黄土地区地铁竖井转横通暗挖施工稳定性分析

卫守峰

(1.中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300；2.西安建筑科技大学 陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055)

在既有建(构)筑物密集的城市地下工程建设中，普遍采用对交通影响较小的暗挖或盖挖法施工[1-6].暗挖或盖挖施工中通常需要通过竖井转横通道然后进行车站或区间隧道正线施工.竖井转横通道施工以及竖井转横通道施工中马头门能否安全、快速施工是地下工程暗挖和盖挖顺利施工的关键[7-10].目前竖井转横通道施工普遍采用竖井先行施工，到封底标高后通过临时搭设施工平台进行横通道施工的“先竖井后横通道”施工方案[11]；另一种常用的施工方法是在竖井施工至横通道标高时先行施工横通道，横通道施工至预定位置后进行竖井剩余部分施工的“竖井-横通并行”施工方案.针对不同竖井转横通道的施工，王福恩等[12]针对沈阳地铁1号线不同地层，分析了不同竖井转横通道施工工艺的特点，提出了在竖井底部地层较好条件宜采用“竖井-横通并行”的施工方案；针对竖井转横通道施工的稳定性问题，贺长俊等[13]分析了“先竖井后横通”施工时不同断面竖井及马头门部位的受力特点；针对广州轨道交通换乘站大跨浅埋暗挖隧道的施工，白铭海等[14]采用数值分析方法研究了竖井转横通道施工的稳定问题，提出了有针对性的施工应对措施；针对深圳地铁五号线区间隧道的施工，蒋青青等[15]讨论了施工中不同加固措施对地层变形的控制效应，提出并实施的横通道支护快速封闭措施，有效控制了横通道施工中的地层变形.

以上针对具体工程进行的研究对竖井进横通道施工的变形控制和施工安全控制具有一定的指导意义，但目前对竖井转横通道不同施工方案的确定研究还鲜见报道.以西安地铁五号线一期月登阁～三殿村区间隧道暗挖施工为工程背景，对降水条件下的黄土地层中竖井转横通道施工的稳定性进行数值试验研究，分析降水条件下黄土地层中“先竖井后横通”和“竖井-横通并行”两种施工方案时竖井-横通支护体系和地层的力学响应及变形特征，明确少水黄土地层中竖井转横通道施工的控制重点及竖井转横通道施工的优化方案.研究明确了降水条件下黄土地层采用“竖井-横通并行”施工方案的安全、可行性，为黄土地区竖井转横通设计和施工提供了理论依据.

1 竖井转横通道施工方案比选分析

1.1 工程概况

西安地铁五号线一期工程月登阁站～三殿村站区间隧道采用矿山法暗挖施工；正线区间暗挖隧道通过ZDK44+310桩号处设置的竖井通过横通道进行施工.工程区间隧道拟建区间场地属浐河三级阶地，场地平坦，地形起伏小.工程区间隧道施工竖井周边为荒地，无重要建筑物.施工竖井地质剖面如图1所示.根据地勘资料，竖井和横通道覆盖层从下至上，从老到新依次为：老黄土Q2eol、新黄土Q3eol、杂填土Q4ml.区间隧道稳定地下水位埋深在30.00～39.35 m之间，水位年变化幅度在2.0 m左右.因本区间地下段均位于地下水位以上，可不考虑地下水的影响.

图1 区间隧道施工竖井剖面图(单位：cm)Fig.1 Geological conditions of shafts (unit: cm)

表1 竖井支护参数表

表2 横通道支护参数表

工程区间隧道竖井平面尺寸5.00 m×6.50 m，井深22.45 m；竖井横通道总长27.93 m，净宽4.50 m，净高7.35 m.横通道靠竖井端设马头门.竖井井口设锁口圈梁，断面尺寸2.00 m×1.00 m.竖井支护参数见表1，横通道支护参数见表2.

1.2 竖井转横通施工方案

竖井先行施工封底后再进行横通道施工的“先竖井后横通”施工方案(施工方案一)，竖井与横通道交叉段施工分五步完成，图2给出了工程“先竖井后横通”施工工序图，施工技术要点如下：

(1) 竖井锁口段的施工：开挖锁口段并设置锁口段井壁的支护.设置安全栅栏和安全门.

(2)竖井井身的施工：井身标准段采用格栅钢架网喷C25混凝土形成井壁的支护结构.

(3)竖井井底的施工：竖井井底的结构面比横通道结构的底面低2.00 m，采用C30混凝土封底.

(4)破横通道马头门的施工：在竖井封底完成后，搭设施工平台至横通道位置进行马头门破除作业.马头门破除后架立钢格栅支撑，喷射混凝土，设置临时仰拱.

(5)横通道的施工：横通道采用台阶法施工，上台阶进尺5～8 m后破除马头门下台阶混凝土，架设钢格栅并喷射混凝土形成初期支护；其后并行进行横通道上下台阶施工.

图2 方案一施工工序图Fig.2 Construction sequence of the first plan

在竖井施工至横通道位置破除横通道马头门，进行横通道施工；其后并行进行竖井剩余部分及横通道台阶法施工的“竖井-横通并行”(施工方案二)施工工艺见图3所示，其施工要点如下：

(1)竖井锁口段的施工：与施工方案一相同.

(2)竖井井身的施工：井身施工至横通道上台阶位置，停止开挖进行临时封闭施工.

(3)马头门横通道的上台阶施工：竖井临时封底完成后，进行马头门段超前支护，破除马头门并转入横通道上台阶施工.

(4)竖井剩余部分及横通道下台阶的施工：竖井转横通道施工的上台阶进尺4.0 m后，并行进行横通道下台阶和竖井剩余部分的施工；竖井井窝施工完成后完成竖井永久性封底混凝土浇筑.

(5)横通道的台阶法施工：重复步骤(4)横通道的开挖至主线隧道位置，转入正线马头门施工.

图3 方案二施工工序图Fig.3 Construction sequence of the second plan

1.3 竖井转横通施工方案的比较

对于国内普遍使用的“先竖井后横通道”和“竖井-横通并行”两种施工方案，都有较为成熟的设计和施工实例.大量工程实践表明，按“先竖井后横通道”的施工方案，竖井和横通道交叉施工，马头门的施工稳定较好；但其施工工序复杂，竖井转横通马头门的破除需要在竖井封底混凝土达到一定强度后搭设高度达9 m的作业平台；横通道上台阶支护完成后需要拆除作业平台，而后再进行下台阶的施工.作业平台的搭设、拆除，费时、费力，施工危险性高，工序间干扰大.

采用“竖井-横通并行”的施工方案，竖井施工至横通道上台阶位置后进行竖井临时封底，转而进行横通道上台阶施工；上台阶推进4 m，满足横通道施工空间要求后转入竖井剩余部分的施工，并进行横通道马头门下台阶施工.工序上，“竖井-横通并行”的施工方案，竖井转横通道上台阶施工可在临时封底上进行，施工简便、操作性强，减少了施工中的作业平台的搭设、拆除时间，工作量大为减少，且避免了高空作业的安全隐患.

“竖井-横通道并行”施工方案在工序上对“先竖井后横通道”施工方案进行了优化，缩短了施工时间，提高了作业安全性，因此“竖井-横通并行’方案在工序上较“先竖井后横通道”施工方案有一定的优势，但两种施工方案下竖井和横通道结构的变形和力学响应不同，需要结合工程特点，采用MIDAS有限元分析软件对两种施工方案施工引起的地表沉降，竖井、横通道和施工交叉位置的应力和变形特性进行分析.

2 竖井转横通道施工稳定性数值试验

2.1 数值试验模型及参数

根据月登阁站～三殿村站区间隧道竖井工程场址条件，竖井转横通道施工模拟分析中，地层简化为均质水平的层状分布，地层岩土体采用Mohr-Column本构模型.

竖井转横通道计算分析模型在X方向的尺寸为66.00 m，在Y方向上的尺寸为36.00 m，在Z方向上的尺寸为36.00 m，共划分单元数为43 802.分别约束计算模型X、Y(水平)方向上的平动自由度及Z(竖直)方向底部的平动自由度.数值试验模型见图4.分析中竖井及横通道支护按弹性考虑，材料参数按勘察资料，见表3.

图4 竖井转横通道施工模拟数值模型Fig.4 Location of shaft and cross passage

表3 模型物理力学参数表

2.2 数值试验方案及步骤

“先竖井后横通”施工方案(方案一)的施工模拟步骤：①竖井锁口段开挖支护；②竖井井身循环开挖、支护，至竖井底部，进行竖井封底；③横通道马头门上台阶开挖支护，进尺6.00 m；④横通道马头门下台阶开挖支护，进尺3.00 m；⑤横通道循环开挖、支护至预定长度.横通道施工完成，共90个施工步骤.图5给出了“先竖井后横通”施工方案时，竖井转横通道段的施工工序图.

图5 先竖井后横通施工时竖井转横通施工工序(方案一)Fig.5 Construction of the first plan shaft and cross passage

“竖井-横通并行”施工方案(方案一)施工模拟步骤：①竖井锁口段开挖支护；②井身循环开挖、支护至横通道上台阶下方2.00 m后进行竖井临时封底；③横通道马头门上台阶开挖、支护，进尺4.00 m；④破除竖井临时封底，开挖竖井剩余部分，进行竖井永久封底；⑤进行横通马头门的下台阶开挖、支护，循环进尺4.00 m；⑥横通道循环开挖、支护至预定长度.横通道开挖完成，共有91个施工步骤.图6为模拟“竖井-横通并行”施工时，竖井转横通道段的施工工序图.

图6 并行方案时竖井转横通道施工工序(方案二)Fig.6 Shaft construction and cross passage of second plan

2.3 数值试验结果及分析

2.3.1 地层沉降特性分析

区间竖井转横通道不同施工方案引起的地表沉降变形对比见图7.由图7可见，不同的竖井转横通道施工方案引起的地表的变形变化特性基本一致；施工引起的地表变形基本呈椭圆形，椭圆形沉降坑的长轴方向平行横通道方向；此时，施工引起的最大变形出现在远离横通道方向靠锁口圈梁的地表处，最大的变形量约15.00 mm.

表4 竖井转横通道施工中竖井最大变形对比表(单位：mm)

图7 地表沉降(单位：mm)Fig.7 Ground surface settlement (unit: mm)

图8 竖井井壁随深度变化曲线Fig.8 Deformation of shaft under different depth

2.3.2 竖井支护结构的稳定性分析

两种施工方案下，竖井支护整体上都处于受压的状态，表4给出了竖井不同方向上的最大变形值；由表可知，两种施工方案下，竖井不同方向上的最大变形位置基本一致，平面上的最大变形位置靠近马头门.方案二相较于方案一，在X、Y、Z方向上的最大变形量减少了21.91%、13.87%、-0.52%.

由图8(a)给出了两种方案下，施工完成时竖井后井壁随竖井深度向横通道侧的变形曲线可见，在竖井深度0～6.00 m之间，方案二比方案一引起的变形量要小；但在竖井深度的6.00～21.00 m之间，方案二比方案一的变形要大；在竖井施工至深度18.00 m时，竖井最大变形量相差约20.00%，但在竖井开挖深度超过18.00 m之后，两种方案施工引起的变形趋于一致.

图8(b)为两种施工方案下，竖井两侧井壁随竖井深度向临空面变形的对比曲线.整体上看，方案二下，竖井的收敛变形值都比方案一小，且在竖井深度18.00 m处，变现量减小了9.79%.

表5给出了不同方案下竖井支护结构最大受力对比表.在方案二时，结构支护最大主应力、最大剪应力较方案一分别减少了14.38%和19.57%，很大程度上改善了支护结构的受力状态，但两种施工方案下，竖井井壁靠近马头门的拱肩位置均为最大的受力位置.

表5 竖井最大受力对比表(单位：kPa)

图9给出了竖井深度内地层的塑性区分布图，由图可见，方案一和方案二施工时，竖井周边地层的塑性区分布均集中在竖井两侧的井壁处，范围在2.00～4.00 m，并且方案一较方案二的地层的塑性区的面积大.

图9 竖井围岩塑性分布Fig.9 Plastic zone of horizontal distribution surrounding rock

2.3.3 横通道支护结构的稳定性分析

两种施工方案下，横通道支护结构整体上均处于受压状态；表6给出了不同方案下竖井不同方向上的位移对比表，由表可知，两种方案下，竖井在X、Z方向上的最大变形位置一致，但方案二比方案一变形小21.91%、-3.92%.在Y方向上，两种施工方案下变形出现的最大位置不同，方案二出现的最大变形位置距离马头门12.00 m，方案一出现的位置距离马头门2.00 m；变形最大值离马头门越近，则在竖井与横通道的交叉部位，施工稳定性越差.因此方案二较为有利.

图10(a)为两种方案下横通道拱顶、拱底变形曲线，两种方案下横通其变形基本一致.在马头门位置，方案二比方案一的拱底隆起量大3.71 mm.图10(b)为两种施工方案下横通道的横向收敛位移曲线，方案二时马头门在Y方向上的较方案一减少了63.49%.

表6 竖井转横通道施工时横通道变形对比表(单位：mm)

由表7给出的两种方案下横通道支护的最大受力对比可见，不同施工方案时横通道的受力状态出现较大的变化.方案二的支护最大主应力位置相比方案一时的位置延后了2.00 m，在横通道拱底的位置，最大主应力数值减少了27.88%；方案二的支护最大剪应力比方案一大365.8 kPa.

截取马头门处断面，对比分析地层中的塑性区分布，图11给出了不同方案时马头门处塑性区的分布.由图11可见，两种方案下地层塑性分布集中在横通道马头门拱底的位置，且塑性区分布范围要比竖井周边的土体大.相对于方案一，方案二时竖井地层的塑性区的分布更浅，但在施工时也需要对周围地层进行加固.

表7 横通道最大受力对比表(单位：kPa)

图10 横通道不同位置的变形对比曲线Fig.10 Deformation of cross passage arch hance

图11 横通道马头门处围岩塑性对比分布Fig.11 plastic zone of horse head

2.3.4 马头门处支护结构的稳定性分析

竖井和横通道支护分析表明，两种方案时横通道马头门拱腰处竖井两侧井壁的收敛变形最大；做不同方案时两侧竖井收敛变形随施工的变化曲线，见图12所示.图12可见，在施工步骤18时(竖井施工至18.00 m)时，竖井收敛变形急剧上升；在施工步骤20到26，方案二进行横通道马头门上台阶开挖，此时，竖井收敛变形基本不变；剩余竖井开挖后，收敛变形继续增大，最大值达44.94 mm；相较与方案一的变形最大值52.28 mm，减少了14.03%.

选取横通道距离马头门2.00 m的拱底位置进行对比分析，由图13给出的拱底变形随施工步序的变化曲线可见，施工至竖井深度3.00 m时，横通道拱底开始出现隆起变形，随着施工的进行，隆起量逐渐变大.两种方案下横通道的最大隆起值大致相同.在施工趋于稳定时，方案二变形值较方案一大了1.01 mm.

图12 最大收敛值随施工变化曲线Fig.12 Variation process of maximum deformation of cross passage arch hance

图13 最大隆起位置随施工对比变化曲线Fig.13 Variation process of maximum deformation of cross passage invert

图14 竖井马头门大主应力分布云图Fig.14 Maximum principal stress distribution of horse head

图14给出了竖井转横通道施工中竖井马头门段的大主应力分布云图，由图可见，方案二和方案一大主应力最大值都出现在马头门拱肩处的竖井井壁位置，但方案一的大主应力最大值比方案二的最大值小了14.38%.

图15给出了竖井转横通道施工中竖井马头门段的最大剪应力的分布云图.两种施工方案下马头门段支护结构受到的最大剪应力整体上比受到的最大主应力要小，且方案二比方案一时的最大剪应力值小了8.93%.

图15 竖井马头门段剪应力分布云图Fig.15 Maximum shear stress distribution of horse head

综上所述，方案二相较于方案一能更有效地控制竖井、横通道结构支护的变形和受力.特别是方案二，能使横通道横向最大变形值减少63.49 %.但是竖井和横通道交叉段、马头门位置依然是施工的危险位置，在马头门破除前需要对竖井、横通道周围土体进行加固.

综合两种施工方法和数值模拟结果的比较分析，建议西安地铁5号线月登阁站～三殿村站区间竖井采用“竖井-横通并行”的施工方案，并在施工中加强竖井马头门段的支护强度，确保施工中该应力集中部位的稳定性.

3 竖井转横通道施工及现场监测

3.1 区间隧道“竖井-横通并行”施工

西安地铁5号线月登阁站～三殿村站区间竖井按照建议的“竖井-横通并行”施工方案进行施工，基于数值试验分析结果和现场施工实际情况，确定竖井转横通道施工流程及施工控制技术要点如下：

(1)进行竖井井口段的施工，在完成竖井周边管线等调查和改迁基础上，完成竖井锁口圈梁施工，并进行基槽开挖；

(2)竖井井身段开挖采用明挖逆做的人工开挖，每次开挖进尺0.50 m，由上而下，边开挖边支护.鉴于黄土地层的复杂性，竖井应避免全断面开挖，宜采取分侧、分块，边挖边支；竖井采用的开挖顺序见图16所示.

图16 竖井开挖、支护顺序(1、3、5、7为开挖顺序，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ为格栅钢架施工顺序)Fig.16 Excavation and support sequence of shaft(1、3、5、7 are excavation sequence, Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ are support sequence)

(3)竖井井壁土方分侧、分块开挖中，每开挖完成一段，在净空检查合格后初喷40 mm砼封闭，再挂Φ6.5@150 mm×150 mm钢筋焊接成的双层钢筋网；其后进行格栅钢架施工并补喷C25混凝土至400 mm.

(4)进行竖井井壁地层固结注浆.在竖井井壁设Φ42×3.5，L=3 m的注浆钢管，每榀格栅钢架打设一次，环向间距0.4 m；在喷砼后立即采用1:1水泥-水玻璃双液浆进行地层固结注浆.

(5)竖井开挖至马头门位置时，于马头门上设置加强型钢钢架，继续开挖至横通道上台阶底部；进行30 cm的素喷C25砼封底后转入横通道施工.

(6)竖井横通道施工的关键是马头门的施工，根据数值模拟分析，该处结构受力复杂，是施工控制的重点.为确保施工安全，在马头门破除前的换撑处置中在横通道上台阶开挖部分采用I20型钢设置临时支撑，并在进洞后拆除.

(7)进行横通道顶部超前小导管的施作，采用Φ42×3.5，L=4 m小导管进行超前注浆加固横通道地层；小导管注浆固结后破除马头门.横通道开洞后先并行设置I20型钢钢架3榀，喷射砼完成支护.

(8)按环形开挖预留核心土方式进行横通土体开挖及支护，在上台阶推进4.00 m后进行下部台阶的施工；上下台阶并行施工，下台阶推进4.00 m后转而进行竖井剩余部分的施工.

(9)竖井开挖至设计深度进行永久封底施工，采用间距0.50 m的I20a工字钢和厚度350 mm网喷C25砼封底；设置井壁临时爬梯等辅助施工设施，完成竖井转横通道的施工.

3.2 区间隧道施工安全监测

为确保竖井转横通道的施工安全，在施工过程中对竖井转横通道并行施工引起的地表沉降和横通道拱顶沉降进行了跟踪监测.工程竖井及横通道地表沉降监测点布置如图17所示， 监测断面以5.00 m为间隔，共设5组.

选取H1系列监测点进行分析，图18给出了地表沉降和横通道拱顶沉降监测数据图，由图和现场监测数据的分析可见，对地下水位较低的黄土地层或是降水条件下的黄土地层，施工引起的沉降均较小；就地表沉降量数值而言，受竖井和横通道施工的影响，地表最大沉降值约为10.00 mm，小于规范要求的30.00 mm的控制值.对横通道施工引起的横通道拱顶的变形而言，其沉降最大值出现在马头门附近，距离马头门距离越远，拱顶沉降量将随之减小.但模拟结果整体上要比实测结果要小.

图17 监测点布置图Fig.17 Layout of measuring points

对比分析数值模拟和现场监测变形的变化，由图18可见，施工监测结果与模拟分析中地表沉降最大位置基本一致，且其数值相差不大；就马头门处的变形而言，实际监测中马头门拱顶向临空面变形，而模拟结果为向地表的抬升变形.但就数值分析和监测结果的数值对比而言，采用“竖井-横通并行”施工方案引起的地层以及竖井、横通道支护结构变形均在15.00 mm之内，因此，降水条件下的黄土地层中，如地层稳定，采用“竖井-横通并行”施工的方案经济、可行.

图18 “竖井-横通并行”施工地表沉降对比Fig.18 Comparisons of measured and calculated ground surface settlements

4 结论

以西安市地铁五号线一期工程中月登阁站～三殿村站区间隧道竖井转横通道施工为背景，对少水条件下的黄土地层中竖井转横通道施工的稳定性进行数值试验，分析了“竖井-横通并行”施工方案以及“先竖井后横通”施工方案引起的地层及竖井、横通支护结构的变形、受力特点，论文研究可得出如下研究结论：

(1) 降水条件下黄土地层中采用“竖井-横通并行”方案和“先竖井后横通”方案引起的地表沉降基本相同，但“竖井-横通并行”方案在控制竖井和横通本身的变形效果上具有明显的优势，并行方案较“先竖井后横通”方案时竖井和横通道的收敛变形减小了约21.91%.

(2) 采用“竖井-横通并行”施工方案时，横通道最大收敛位移出现在距马头门2倍竖井跨度位置，而“先竖井后横通”方案横通道的水平收敛变形最大值出现在马头门附近.

(3) 黄土地层中不同竖井转横通道施工方案施工时，竖井井壁靠近马头门位置均将出现局部的应力集中，因此是施工加固的重点位置.但就应力的数值而言，“竖井-横通并行”施工方案中竖井马头门附近的大主应力较“先竖井后横通”方案减小了14.38 %，因此并行方案竖井安全系数较高.

(4) 黄土地层中不同竖井转横通道施工方案施工时，竖井-横通道周边地层中的塑性区均出现在马头门附近，且以马头门拱底位置处地层的塑性范围最大，因此竖井转横通道施工中需加强横通道底部地层的加固.

基于数值模拟试验的对比分析和跟踪施工进行的变形监测均表明，在稳定的黄土地层中采用“竖井-横通并行”方案经济、可行，因此，在黄土地区的地铁暗挖施工中的竖井转横通道施工，应优先选用“竖井-横通道并行”施工方案.