淺埋大跨度暗挖車站單層初支拱蓋法技術(shù)研究

姜 畔

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城鎮(zhèn)化速率逐步提高，城市軌道交通建設(shè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。為減少對(duì)城市的影響，降低交通疏解和管線遷改的難度，暗挖車站被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通工程的建設(shè)過程中。以青島地鐵建設(shè)為例，1、2和3號(hào)線工程建設(shè)中分別設(shè)置了13座、10座和7座暗挖車站，由此可見暗挖站的規(guī)模在不斷加大。

針對(duì)城市道路下方淺埋暗挖大跨度隧道的施工工法，眾多學(xué)者及工程師開展了大量相關(guān)研究。例如呂波、張光權(quán)等人研究了二襯拱蓋法的關(guān)鍵施工技術(shù)[1-2]；趙晨陽等人研究了硬巖地區(qū)大跨地鐵車站暗挖施工方法[3]，但對(duì)于單層初支拱蓋法開展的研究則相對(duì)較少。

根據(jù)唐曉杰、雷亞峰等人研究的巖石地區(qū)地鐵車站暗挖施工方法[4-5]。

該文結(jié)合青島地鐵1號(hào)線工程太行山路站工程實(shí)例，采用有限單元分析法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法研究了單層初支拱蓋法對(duì)城市道路下方淺埋大跨度暗挖車站的適用性，為類似軌道交通工程的建設(shè)提供參考和借鑒。

1 工程背景

1.1 車站環(huán)境概況

青島市地鐵1號(hào)線太行山路站位于長(zhǎng)江西路與太行山路路口以西，沿長(zhǎng)江西路道路下方呈東西向布置。長(zhǎng)江中路是現(xiàn)在黃島區(qū)的主干道之一，現(xiàn)狀道路寬50 m，車流量較大，封路調(diào)流施工十分困難，且道路兩側(cè)下方市政管線密集。綜合考慮周邊環(huán)境后，太行山路站采用暗挖法施工，設(shè)置4個(gè)出入口和2個(gè)風(fēng)亭組，車站主體全長(zhǎng)207 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面高17.64 m，寬21.72 m，車站永久襯砌厚度0.75 m。

1.2 車站工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

該站地貌類型為剝蝕殘丘，車站范圍內(nèi)地形起伏較大，車站拱頂巖石覆蓋層厚度為11.3 m～18.3 m。由上至下依次為雜填土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r和微風(fēng)化凝灰?guī)r，車站主體全部位于微風(fēng)化凝灰?guī)r中（局部碎裂巖發(fā)育），圍巖級(jí)別為II-IV1級(jí)，如圖1所示。

圖1 車站地質(zhì)縱剖面圖

該站地下水類型主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水，其中對(duì)車站影響最大的是基巖的構(gòu)造裂隙水，主要存在于中風(fēng)化和微風(fēng)化基巖構(gòu)造破碎帶并且節(jié)理裂隙密集帶中，呈脈狀、帶狀產(chǎn)出，地下水逕流深度較大，逕流方向復(fù)雜，具有一定的承壓性。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)工序

該站拱頂上方市政管線密集，道路交通流量大，對(duì)沉降及變形控制要求嚴(yán)格。同時(shí)，考慮到該站典型上軟下硬地層的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，太行山路站車站主體擬采用暗挖單層初支拱蓋法進(jìn)行施工，既能有效控制沉降及變形，又能保證施工作業(yè)安全、高效并且少擾民，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具體施工工序如圖2所示：1）開挖拱頂中部導(dǎo)洞（圖中1部巖體），施做初期支護(hù)（錨桿、格柵鋼架、噴射混凝土）。2）開挖上半斷面左、右側(cè)導(dǎo)洞（圖中2、3部巖體），施做初期支護(hù)（錨桿、格柵鋼架、噴射混凝土）。3）開挖上半斷面核心巖柱（圖中4部巖體）。4）順序開挖車站下半斷面第1層巖體，中部拉槽處可以采用自然坡率放坡，分層剝離下半斷面巖體（圖中5～7部巖體），施做邊墻初期支護(hù)（錨桿、噴射混凝土）。5）順序開挖車站下半斷面第2層、第3層巖體，中部拉槽處可以采用自然坡率放坡，分層剝離下半斷面巖體（圖中8～13部巖體），施做邊墻、仰拱初期支護(hù)（錨桿、噴射混凝土）。6）初支變形穩(wěn)定后，按照順序進(jìn)行車站防水、二次襯砌及車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工。

圖2 車站單層初支拱蓋法施工工序圖

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

地鐵主體大跨度隧道施工時(shí)會(huì)造成道路和管線的沉降變形，進(jìn)而加大施工風(fēng)險(xiǎn)。為避免結(jié)構(gòu)破壞坍塌，根據(jù)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及類似的工程經(jīng)驗(yàn)，確定沉降變形的控制指標(biāo)如下：1）施工引起的地面沉降量限制值，一般情況下其限制值為50 mm，隆起控制在10 mm以內(nèi)，變化速率不超過3 mm/d。2）施工引起的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)凈空收斂不超過10 mm，變化速率不超過2 mm/d。3）施工引起的初期支護(hù)拱頂沉降不超過30 mm，變化速率不超過3 mm/d。4）施工引起的燃?xì)夤芫€變形不超過10 mm，變化速率不超過2 mm/d，差異沉降不超過0.3%LG（LG為管道管節(jié)長(zhǎng)度）；雨污水和供水等管線變形不超過20 mm，變化速率不超過2 mm/d，差異沉降不超過0.25%LG（LG為管道管節(jié)長(zhǎng)度）。5）周邊建構(gòu)筑引起的傾斜小于0.001 L（L為相鄰基礎(chǔ)的中心距離）。

2.3 數(shù)值計(jì)算分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)開挖工序的可靠性和可實(shí)施性，選擇主體開挖最不利處的地層信息，利用大型有限單元軟件Midas GTS NX建立三維分析模型模擬暗挖車站開挖的實(shí)施工序，進(jìn)而分析地面的沉降變形規(guī)律、初支拱蓋結(jié)構(gòu)的受力及變形。

2.3.1 模型建立及計(jì)算參數(shù)確定

2.3.1.1 地層信息

選擇最不利處的隧道地質(zhì)界面進(jìn)行建模，隧道拱頂覆蓋層由上至下依次為：素填土厚度3.34 m、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r2.78 m、中風(fēng)化凝灰?guī)r4.82 m以及微風(fēng)化凝灰?guī)r6.85 m，各巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)見表 1 。

2.3.1.2 車站幾何及支護(hù)結(jié)構(gòu)信息

車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21.72 m，高度為17.64 m，拱頂C25噴射混凝土厚度為0.35 m（拱腳處進(jìn)行擴(kuò)大），車站下部邊墻及仰拱C25噴射混凝土厚度為0.15 m。

車站拱頂及側(cè)墻布置直徑25 mm的中空注漿錨桿（長(zhǎng)度L=3.5 m，環(huán)向間距1 m，縱向間距1 m）。

車站拱部設(shè)置鋼筋直徑25 mm的格柵鋼架，縱向間距0.5 m同時(shí)拱部布置雙層直徑8 mm鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)片間距150 mm×150 mm），側(cè)墻設(shè)置單層鋼筋直徑8 mm鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)片間距150 mm×150 mm），具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)表

2.3.1.3 模型建立

根據(jù)上述地層及結(jié)構(gòu)信息，利用Midas GTS NX建立的單層初支拱蓋法開挖三模模型如圖3所示。為消除邊界尺寸對(duì)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的影響，該模型車站兩側(cè)及底部邊界采用距離車站中線5倍洞徑（R=21.72 m），即為108.6 m；上部邊界按照車站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層埋置深度取值，圍巖采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫本構(gòu)模型；初期支護(hù)采用板單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型為彈性結(jié)構(gòu)模型；錨桿采用植入式桁架進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型為彈性結(jié)構(gòu)模型；模型的四周立面與底部邊界面采用發(fā)現(xiàn)位移約束，地表設(shè)置為自由邊界面，各個(gè)施工步序緊密銜接，每次開挖進(jìn)尺為0.5 m。

圖3 計(jì)算模型

2.3.2 計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算模擬得知地面沉降最大值為12.31 mm，結(jié)構(gòu)受力不利的地方主要集中在車站下部直壁側(cè)墻上半斷面及擴(kuò)大的初支拱腳部位。

計(jì)算結(jié)果顯示該初支拱蓋法在施工過程中變形及受力可控，但是需要在設(shè)計(jì)中需針對(duì)上述拱腳及側(cè)墻部位進(jìn)行設(shè)計(jì)支護(hù)加強(qiáng)。

2.4 設(shè)計(jì)支護(hù)措施及安全質(zhì)量管控要點(diǎn)

2.4.1 設(shè)計(jì)支護(hù)措施

針對(duì)理論計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)施工的薄弱位置，為保證施工安全，加快施工進(jìn)度，制定了專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)開挖方案進(jìn)行了拱部加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)，拱部支護(hù)措施見表 3 。

表3 拱部初期支護(hù)措施表

擴(kuò)大拱腳處初支噴射混凝土厚度進(jìn)行加厚，局部采用4層鋼筋網(wǎng)布置，噴射混凝土厚度為950 mm，同時(shí)每榀格柵處采用2根長(zhǎng)5 m的直徑25 mm中空注漿錨桿進(jìn)行鎖腳加強(qiáng)。3）針對(duì)側(cè)墻上半斷面應(yīng)力較大的問題，采用IV級(jí)圍巖增設(shè)豎向格柵鋼架（間距同拱部格柵鋼架間距），同時(shí)增加噴射混凝土厚度至250 mm，并在大拱腳下3 m范圍內(nèi)設(shè)置3.5 m長(zhǎng)直徑25 mm中空注漿系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加強(qiáng)。II級(jí)和III級(jí)圍巖部位不設(shè)置豎向格柵，采用150 mm噴射混凝土及大拱腳下3 m范圍內(nèi)設(shè)置3.5 m長(zhǎng)直徑25 mm中空注漿系統(tǒng)錨桿的措施進(jìn)行加強(qiáng)。

2.4.2 施工安全質(zhì)量管控要點(diǎn)

高效安全地施工不僅體現(xiàn)在設(shè)計(jì)方案，也體現(xiàn)在管理方面，針對(duì)分析發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，制定管控要點(diǎn)如下：1）拱部采用臺(tái)階法施工，但是在格柵鋼架中部預(yù)留增設(shè)臨時(shí)型鋼支撐的連接條件。2）在車站單層初支拱蓋達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，車站下部巖體采用“縱向分段、豎向分層和中部拉槽”的方法進(jìn)行開挖，以確保圍巖的穩(wěn)定。3）車站下部邊墻爆破施工時(shí)，在靠近側(cè)墻3 m范圍內(nèi)采用控制性爆破，松動(dòng)爆破或非鉆爆法開挖等方法，最大限度地保證拱腳處巖石完整性。4）拱蓋法下部巖體開挖時(shí)，相鄰側(cè)巖體先后距離宜保持不小于15 m ，上下斷面宜采用超短臺(tái)階法，距離保持3 m～5 m。5）初期支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼架分節(jié)應(yīng)充分考慮可操作性，每段鋼架長(zhǎng)度與重量應(yīng)方便現(xiàn)場(chǎng)施工，每節(jié)鋼架長(zhǎng)度不宜大于4 m。鋼架與初噴砼之間有較大縫隙時(shí)，應(yīng)設(shè)置墊塊頂緊圍巖。鋼架安裝前，應(yīng)清除拱腳浮渣，并采用C20混凝土填塞密實(shí)，部分不密實(shí)處篩擠鋼板，確保鋼架拱腳不下沉。6）二襯拱蓋法下半斷面襯砌應(yīng)該順做，即先做仰拱襯砌，然后做邊墻襯砌，且在車站縱向施工，下半斷面仰拱襯砌的施做應(yīng)緊跟掌子面，距離一般不超過20 m，側(cè)墻襯砌則應(yīng)緊跟仰拱襯砌施做，同時(shí)需要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果反饋指導(dǎo)施工，及時(shí)調(diào)整工序。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

目前，太行山路站已經(jīng)完成二襯施工，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形基本穩(wěn)定，根據(jù)施工實(shí)測(cè)地表數(shù)據(jù)反饋，拱頂沉降約為15.76 mm，比計(jì)算值12.31 mm略大，基本可以看出理論計(jì)算和實(shí)際實(shí)施趨勢(shì)一致。

3 結(jié)論

該文依托青島市地鐵1號(hào)線太行山路站工程，利用Midas GTS NX模擬了城市主干道路下方采用單層初支拱蓋法開挖淺埋暗挖大跨度隧道的施工全過程，分析了施工過程中可能造成的沉降、變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性等問題，并比較分析了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地面沉降、洞身收斂等數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，主要結(jié)論如下：1）在城市主干道路下方的“上軟下硬”淺埋地層，當(dāng)車站主體設(shè)置在微風(fēng)化地層中并保證一定覆蓋層厚度的情況下，采用拱腳局部加強(qiáng)的單層初支拱蓋法進(jìn)行施工，可以充分利用圍巖的承載能力，并有效地控制沉降及變形。2）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地面沉降和洞身收斂數(shù)據(jù)比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，單層初支拱蓋法數(shù)值模擬結(jié)果在變形趨勢(shì)上與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，可以確定太行山路站車站主體的淺埋暗挖大跨度隧道采用單層初支拱蓋法是合理可行的。3）與傳統(tǒng)的二襯拱蓋法相比，單層初支拱蓋 法能夠有效地簡(jiǎn)化施工程序，實(shí)現(xiàn)混凝土自仰拱向上順做，同時(shí)能夠避免后期拱腳梁處二襯難以澆筑密實(shí)以及拱腳梁處防水難以保護(hù)等問題，可有效提升二次襯砌施工質(zhì)量。4）單層初支拱蓋法車站施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在于控制進(jìn)尺和保護(hù)好初支拱腳處的圍巖，確保拱腳位于穩(wěn)定的巖層。

目前初期支護(hù)措施相對(duì)較強(qiáng)，地面沉降數(shù)值基本控制在16 mm范圍內(nèi)，尚存在進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)措施的空間，可以在未來工程中進(jìn)一步研究考慮。