǎng)地在勘探深度90m范圍內(nèi)，即豎井和通道覆蓋層主要為第四系堆積物，即由雜填土（Q4ml），新黃土（Q3eol）、老黃土（Q2eol）、殘積（Q2el）古土壤等互層組成。工程中豎井支護(hù)主要采用超前小導(dǎo)管、格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)、豎向連接筋及噴混凝土；橫通道支護(hù)主要采用大管棚、超前小導(dǎo)管、格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)、豎向連接筋、噴混凝土、二次襯砌。

2 豎井轉(zhuǎn)橫通施工方案穩(wěn)定性比較

2.1 施工方案比較

施工方案一“先豎井后橫通”，豎井與橫通交叉段施工共有五個(gè)施工工序：①豎井鎖口段施工，需要開(kāi)挖鎖口段，設(shè)置井壁支護(hù)和安全柵欄、安全門(mén)；②豎井井身施工，井身施工采用倒掛井壁法，施工重點(diǎn)在于井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置，可采用格柵鋼架網(wǎng)噴C25 混凝土進(jìn)行施工作業(yè)；③井底施工，可采用C30 混凝土進(jìn)行封底，注意井底結(jié)構(gòu)面低于橫通道結(jié)構(gòu)；④馬頭門(mén)施工，完成豎井封底施工后，搭建施工平臺(tái)開(kāi)展馬頭門(mén)破除作業(yè)，隨后采用鋼格柵+混凝土的方式設(shè)置臨時(shí)仰拱[2]；⑤橫通道施工，采用臺(tái)階法進(jìn)行施工，上臺(tái)階進(jìn)尺5 至8m 后將馬頭門(mén)下臺(tái)階混凝土破除，采用鋼格柵+噴射混凝土的方式進(jìn)行支護(hù)，隨后同時(shí)開(kāi)展橫通道上下臺(tái)階施工。

施工方案二“豎井-橫通并行”，鎖口段施工與方案一相同；井身施工至橫通道上臺(tái)階處停止開(kāi)挖，開(kāi)展臨時(shí)封閉施工；對(duì)馬頭門(mén)段進(jìn)行超前支護(hù)，隨后破除馬頭門(mén)進(jìn)行橫通道上臺(tái)階施工；上臺(tái)階進(jìn)尺4.00m 后并行開(kāi)展剩余豎井段和下臺(tái)階施工，完成后將豎井井底永久性封底；重復(fù)上述施工工序?qū)M通道開(kāi)挖至主線位置，轉(zhuǎn)入馬頭門(mén)施工[3]。

2.2 施工方案穩(wěn)定性分析

根據(jù)該工程具體施工條件，對(duì)豎井轉(zhuǎn)橫通道進(jìn)行施工模擬分析，將地層轉(zhuǎn)化為均值水平的層狀分布，地層巖土體采用Mohr-Column 本構(gòu)模型。豎井轉(zhuǎn)橫通道計(jì)算分析模型中，X、Y 方向的尺寸分別為66.00m 和36.00m，共劃分單元數(shù)43802，并預(yù)先設(shè)置好X、Y 方向的平動(dòng)自由度，結(jié)合勘察資料（如，雜填土、新黃土、老黃土、支護(hù)等重量、模量、摩擦角、厚度、粘聚力等）建立施工模擬數(shù)值模型（見(jiàn)圖1），依照施工步驟進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，最終得出相應(yīng)結(jié)果。

圖1 豎井轉(zhuǎn)橫通道施工模擬分析模型

根據(jù)模擬結(jié)果分析穩(wěn)定性可知：

①地層沉降特性：兩種施工方案引發(fā)的地層沉降基本一致，方案一最大沉降為14.60mm，方案二最大沉降為14.80mm，地表變形均呈現(xiàn)橢圓狀，其中最大變形位于鎖口圈梁地表，最大形變量為15.00m。

②豎井支護(hù)結(jié)果穩(wěn)定性分析：兩種施工方案豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)均處于受力情況，不同受力方向最大變形量不同，但變形位置均靠近馬頭門(mén)方向，方案一在X、Y、Z 方向上最大形變量為17.48mm、26.82mm、38.15mm，方案二在X、Y、Z 方向上最大形變量為13.65mm、23.10mm、38.35mm，方案二相較于方案一在X、Y 方向最大變形量降低，但在Z 方向上高于方案一。對(duì)豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)最大受力情況進(jìn)行分析，在靠近馬頭門(mén)拱肩標(biāo)高內(nèi)側(cè)井壁區(qū)域，方案一的大主應(yīng)力為1.216.00kPa、最大剪應(yīng)力為10618.21kPa，方案二的大主應(yīng)力為8746.61kPa、最大剪應(yīng)力為8539.54kPa（具體見(jiàn)表1），相較于方案一，方案二的大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別減少了14.358%、19.57%，很大程度上降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的壓力，改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況。

表1 豎井最大受力參數(shù)對(duì)比表（單位：kPa）

③橫通道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析：兩種施工方案橫通道支護(hù)結(jié)構(gòu)均處于整體受壓情況，對(duì)不同方案下豎井不同方向位移情況分析可知，方案一在X、Y、Z 方向上最大形變量為17.48mm、17.31mm、25.73mm，最大變形位置距離馬頭門(mén)2m 的橫通拱底；方案二在X、Y、Z 方向上最大形變量為13.65mm、12.97mm、26.74mm，最大變形位置位于距離馬頭門(mén)12m 的橫通拱腰，分析可知，距離馬頭門(mén)位置越近，豎井與橫通道交叉部位施工穩(wěn)定性越差。

④馬頭門(mén)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析：根據(jù)上文分析，在兩種施工方案下，收斂變形最大的位置為馬頭門(mén)拱腰處豎井兩側(cè)井壁，對(duì)不同施工步驟該區(qū)域收斂變形情況進(jìn)行模擬可知，豎井施工至18.00m 處時(shí)，豎井收斂變形急劇上升；在進(jìn)行豎井開(kāi)挖至橫通道上臺(tái)階標(biāo)高處時(shí)，方案二豎井收斂變形幾乎不變；到橫通道上臺(tái)階開(kāi)挖至6m 時(shí)，收斂變形持續(xù)增大，最高可達(dá)44.94m；方案一收斂變形最大值則為52.28m，增加了14.03%。對(duì)橫通道距離馬頭門(mén)2.00m 的拱底位置進(jìn)行變形對(duì)比分析可知，當(dāng)豎井施工深度至3.00m 時(shí)，拱底逐漸出現(xiàn)隆起變形，且對(duì)著施工工序開(kāi)展，隆起程度逐漸增加，在這種情況下，兩種施工方案隆起變化基本一致，變形值差距較小。同時(shí)，對(duì)馬頭門(mén)處最大剪應(yīng)力分布情況進(jìn)行對(duì)比分析，方案二最大剪應(yīng)力為8539.54kPa，方案一最大剪應(yīng)力為9377.90kPa，方案二最大剪應(yīng)力相較方案一小了近10%。由此可知，方案二橫通道橫向最大變形值可減少63.49%，相較于方案一無(wú)論豎井、橫通道結(jié)構(gòu)支護(hù)受力與變形均能得到又有效的控制，但是，在馬頭門(mén)位置、豎井及橫通道交叉等施工危險(xiǎn)區(qū)域，需要加強(qiáng)施工把控，加強(qiáng)馬頭門(mén)破除前豎井及橫通道周圍土體加固及支護(hù)強(qiáng)度，保障該應(yīng)力集中部位的穩(wěn)定性，確保施工有序開(kāi)展。

2.3 施工方案穩(wěn)定性比較

由上文可知，“先豎井后橫通”及“豎井-橫通并行”均是目前國(guó)內(nèi)地鐵暗挖豎井轉(zhuǎn)橫通普遍應(yīng)用的兩種施工方案，均有大量施工實(shí)例和成熟施工體系。結(jié)合大量工程實(shí)踐和西安15 號(hào)線神舟二路站工程可知，采用“先豎井后橫通”施工方案，豎井與橫通道交叉段馬頭門(mén)施工穩(wěn)定性較強(qiáng)，但整體施工工序較為復(fù)雜，施工工期長(zhǎng)，危險(xiǎn)性較大，豎井封底必須達(dá)到一定強(qiáng)度后才能搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行馬頭門(mén)破除作業(yè)；完成橫通道上臺(tái)階支護(hù)后需要將作業(yè)平臺(tái)拆除后才能進(jìn)行下臺(tái)階的施工，工序間干擾較大，整體過(guò)程較為繁瑣，平臺(tái)搭建和拆除需要花費(fèi)大量時(shí)間，且危險(xiǎn)性較高[4-5]。

采用“豎井-橫通并行”施工方案，施工至橫通道上臺(tái)階位置就進(jìn)行臨時(shí)封底，開(kāi)展上臺(tái)階施工支護(hù)，推進(jìn)4m后將臨時(shí)封底拆除，并行開(kāi)展下臺(tái)階施工，整個(gè)施工過(guò)程無(wú)需搭建作業(yè)平臺(tái)，可以直接在臨時(shí)封底上進(jìn)行上臺(tái)階施工，施工過(guò)程較為簡(jiǎn)便，花費(fèi)時(shí)間較短，且避免了高空作業(yè)帶來(lái)的危險(xiǎn)[6]。同時(shí)，施工方案二對(duì)方案一施工工序進(jìn)行了優(yōu)化，去除了作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)這一工序，有效縮短了施工時(shí)間，提升了施工作業(yè)的安全性。兩種施工方案在豎井和橫通道機(jī)構(gòu)的變形和力學(xué)響應(yīng)存在差異，需要依據(jù)實(shí)際施工情況和工程要求采用有限元軟件進(jìn)行對(duì)比分析，確定具體應(yīng)力和形變特性，選擇最為適宜的施工方案。結(jié)合上文模擬試驗(yàn)分析結(jié)果，施工方案二相較施工方案一無(wú)論在豎井支護(hù)還是橫通道支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)均有多改善，施工穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3 黃土地區(qū)地鐵豎井轉(zhuǎn)橫通暗挖施工及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 “豎井-橫通并行”施工

西安15 號(hào)線神舟二路站根據(jù)建議采用“豎井-橫通并行”施工方案進(jìn)行施工，基于有限元數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可確定施工工序大致為豎井鎖口段施工、井身施工、馬頭門(mén)橫通道的上臺(tái)階施工、豎井剩余部分及橫通道下臺(tái)階施工、橫通道的臺(tái)階法施工、豎井剩余部分及橫通道下臺(tái)階施工、正線馬頭門(mén)施工?？紤]到該區(qū)域橫通道位于殘積（Q2el）古土壤＜4-2-2-1＞、老黃土（Q2eol）＜4-1-2-1＞層中，該古土壤層厚為1.90～5.30m、層底深度為38.40～49.70m，層底高程為450.30～462.52m，為棕紅色心紅褐色硬塑土質(zhì)均勻，屬于中壓縮性土，與老黃土互層，且局部夾雜老黃土薄層；老黃土層厚為1.20～9.60m、層底深度為35.00～57.80m，層底高程為442.76～466.26m，以粉質(zhì)黏土為主，為褐黃色，可塑，土質(zhì)均勻，含有少量結(jié)核及蝸牛殼碎片，屬于中壓縮性土，位于水位以下，與古土壤互層。該區(qū)域各土層天然含水量較為穩(wěn)定，物理性質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定，且土體直立性好，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，固結(jié)成巖程度大，區(qū)間豎井?dāng)嗝嫘?，?duì)豎井及橫通道并行施工十分有利。

因此，豎井支護(hù)主要采用超前小導(dǎo)管（Φ42×3.5，L=2m/3.5m，鋼花管）、格柵鋼架（C25，C14）、鋼筋網(wǎng)（Φ8150×150mm）、豎向連接筋（C22）及噴混凝土（C25），支護(hù)安全系數(shù)高。為簡(jiǎn)化施工工序，加快施工進(jìn)度，采取豎井-橫通并行施工優(yōu)化方案，在豎井開(kāi)挖至馬頭門(mén)位置時(shí)，設(shè)置加強(qiáng)型鋼鋼架，并進(jìn)行30cm 的素噴C25 混凝土砼封底后轉(zhuǎn)入橫通道進(jìn)行施工。在橫通道施工時(shí)，要重點(diǎn)把控馬頭門(mén)的施工，在上文數(shù)值分析中，馬頭門(mén)受力復(fù)雜，為確保施工安全穩(wěn)定，需要在破除馬頭門(mén)前的換撐處置中，在橫通道上臺(tái)階開(kāi)挖部分設(shè)置Ⅰ20 型鋼進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，并在進(jìn)洞后拆除。橫通道的支護(hù)也是保障施工穩(wěn)定性的關(guān)鍵，如在進(jìn)行橫通道頂部施作超前小導(dǎo)管時(shí)，采用Φ42×3.5，L=4m的小導(dǎo)管結(jié)合超前注漿的方式，對(duì)橫通道地層進(jìn)行加固，并在注漿結(jié)束后破除馬頭門(mén)時(shí)，先后設(shè)置Ⅰ20 型鋼架3榀，噴射C25 砼后完成支護(hù)。除此之外，橫通道支護(hù)還增加了大管棚（Φ108×6）和二次襯砌（C35 防水鋼筋混凝土，抗?jié)B等級(jí)p10），進(jìn)一步加強(qiáng)了支護(hù)強(qiáng)度。

此外，在“豎井-橫通并行”施工中，為保障施工流程有序開(kāi)展，還需要嚴(yán)格控制相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)，具體包括以下幾點(diǎn)：①在進(jìn)行豎井鎖扣圈梁施工時(shí)，需要提前完成周邊管線調(diào)查和改遷等工作，才能進(jìn)行豎井井段口施工和基槽開(kāi)挖；②該工程屬于黃土地層，地質(zhì)情況較為復(fù)雜，需要避免采用全斷面開(kāi)挖作業(yè)方式，采取分塊、分側(cè)，邊挖邊支護(hù)的人工開(kāi)挖方式，每次開(kāi)挖進(jìn)尺0.50m；③在豎井井壁土方分側(cè)、分塊開(kāi)挖過(guò)程中，同樣需要采取邊開(kāi)挖邊支護(hù)的方式，每次開(kāi)挖一段，檢查凈空合格后先噴射40mm 砼進(jìn)行封閉，再掛上鋼筋（Φ6.5＠150×150mm）焊接而成的鋼筋網(wǎng)，之后再開(kāi)展格柵鋼架施工，補(bǔ)噴C25 混凝土至400mm；④在進(jìn)行永久封底施工時(shí)，需要設(shè)置井壁臨時(shí)爬梯等施工輔助裝置，并且采用Ⅰ20a 工字鋼（間隔0.50m）和網(wǎng)噴C25 砼（厚度350mm）進(jìn)行封底。

3.2 施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是確保黃土地區(qū)地鐵豎井轉(zhuǎn)橫通暗挖施工安全性的重要措施，通常在豎井及橫通道拱頂位置設(shè)置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)施工引發(fā)的地表沉降和橫通道拱頂沉降情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，共設(shè)置5 組，每組間隔5.00m。根據(jù)某一施工工序地表沉降及橫通道拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，針對(duì)地表沉降數(shù)值，施工導(dǎo)致的地表最大沉降約為10.00mm，遠(yuǎn)低于建設(shè)規(guī)范要求的30.00mm 控制值；針對(duì)地下水位較低的黃土層或者降水情況下的黃土層，施工導(dǎo)致的沉降數(shù)值較小；針對(duì)橫通道拱頂變形情況，馬頭門(mén)區(qū)域沉降數(shù)值變化較大，距離馬頭門(mén)區(qū)域越遠(yuǎn)，拱頂沉降量越小，但整體實(shí)際測(cè)量情況略高于有限元模擬測(cè)量結(jié)果。

對(duì)比分析實(shí)際測(cè)量情況和模擬分析結(jié)果，其地表沉降位置與數(shù)值大致相同，但在實(shí)際測(cè)量中，馬頭門(mén)拱頂變形朝向臨空面，模擬結(jié)果變形朝向地表抬升，但綜合結(jié)果分析，“豎井-橫通并行”施工方案無(wú)論在模擬分析還是實(shí)際測(cè)量中，地表、豎井及橫通道變形均在規(guī)定控制范圍內(nèi)，因此，在黃土地區(qū)地鐵豎井轉(zhuǎn)橫通暗挖施工中，采用“豎井-橫通并行”施工方案更加經(jīng)濟(jì)可行，穩(wěn)定性也更高。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在西安15 號(hào)線神舟二路站施工中采用“豎井-橫通并行”施工方案，結(jié)合試驗(yàn)分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，嚴(yán)格控制施工流程和技術(shù)要點(diǎn)，如在豎井井身段采用明挖逆做的人工開(kāi)挖方式，由上至下，每開(kāi)挖0.50m進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，并基于黃土地層特征，采用分側(cè)、分塊的開(kāi)挖方式，避免全斷面開(kāi)挖，確保豎井開(kāi)挖高效穩(wěn)定開(kāi)展。同時(shí)，加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)，對(duì)豎井轉(zhuǎn)橫通施工引發(fā)的地面沉降和拱頂沉降進(jìn)行全過(guò)程24 小時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，每間隔5m 設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)了解沉降變化數(shù)值，并采取相關(guān)處理措施，保障施工和地層穩(wěn)定。