大型地鐵車站拱蓋法施工方案比選研究

魯 彬, 曹興隆

(中鐵開發(fā)投資有限公司, 重慶 404100)

在地鐵車長施工中，常常遇到“上軟下硬”的地層條件，為應(yīng)對這種情況，一種通過大拱腳下冠梁將拱蓋上部荷載均勻地傳遞給周邊圍巖，從而充分利用巖石的承載能力的開挖工法逐漸得到應(yīng)用，即拱蓋法。隨著拱蓋法在地鐵車站施工中的不斷運用，其施工技術(shù)及理論也在不斷發(fā)展。目前,如何在保證安全、質(zhì)量的前提下，降低施工難度，加快施工進度，使其具有更高的經(jīng)濟性和實用性成為亟待解決的問題。本文通過數(shù)值模擬和工程實踐對這一問題進行了研究。

賈貴寶[1]通過研究認為，拱蓋法施工能適應(yīng)大面積開挖，同時具有作業(yè)效率高，圍巖擾動小的優(yōu)點。吳學(xué)峰[2]通過數(shù)值模擬得出拱蓋法能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和圍巖的安全，其施工關(guān)鍵步序為上部中動開挖。李磊[3]采用有限元分析方法分析了拱蓋法開挖的應(yīng)力場和位移場，結(jié)果滿足規(guī)范要求。畢福才[4]以青島地鐵為研究對象，研究了出沉降的主要原因并針對“上軟下硬”地區(qū)施工提出了有力的解決措施。杜子健[5]針對“上軟下硬”地層中拱蓋法施工，建立二維分步開挖模型，以沉降值為控制標(biāo)準(zhǔn)，推斷控制重要環(huán)節(jié)為中導(dǎo)洞開挖、拆撐和拱蓋施做。

綜上可知，上述關(guān)于拱蓋法的研究主要集中于其特點和施工工藝的介紹和拱蓋法安全性的數(shù)值模擬，并未進行拱蓋法施工步序的優(yōu)化分析。因此，本文采用FLAC3D軟件對四種方案進行模擬分析，得到最優(yōu)的施工步序方案，從而為相應(yīng)工程提供借鑒。

1 工程概況

某地鐵車站為單拱雙層地下暗挖車站。車站埋深16.5～18.4 m，從上至下地層依次為第四系填土、強風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖及泥巖。車站底板基本位于中風(fēng)化砂巖及泥巖中，拱腳處為中風(fēng)化砂巖、泥巖互層，最小覆巖厚度6.8 m。隧道圍巖分級為Ⅳ級，采用雙層疊合初支拱蓋法施工，標(biāo)準(zhǔn)斷面圖及襯砌斷面支護參數(shù)如圖1 和表1所示。

2 開挖模擬分析

2.1 數(shù)值模擬假定

基于地層—結(jié)構(gòu)模型，采用FLAC3D數(shù)值計算軟件，對層狀巖超大斷面暗挖車站的開挖方法進行模擬。計算時主要基于以下假設(shè)：

圖1 某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)斷面

表1 襯砌斷面支護參數(shù)

(1)圍巖的變形是各向同性的。

(2)由于隧道屬淺埋狀態(tài)，在計算時，巖體的初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力，而不考慮構(gòu)造應(yīng)力。

(3)通過提高圍巖的力學(xué)參數(shù)來考慮圍巖注漿加固的效果，加固范圍依據(jù)錨桿長度和注漿范圍綜合考慮，而參數(shù)的提高值則依據(jù)設(shè)計錨桿用量和注漿效果以及力學(xué)參數(shù)進行分析考慮。

(4)分析隧道開挖的影響時，隧道支護只施作初期支護，二襯只作安全儲備考慮，故模型中不考慮二襯受力。

本次計算選用“理想彈塑性”本構(gòu)模型，以摩爾-庫侖準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則，并采用關(guān)聯(lián)流動法則。

2.2 四種方案模擬

2.2.1 方案一

采用雙層疊合初支拱蓋法施工，步序：

(1)開挖左右上導(dǎo)洞1、2部土體，施做初期支護。

(2)開挖左右導(dǎo)洞3、4部土體，施做初期支護，大拱腳部位打設(shè)注漿管注漿，澆筑拱蓋拱腳縱梁，澆筑拱蓋模筑混凝土。

(3)開挖上部中導(dǎo)洞5部土體，施做初期支護(錨桿、鋼架、噴混凝土、臨時豎撐)。

(4)施做拱部中央部位加強拱蓋，而后開挖中部中導(dǎo)洞6部土體，拆除臨時豎撐。

(5)開挖下半部分中部土體7，面層噴混凝土。

(6)開挖下半部分左右兩側(cè)8、9部土體，施做側(cè)墻部分初支。

(7)開挖下半部分左右兩側(cè)10、11部土體，施做側(cè)墻部分初支。

(8)開挖下半部分中部土體12，施做仰拱部分初支。

(9)開挖下半部分左右兩側(cè)13、14部土體，施做側(cè)墻部分初支。

(10)開挖下半部分左右兩側(cè)15、16部土體，施做側(cè)墻部分初支，初支完全封閉。如圖2所示。

2.2.2 方案二

該方案主要改變拱部施工步序，將原設(shè)計先兩側(cè)后中間改為先中間后兩邊。如圖3所示。

圖2 方案一施工步序示意

圖3 方案二施工步序示意

2.2.3 方案三

該方案將拱部原分六部開挖改為拱部三部開挖。如圖4所示。

2.2.4 方案四

在方案四的基礎(chǔ)上，在下部土體施工中預(yù)留5 m施工出渣通道，同時將下部分三層開挖。如圖5所示。

2.2.5 建立模型

采用三維有限差分法進行計算分析，單元類型選用八節(jié)點實體單元，模型的邊界條件依據(jù)以往的隧道力學(xué)資料：水平方向取約3～5倍洞徑，垂直方向取約2～3倍洞徑。在考慮隧道開挖的影響范圍及盡量減少“邊界效應(yīng)”的前提下，本

圖4 方案三施工步序示意

圖5 方案四施工步序示意

次模型147 m×78 m×1 m。其四周施加水平約束，底部施加豎直約束。計算模型如圖6。

圖6 雙層疊合初支拱蓋法計算模型示意(單位：m)

依據(jù)地勘和設(shè)計資料，并通過支護結(jié)構(gòu)彈性模量的等效處理及錨桿加固區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)的簡化提高。其圍巖和支護結(jié)構(gòu)各物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體物理力學(xué)及襯砌計算參數(shù)表

3 結(jié)果與分析

3.1 位移結(jié)果

四種方案位移曲線示意圖見圖7，方案一豎向最大位移位于拱頂部位，拱頂向下沉降7.75 mm，地表最大沉降5.18 m。其水平位移最大值位于大拱腳位置，位移趨勢呈洞周向外擴張，最大擴張數(shù)值為4.01 mm。方案二在豎向位移方 面，與方案一變化形態(tài)類似，但各項位移值均大于方案一。最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂，其沉降值為9.32 mm，地表沉降為5.18 mm。水平擴張值為4.32 mm。方案三拱頂沉降值與方案二相同，為9.32 mm，地表沉降稍大于方案二，值為6.27 mm，水平擴張4.24 mm。方案四拱頂沉降9.07 mm，地表沉降5.87 mm，水平擴張3.03 mm。

3.2 內(nèi)力結(jié)果及分析

通過提取內(nèi)力監(jiān)測斷面初支數(shù)據(jù)，監(jiān)測斷面示意圖見圖8。四種方案條件下內(nèi)力及相應(yīng)截面安全系數(shù)如表3所示；可以看到，方案二條件下各項內(nèi)力指標(biāo)均優(yōu)于其他方案。軸力、彎矩小于其他值，安全系數(shù)為四種方案最高。這是由于先開挖拱部中導(dǎo)洞，應(yīng)力釋放較充分，襯砌的內(nèi)力值較小，從而襯砌的安全系數(shù)較高。但其變形值較難控制，拱頂及地表沉降均為四種方案條件下最大值，易造成圍巖失穩(wěn)等施工事故的發(fā)生。其余三種方案內(nèi)力指標(biāo)接近，原設(shè)計安全系數(shù)最小，其次為方案四和方案三。

圖7 四種方案位移曲線

圖8 內(nèi)力提取監(jiān)測斷面示意

表3 四種方案條件下內(nèi)力計算結(jié)果

3.3 各方案綜合分析

從上述結(jié)果可以看出，四種方案均安全可行，具體而言：

(1)方案一引起拱頂及地表沉降最小，安全系數(shù)也滿足最小控制標(biāo)準(zhǔn)，在四種工況中最安全，但其施工工作面狹窄，各項施工步序較其他工況復(fù)雜，開挖面較多，不利于大規(guī)模機械施工，影響施工的進度及施工的經(jīng)濟性。

(2)方案二先開挖拱部中導(dǎo)洞，雖各項內(nèi)力指標(biāo)小，安全系數(shù)高，但其沉降指標(biāo)不易控制，沉降值較大，位移指標(biāo)不易控制，且施工步序多，施工空間小。因此，在實際施工因避免采取此種施工步序。

(3)方案三內(nèi)力指標(biāo)較小于方案二，安全系數(shù)高。施工空間較大且能較好滿足施工進度，其各項位移指標(biāo)也均在控制值之內(nèi)，符合安全穩(wěn)定的施工要求，但對比于方案四在下部開挖的區(qū)別，直接拉槽開挖，不便于出渣運輸及后續(xù)施工的開展。

(4)方案四各項指標(biāo)均處于四種方案的中間值，且洞周水平位移值最小。不易造成拱腳失穩(wěn)的產(chǎn)生，同時，擁有方案三的各項優(yōu)點，施工空間大，施工經(jīng)濟性好，而且在出渣過程中，由于左右側(cè)之間預(yù)留一條5 m寬的出渣通道，施工便捷性大大提高，下斷面分三層開挖減少對拱蓋支撐土體的擾動同時減小了爆破對縱梁的破壞。

因此，在層狀巖超大斷面暗挖車站雙層疊合初支拱蓋法施工中建議優(yōu)先考慮方案四。當(dāng)圍巖條件較差時，為了便于控制拱頂及地表沉降，可采用方案一，從而保證隧道的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的研究方法，分析了四種方案條件下的位移和內(nèi)力數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

(1)四種方案均安全可行。

(2)從拱頂沉降、地表沉降、水平位移及安全系數(shù)等方面對四種方案進行了對比分析。綜合考慮，在滿足質(zhì)量和安全的前提下，方案四洞周水平位移值最小，不易造成拱腳失穩(wěn)的產(chǎn)生，施工空間大，經(jīng)濟性好，擾動小且預(yù)留5 m寬出渣通道，能夠有效縮短施工工期，減少施工成本。因此，方案四為最優(yōu)方案。