處于上軟下硬地層的青島某地鐵車站初支拱蓋法施工變形規(guī)律及控制

龔旭東

(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，710043，西安 ∥ 高級工程師)

國內(nèi)地鐵修建車站的施工方法在早期主要采用洞樁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[1-2]。 文獻(xiàn)[3]通過對淺埋暗挖車站多種施工方案進(jìn)行對比研究，認(rèn)為淺埋暗挖法在圍巖條件較好、受外界干擾因素小的地區(qū)較為適用，其工期與經(jīng)濟(jì)效益較好；文獻(xiàn)[4]結(jié)合青島某車站現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中導(dǎo)洞支護(hù)形式進(jìn)行了優(yōu)化，改變了出入口與車站相接部位，縮短了工期也降低了施工成本。隨著地鐵建設(shè)發(fā)展，相關(guān)技術(shù)人員提出了一種針對上軟下硬地層的地鐵車站施工方法——拱蓋法[5-7]。該施工方法不僅能更好地適應(yīng)鉆爆法施工的暗挖隧道，而且具有施工工作面大、施工效率高和施工安全性好等優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[8-9]通過對拱蓋法開挖車站進(jìn)行模擬，認(rèn)為拱蓋法施工時，開挖中部導(dǎo)洞與拱蓋處臨時支撐拆除為整個施工過程中的關(guān)鍵工序；文獻(xiàn)[10]通過對使用拱蓋法開挖的車站進(jìn)行三維有限元模擬，并結(jié)合現(xiàn)場施工過程中的地表和拱頂沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力等數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為在上軟下硬地層中采用拱蓋法開挖其上部拱蓋斷面中間導(dǎo)洞的開挖是施工關(guān)鍵一環(huán)，中部導(dǎo)洞開挖后需要及時進(jìn)行初期支護(hù)的施工，以保證洞室施工的安全。

本文以青島地鐵某暗挖車站為例，采用數(shù)值模擬對暗挖車站初支拱蓋法開挖施工及其變形進(jìn)行分析，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)提出優(yōu)化的施工參數(shù)，針對施工中受力較大及變形較明顯的部位進(jìn)行研究，以期為類似工程施工提供技術(shù)參考。

1 工程概況

青島某地鐵車站為地下雙層標(biāo)準(zhǔn)島式車站。其頂板覆巖厚度為0～14.8 m，洞身主要位于中-微風(fēng)化花崗巖，局部位于微風(fēng)化煌斑巖巖脈及微風(fēng)化碎裂巖，圍巖級別主要為Ⅳ級，為典型的上軟下硬地層。車站位于某交通主干道下方，且周邊購物廣場與住宅區(qū)密集，如圖1所示。

圖1 青島某地鐵車站位置平面圖

2 初支拱蓋法介紹

該車站主體采用初支拱蓋法施工，先沿車站縱向采用左中右三導(dǎo)洞分部開挖拱部并進(jìn)行初期支護(hù)，通過圍巖-初支在拱部形成整體支撐體系，以保證下部直墻斷面開挖的安全性。

根據(jù)青島地區(qū)地層條件，對傳統(tǒng)的拱蓋法施工車站的開挖順序進(jìn)行了一定的優(yōu)化，如圖2所示。該車站具體施工工序?yàn)椋孩匍_挖拱部左、右兩側(cè)土體，并及時架設(shè)鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)、架設(shè)臨時支撐以及鎖腳錨桿；②開挖拱部中間土體并及時施作支護(hù)體系，隨后在大拱腳位置打設(shè)托梁；③待初支拱蓋混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)后，逐步拆除臨時支撐，施作拱部二次襯砌，在拱蓋的保護(hù)下車站下部中央逐層放槽開挖；④車站下部兩側(cè)土體采用分層開挖方式，邊開挖邊施作側(cè)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，以便加強(qiáng)下部圍巖穩(wěn)定性；⑤車站主體結(jié)構(gòu)開挖結(jié)束后，鋪設(shè)防水層、進(jìn)行防水施工，再按順作法施工自下而上澆筑二次襯砌；⑥完成仰供回填，施工車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)與裝修。

圖2 初支拱蓋法施工順序

與傳統(tǒng)礦山法相比，初支拱蓋法更加適用于青島這類上軟下硬土巖復(fù)合地層。其優(yōu)勢在于：①充分利用了硬質(zhì)圍巖的自承載能力，初支與圍巖共同形成穩(wěn)定的拱蓋保護(hù)后，再進(jìn)行大面積作業(yè)，既保證了拱部和下部直墻斷面開挖的安全性，又減少了不必要的支護(hù)結(jié)構(gòu)；②車站開挖工序較少、施工難度較小、產(chǎn)生的廢棄工程小，提高了施工效率與經(jīng)濟(jì)效益；③二次襯砌一次性模筑成環(huán)，避免了開挖與二次襯砌施工交叉進(jìn)行，縮短了施工周期。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 模型建立

本文通過MIDAS-GTS/NX軟件對地鐵車站施工變形過程進(jìn)行三維有限元計算，采用地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行模擬，土層采用摩爾-庫倫本構(gòu)材料，初支、二次襯砌等結(jié)構(gòu)采用彈性介質(zhì)。模型上邊界取至地層表面，下邊界取3倍隧道拱頂跨度，左右邊界取5倍隧道拱頂跨度，約束條件為位移約束。計算荷載考慮巖土體自重及開挖釋放荷載，不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力的影響。隧道初支與二次襯砌均采用實(shí)體單元，車站拱頂埋深14.5 m。有限元計算模型如圖3所示。車站所在地層的數(shù)值模擬計算參數(shù)如表1所示。

圖3 青島某地鐵車站三維有限元計算模型

表1 青島某地鐵車站計算模型參數(shù)

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 凈空收斂

對車站進(jìn)行凈空收斂的監(jiān)測是研究支護(hù)結(jié)構(gòu)形態(tài)與圍巖變化最直接的參數(shù)，也是安全施工的保障和施工質(zhì)量的體現(xiàn)。

1) 初支凈空收斂。通過有限元模擬得到初支凈空收斂變化，如圖4所示。由圖4可知：左、右導(dǎo)洞開挖之初，凈空收斂分別減小了0.04 mm和0.06 mm；當(dāng)中導(dǎo)洞開挖時，凈空收斂迅速減小到-0.13 mm；隨導(dǎo)洞繼續(xù)開挖，左、右導(dǎo)洞凈空收斂出現(xiàn)緩慢而明顯的增加，最終凈空收斂穩(wěn)定在0.62～0.76 mm左右；而中導(dǎo)洞開挖凈空收斂值先減小，后出現(xiàn)明顯增大，最終穩(wěn)定在1.03 mm左右。

圖4 拱部導(dǎo)洞開挖初支凈空收斂變化趨勢

2) 下部直墻斷面處凈空收斂。車站主體第1層斷面開挖之初，直墻斷面凈空收斂變形較?。浑S著開挖推進(jìn)，兩個測點(diǎn)的變化逐漸顯著，由于開挖面距離監(jiān)測面逐漸拉長，凈空收斂逐漸趨于穩(wěn)定，最終兩個測點(diǎn)凈空收斂分別穩(wěn)定在-1.07 mm和-1.27 mm，如圖5所示。

圖5 下部直墻斷面凈空收斂變化趨勢

3.2.2 拱頂沉降

受開挖影響，拱頂出現(xiàn)明顯下沉，隨后逐漸趨于穩(wěn)定；左、右導(dǎo)洞沉降量一致且相對較小，而中導(dǎo)洞開挖使初步穩(wěn)定的圍巖發(fā)生二次應(yīng)力釋放，初支變形拱部最大，如圖6所示。綜上，拱部各導(dǎo)洞開挖對初支產(chǎn)生的相互影響較小，建議中導(dǎo)洞施工過程中隨時對拱部進(jìn)行監(jiān)測。

圖6 拱部導(dǎo)洞開挖時初支沉降變化趨勢

3.2.3 地表沉降

取地表6個監(jiān)測點(diǎn)的模擬沉降進(jìn)行分析，每個測點(diǎn)相距10 m。車站主體結(jié)構(gòu)施工過程中，地表出現(xiàn)了較明顯沉降，并伴隨著整個施工過程中(見圖7)。硐室周邊一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了較長時間、不同幅度的沉降變形；拱部施工過程中，由于左、右導(dǎo)洞開挖后及時施作初支與大拱蓋，對地表沉降影響較小且沉降逐漸穩(wěn)定；臨時支撐逐步拆除時，地表再次發(fā)生沉降且沉降一直延續(xù)到下部直墻斷面的前期施工過程；當(dāng)拱蓋強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時地表沉降逐漸穩(wěn)定。

圖7 地表沉降變化趨勢

開挖過程中，沉降槽隨開挖推進(jìn)而發(fā)生變化如圖8所示。左、右導(dǎo)洞開挖之初，地表沉降最大值先是出現(xiàn)在左導(dǎo)洞上方；隨著左、右導(dǎo)洞一并開挖，出現(xiàn)雙拱形沉降槽。開挖中導(dǎo)洞時，沉降最大值逐步移動到隧道開挖中線正上方處，說明拱部中導(dǎo)洞開挖與臨時支撐拆除以及拱蓋施作是施工的關(guān)鍵時期也是變形控制的關(guān)鍵時期。

圖8 地表沉降槽曲線

通過上述模擬分析可見，大跨度暗挖車站進(jìn)行多個導(dǎo)洞開挖時，合理制定導(dǎo)洞開挖順序與開挖距離，以及配合做好各施工工序的銜接，對開挖后暴露面進(jìn)行及時的支護(hù)與加強(qiáng)，可以有效地降低地表沉降值。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)車站特點(diǎn)與開挖方案進(jìn)行有針對性的斷面測點(diǎn)布設(shè)。在車站開挖過程中布設(shè)4個典型斷面進(jìn)行凈空收斂、拱頂沉降和地表沉降分析。測點(diǎn)布設(shè)如圖9所示。對車站主要選取車站中部監(jiān)測斷面變形穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行凈空收斂、拱頂沉降和地表變形的分析。其主要原因是車站中部監(jiān)測斷面受邊界效應(yīng)的影響較小，并與有限元模擬的結(jié)果進(jìn)行對比的代表意義較強(qiáng)。

圖9 4個典型斷面的監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

4.2 施工階段凈空收斂特征

拱部凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示。現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測結(jié)果比有限元計算結(jié)果明顯偏大，但變化趨勢基本保持一致。左、右導(dǎo)洞在開挖初期凈空收斂值穩(wěn)定增長，當(dāng)中導(dǎo)洞開挖時，圍巖再次受到擾動;左、右導(dǎo)洞凈空收斂出現(xiàn)小幅度上漲后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖10 實(shí)測拱部導(dǎo)洞開挖后的凈空收斂變化

由直墻斷面的凈空收斂變化可以看出(見圖11)，整個凈空收斂變化趨勢較為穩(wěn)定。第1層巖體開挖之初，凈空收斂由變化微弱到逐漸增加，直到第2層巖體開挖時，收斂逐漸變得緩慢。隨著開挖推進(jìn)，掌子面距監(jiān)測斷面距離逐漸增大，對其影響逐漸減弱，收斂速率也隨之變得緩慢，最終凈空收斂保持在一個穩(wěn)定階段。

圖11 實(shí)測直墻斷面凈空的收斂變化

4.3 施工階段初支沉降特征

在開挖初期左導(dǎo)洞初支沉降略微大于右導(dǎo)洞，總體來看整個沉降趨勢較為穩(wěn)定平緩；待中部導(dǎo)洞開挖時初支出現(xiàn)明顯沉降，沉降速率明顯大于其他導(dǎo)洞開挖;隨開挖推進(jìn),沉降速率逐漸減小，最終沉降值穩(wěn)定在10 mm左右。實(shí)測沉降變形如圖12所示。

圖12 拱頂初期支護(hù)的實(shí)測沉降變形

4.4 施工階段地表沉降特征

如圖13所示,取施工過程中該車站中間監(jiān)測斷面DB003的7個監(jiān)測點(diǎn)的地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。隧道開挖之初，地表沉降受到的影響較小，沉降緩慢；中導(dǎo)洞開挖時，車站正上方的地表出現(xiàn)了明顯沉降，沉降一直伴隨著整個中間導(dǎo)洞的開挖，且隧道中線兩側(cè)的地表也表現(xiàn)出了較明顯的沉降，沉降速率明顯較前一階段增大；拱蓋施作階段地表沉降繼續(xù)增加，且地表沉降波動明顯，表明車站結(jié)構(gòu)正上方的擾動強(qiáng)烈，這與數(shù)值模擬計算到的情況類似。

圖13 地表實(shí)測沉降變形

5 施工優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與有限數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在整個車站施工過程中,其拱頂和拱頂上方地表沉降最為明顯。這就需要對現(xiàn)有的施工環(huán)節(jié)進(jìn)行一定優(yōu)化，以控制變形量。

5.1 改變施工進(jìn)尺長度

針對臨時支撐拆除環(huán)節(jié)，采用控制單一變量方法對上述建立的模型進(jìn)行施工方案優(yōu)化模擬。優(yōu)化工序?yàn)楣吧w施作10 m后再進(jìn)行臨時支撐逐步拆除，如圖14所示。

圖14 優(yōu)化施工前后沉降變形的模擬對比

優(yōu)化后的施工方案，最終拱頂沉降與地表沉降分別為4.32 mm與6.56 mm，均低于原施工方案穩(wěn)定沉降值，表明了改變施工進(jìn)尺長度能更好地控制施工中圍巖的沉降，提高了開挖支護(hù)的穩(wěn)定性，可保障現(xiàn)場施工更加安全。因此，實(shí)際施工中，在保證開挖安全的前提下，可以適當(dāng)?shù)乜s短拱蓋施作與拆撐的距離。

5.2 改變支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

改變拱蓋支護(hù)強(qiáng)度也可對沉降變形起到一定的控制效果，即：將拱蓋彈性模量變?yōu)?2 000 MPa，其他參數(shù)不變。對方案優(yōu)化施工前后沉降變形的模擬對比如圖15所示。

圖15 優(yōu)化施工前后沉降變形的模擬對比

優(yōu)化后拱頂沉降與地表沉降緩慢增加，最終其沉降值分別穩(wěn)定在4.11 mm和8.58 mm，均低于原施工方案沉降穩(wěn)定值，且拱頂沉降與地表沉降速率均勻，表明了加大拱蓋的支護(hù)強(qiáng)度對控制拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降與拱頂上方地表沉降具有積極作用。在圍巖條件較差或地表建(構(gòu))筑物繁多的地方，有針對性地增大支護(hù)強(qiáng)度，不僅可保證車站建設(shè)施工安全，而且對地鐵今后長期運(yùn)營安全也起到了保障作用。

6 結(jié)語

本文以青島地鐵某暗挖車站工程為研究背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測與有限元模擬相結(jié)合的方法，分析該車站采用初支拱蓋法施工的各個工序?qū)鷰r與支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，并提出施工優(yōu)化方案，主要得出如下結(jié)論：

1) 數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，各施工工序下圍巖及支護(hù)變化均滿足強(qiáng)度與穩(wěn)定性要求，證實(shí)了初支拱蓋法在上軟下硬地層中適用性較好。

2) 拱蓋中導(dǎo)洞的開挖、拱蓋施作和臨時支撐的拆除對車站支護(hù)結(jié)構(gòu)與地表沉降影響較大，是車站施工中的關(guān)鍵階段，需要在實(shí)際施工過程中，增加關(guān)鍵階段的監(jiān)測頻率，對圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形應(yīng)及時反饋。

3) 地表沉降槽隨不同導(dǎo)洞開挖而發(fā)生變化。左右導(dǎo)洞開挖之初，左導(dǎo)洞上方沉降值最大，直到中導(dǎo)洞開挖時，沉降最大值逐漸向中導(dǎo)洞上方移動，最終地表沉降最大值回歸到隧道中心線上。車站施工時，需要著重對中導(dǎo)洞的變形進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

4) 適當(dāng)縮小施工進(jìn)尺長度與增加支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對控制圍巖變形與結(jié)構(gòu)變形具有積極作用，不僅能提高車站施工的安全性，還能對后期車站運(yùn)營的安全提供保障。