拱蓋法在暗挖地鐵車站中的應(yīng)用

馬占起

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

1 概述

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)中規(guī)定:地下結(jié)構(gòu)的施工方法應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境條件、埋深、安全、交通條件、投資和工期等因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定[1]；《地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論》認(rèn)為:淺埋地下工程施工方法主要有明挖法(蓋挖法)和暗挖法兩大類[2]；《中國隧道及地下工程修建技術(shù)》論及:淺埋隧道開挖方法的選擇，應(yīng)以地質(zhì)條件為主要依據(jù)，結(jié)合工期、隧道長度、斷面大小、施工單位的機(jī)械設(shè)備能力和施工技術(shù)水平等因素綜合考慮[3]。

地鐵車站常用施工工法主要有:明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法等。祝勇通過FLAC3D分析方式對(duì)中洞法和側(cè)洞法施工引起的地表沉降進(jìn)行了對(duì)比[4]，對(duì)中洞法和側(cè)洞法引起的沉降做了量化分析，其結(jié)論為這兩種工法都無法滿足城市中心區(qū)域的沉降要求；彭杰文對(duì)蓋挖法在淺埋地鐵車站的應(yīng)用進(jìn)行了論述[5]，認(rèn)為蓋挖法雖然有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但仍無法滿足城市主干道的沉降控制要求；劉石磊、張紹民對(duì)PBA法施工步序和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的論述[6-7]，認(rèn)為雖然PBA工法大大改善了沉降問題，但仍存在對(duì)特殊地層的適應(yīng)性問題，并且無法解決拱頂防水問題；符剛等對(duì)淺埋暗挖地鐵車站的主要施工細(xì)節(jié)進(jìn)行了研究與論述[8-11]，認(rèn)為大面積大管棚施工、帷幕注漿會(huì)導(dǎo)致工期緩慢和造價(jià)過高等問題；楊會(huì)軍對(duì)淺埋暗挖大跨地鐵車站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[12]，分析結(jié)果表明，PBA工法的工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜，對(duì)地表沉降影響也較大；呂波等介紹了大連地鐵拱蓋法的應(yīng)用[13-15]，但未對(duì)拱蓋法的沉降進(jìn)行進(jìn)一步論述，而沉降值無疑是工法選擇的一個(gè)重要指標(biāo)；王莉莉等以青島地鐵中拱蓋法的應(yīng)用為例，對(duì)拱蓋法進(jìn)行了工法、步序等方面的研究和分析[16-19]。

基于先行者的理論與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工實(shí)際，對(duì)拱蓋法的施工工藝、關(guān)鍵施工技術(shù)等進(jìn)行深入分析研究，并對(duì)其現(xiàn)有的不足之處提出改進(jìn)建議，以供類似工程探討和研究。

2 工程概況及工法選擇

2.1 工程概況

大連地鐵2號(hào)線主要位于城市中心區(qū)，沿城市主干道布設(shè)，地面建筑物密集，周邊管線眾多。地下水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙中，水量較豐富。地層由上至下依次為第四系人工堆積層(素填土)、第四系上更新統(tǒng)坡洪積層(粉質(zhì)黏土)、震旦系長嶺子組板巖(全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化板巖)、中生代燕山期輝綠巖(中風(fēng)化、微風(fēng)化輝綠巖)，上部素填土和粉質(zhì)黏土承載力差，全風(fēng)化板巖和強(qiáng)風(fēng)化板巖節(jié)理裂隙極發(fā)育，透水性強(qiáng)，遇水易軟化崩解，不能作為結(jié)構(gòu)持力層；下部中風(fēng)化板巖、中風(fēng)化輝綠巖和微風(fēng)化輝綠巖巖體局部較完整，地基承載力為1 000～1 500 kPa，屬于典型的“上軟下硬”地層。因此，選擇一種合適的施工方法，對(duì)于保證結(jié)構(gòu)安全、減小沉降變形、縮短施工工期、降低工程造價(jià)具有十分重要的意義。

2.2 工法選擇

淺埋暗挖常用的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、PBA法、中洞法等，在國內(nèi)各地有很多成功案例，不同工法有不同的使用范圍和適用條件。如側(cè)洞法適用于單層多跨的大斷面車站，中洞法適用于地質(zhì)條件較好、跨度較小的單柱車站，PBA法一般適用于軟巖或土質(zhì)地層。結(jié)合大連地區(qū)地層“上軟下硬”、地下水豐富等特征，將工藝成熟的明挖法、蓋挖法、PBA法結(jié)合并改進(jìn)，最終形成了“拱蓋法”。相較于其它暗挖工法，拱蓋法的優(yōu)點(diǎn)是更安全、高效(見表1)。

表1 暗挖工法比較

3 拱蓋法的應(yīng)用

3.1 拱蓋法基本原理

拱蓋法是在明挖法、蓋挖法、PBA法基礎(chǔ)上，衍生創(chuàng)建的暗挖施工方法，主要適用于上軟下硬地層，其核心原理是充分利用下覆圍巖自身的承載能力和穩(wěn)定性，在不爆破或弱爆破的條件下，采用PBA法的邊導(dǎo)洞形式進(jìn)行初支扣拱，同時(shí)以大拱腳取代PBA法中的邊樁，將拱部初支和拱部二襯結(jié)構(gòu)支撐于兩側(cè)穩(wěn)定基巖的大冠梁上，形成大拱蓋結(jié)構(gòu)，在大拱蓋結(jié)構(gòu)的保護(hù)下分部下挖，并逆作或順作施工永久結(jié)構(gòu)。

為使拱蓋上部荷載均勻傳遞給下伏基巖，保證大拱蓋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，在大拱腳下設(shè)置通長縱向冠梁；為保證下部高邊墻的穩(wěn)定性和扣拱后大面積下挖作業(yè)的安全，邊墻初支采取預(yù)應(yīng)力錨索+錨噴支護(hù)的方式；為保護(hù)已施工結(jié)構(gòu)和控制地表沉降，采用弱爆、減震爆破或預(yù)裂爆破開挖，如有條件，可采用非爆破方式開挖，以減少擾動(dòng)。拱蓋法結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

圖1 拱蓋法結(jié)構(gòu)斷面(單位：mm)

3.2 拱蓋法施工工序

根據(jù)車站上部地層情況，分為逆作工序和順作工序，兩者在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上最突出的區(qū)別就是有無二襯頂板兩側(cè)的大拱腳，施工工序也不相同。下面以工程實(shí)例對(duì)拱蓋法的逆作工序和順作工序進(jìn)行介紹。

(1)逆作工序

在上部各導(dǎo)洞貫通后，施作兩側(cè)大冠梁，而后先扣初支拱蓋，再扣二襯拱蓋，在大拱蓋的保護(hù)下，大面積分部下挖土石方至底板下，最后澆筑底板、側(cè)墻和中板等永久結(jié)構(gòu)。以大連地鐵一二九街站為例，逆作施工步序見圖2。

(2)順作工序

在上部各導(dǎo)洞貫通后，施作兩側(cè)大冠梁，而后先扣初支拱蓋，在初支拱蓋的保護(hù)下，大面積分部下挖土石方至底板下，最后澆筑底板、側(cè)墻、中板、頂板。以大連地鐵興工街站為例，順作施工步序見圖3。

(3)逆作工序與順作工序比較

逆作法和順作法在安全、質(zhì)量、進(jìn)度等方面各有優(yōu)劣:逆作法相對(duì)安全可靠，但逆向水平接縫處施工質(zhì)量難以保證，較易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自防水問題；順作法依靠拱部初支承受上部荷載，風(fēng)險(xiǎn)較大，通長打設(shè)管棚會(huì)拖慢工期，提高造價(jià)，但后期二襯結(jié)構(gòu)完整性較好，自防水效果好。綜上所述，作為一種新型暗挖工法，安全問題無疑是首要考慮的選項(xiàng)，故而逆作法是最優(yōu)選擇。

3.3 地面沉降

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格控制地面沉降量，應(yīng)預(yù)測(cè)評(píng)估可能引起的臨近建、構(gòu)筑物以及管線的沉降，依據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程的要求或通過模擬計(jì)算確定其允許沉降量和次生應(yīng)力，給出安全可靠、合理有效的技術(shù)措施。地鐵站的開挖打破了原巖的受力平衡，使原巖初始應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，引起應(yīng)力重分布。拱蓋法施工包含多道施工工序，每道工序都會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)并造成沉降，對(duì)拱蓋法的數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，其沉降情況有如下規(guī)律:

(1)依據(jù)修正Mohr-Coulomb準(zhǔn)則建立3D模型(模擬區(qū)域:縱向173 m，橫向97 m，豎直向85 m)，各地層參數(shù)見表2，依據(jù)施工步序(逆作法)進(jìn)行模擬，經(jīng)運(yùn)算得到模型的位移云圖(見圖4)。

圖2 逆作法施工步序

表2 地層參數(shù)

圖3 順作法施工步序

對(duì)比各道工序的沉降位移云圖，對(duì)沉降影響最大的工序?yàn)楣安恐袑?dǎo)洞的開挖和拱部臨時(shí)豎撐的拆除兩個(gè)步序；工作面超前變形范圍為2.5倍洞徑，拱蓋斷面開挖橫向影響范圍約為1.5倍洞徑。

(2)使用水準(zhǔn)儀對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析(見圖5)，得到的沉降規(guī)律與數(shù)值模擬分析結(jié)果大致相同，但略大于數(shù)值模擬分析得出的沉降量。地表沉降大致分為初期沉降、快速沉降、沉降收斂三個(gè)階段，其中中導(dǎo)洞開挖和臨時(shí)豎撐拆除造成的二次擾動(dòng)對(duì)地面沉降影響最大，為快速沉降階段。

(3)通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)地表沉降縱、橫向變化的規(guī)律服從常規(guī)暗挖車站的沉降變化規(guī)律，即沉降主要影響范圍為工作面位置的1.5倍洞徑范圍，最大沉降值位于導(dǎo)洞正上方。

4 拱蓋法重難點(diǎn)控制及細(xì)部?jī)?yōu)化

4.1 大拱腳施工

充分利用巖石自身的承載能力是拱蓋法的核心思想。拱部初支和拱部二襯形成大拱蓋結(jié)構(gòu)支撐在兩側(cè)基巖上，通過大拱腳下的大冠梁將拱蓋上方荷載均勻傳遞給兩側(cè)圍巖，故而大拱腳(見圖6)的穩(wěn)定性決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全，所以要求冠梁下圍巖的強(qiáng)度和承載力必須滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)詳勘報(bào)告和結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析，確定采用2.8 m寬、1 m+0.8 m高的梯形冠梁。為保證冠梁下地基的承載能力，需對(duì)冠梁的主受力方向進(jìn)行加固，加固措施為:側(cè)向水平打設(shè)3排長3.7 m、直徑42 mm、壁厚3.25 mm、間距1 m的注漿錨管(尾部錨入冠梁0.7 m)，梅花形布置；按傾角為30°打設(shè)1排長3 m、直徑42 mm、壁厚3.25 mm、間距1 m的鎖腳錨管；注漿漿液采用1∶1水泥漿，注漿終壓為0.3～0.5 MPa，注漿終凝后取芯實(shí)驗(yàn)，以確定注漿效果是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 斷面施工沉降云圖

圖5 地表監(jiān)測(cè)沉降曲線

圖6 拱蓋法大拱腳

4.2 初支及二襯扣拱施工

初支及扣拱施工主要分為兩步，首先施工左右導(dǎo)洞內(nèi)的拱部初期支護(hù)并在初期支護(hù)背后回填混凝土，而后施工兩導(dǎo)洞之間的拱頂初支以及豎向臨時(shí)初支。初支扣拱施工時(shí)，必須保證四段鋼格柵和冠梁上預(yù)埋鋼板在同一里程平面上，以確保各段格柵能準(zhǔn)確連接受力(考慮到施工誤差，冠梁上的預(yù)埋鋼板宜通長布置，不宜分塊)。左右導(dǎo)洞內(nèi)拱部格柵背后回填混凝土應(yīng)分段一次性澆筑，并預(yù)留注漿鋼管，在回填結(jié)束后注漿填實(shí)，以免出現(xiàn)空洞。

在初支及扣拱施工完成后，從車站中間向兩端分段拆除兩側(cè)小導(dǎo)洞部分初支和臨時(shí)豎向初支，鋪設(shè)防水層并跟進(jìn)施工二襯大拱。每次拆除格柵長度不大于一個(gè)柱跨(兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行)；襯砌模板采用6 m自行式液壓模板臺(tái)車，澆筑時(shí)應(yīng)振搗密實(shí)，養(yǎng)護(hù)規(guī)范，確保混凝土質(zhì)量。

4.3 爆破施工

地鐵站一般地處繁華市區(qū)，埋深較淺，周邊建、構(gòu)筑物密集，管線密布，暗挖斷面較大且多處于中風(fēng)化板巖中，需要多次爆破開挖，給圍巖、初支等結(jié)構(gòu)造成多次擾動(dòng)甚至破壞。故此要控制爆破震動(dòng)以及影響范圍，降低爆破導(dǎo)致的超、欠挖，保證大拱腳下高邊墻的穩(wěn)定和已施工結(jié)構(gòu)的安全。為控制爆破震動(dòng)，可采用微差減震控制爆破，兩側(cè)大冠梁下側(cè)墻2 m范圍內(nèi)采用預(yù)裂爆破，用公式(1)計(jì)算各部分所需的炸藥量，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得較貼合實(shí)際的爆破參數(shù)(v取2 cm/s作為控制標(biāo)準(zhǔn))。

式中 Qm——炸藥量/kg；

R——爆源與保護(hù)對(duì)象之間的距離/m；

v——保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度/(cm/s)；

K、a——與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，可按《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)中表(3)選取，也可通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

4.4 防水施工

地鐵車站主體結(jié)構(gòu)防水等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)不允許滲水，表面無濕漬。因此，施工縫、變形縫、預(yù)埋件等接縫防水以及二襯混凝土自防水應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工，并在防水薄弱點(diǎn)采取加強(qiáng)措施，如二襯大拱腳處，應(yīng)將混凝土銳角做成圓弧過渡，并加鋼板防護(hù)。

4.5 高邊墻支護(hù)

在大拱蓋扣拱完成后，進(jìn)行下部圍巖的大面積開挖，使得大冠梁下方形成一個(gè)深約9 m的臨空面。為保證大冠梁下方高邊墻的穩(wěn)定，給大拱蓋結(jié)構(gòu)提供安全可靠的支撐基礎(chǔ)，采取了下列措施:

(1)在距離高邊墻2 m范圍內(nèi)采用預(yù)裂爆破或非爆破方法開挖，以減少對(duì)大冠梁下方基巖的擾動(dòng)，保證其完整性。

(2)側(cè)墻采用鋼格柵+網(wǎng)噴混凝土+砂漿錨桿初支體系。

(3)在巖層順層側(cè)設(shè)置3道預(yù)應(yīng)力錨索，縱向間距1.5 m，以避免巖層順坡滑移破裂。

(4)及時(shí)施作閉合二襯結(jié)構(gòu)，減少高邊墻外露受力時(shí)間。

4.6 地面沉降控制

拱蓋法施工涉及到多步序、多環(huán)節(jié)的銜接與轉(zhuǎn)換，工序較為復(fù)雜，可通過以下幾方面對(duì)沉降加以控制:

(1)建立拱蓋法分步開挖模型，對(duì)拱蓋法施工全過程進(jìn)行分析，找出重要工序并制定合理的工序排布與施工工藝。

(2)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)地面變形和洞內(nèi)拱頂沉降及側(cè)墻收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與前期預(yù)測(cè)值作對(duì)比，分析判斷上步施工工藝和施工參數(shù)與預(yù)期要求的差異，適時(shí)調(diào)整施工參數(shù)和施工工藝，確保工程安全。

(3)應(yīng)準(zhǔn)確控制主體各導(dǎo)洞的施工進(jìn)度，控制好左右導(dǎo)洞工作面的間距(一般為2～3倍洞徑)，減少相互擾動(dòng)，使工序銜接緊湊。開挖時(shí)應(yīng)盡量縮短循環(huán)進(jìn)尺，結(jié)構(gòu)盡早封閉成環(huán)，可有效減少地面沉降。

(4)影響沉降最主要的工序?yàn)殚_挖拱部中導(dǎo)洞和拱部臨時(shí)豎撐的拆除，所以在拱部上方應(yīng)力較大或圍巖完整性較差時(shí)，可采用雙層疊合初支的形式。實(shí)踐證明，這種方式對(duì)減少沉降有良好的效果。

5 結(jié)束語

拱蓋法是在明挖法、蓋挖法、PBA法基礎(chǔ)上改良形成的一種新型暗挖工法，其遵循地下工程淺埋暗挖技術(shù)理論，可適應(yīng)某些城市地區(qū)上軟下硬的特殊地質(zhì)條件及施工環(huán)境，解決了傳統(tǒng)地鐵施工在此條件下的施工安全和變形控制難題。導(dǎo)洞少使得工序相對(duì)簡(jiǎn)單，擾動(dòng)次數(shù)少，單跨結(jié)構(gòu)防水質(zhì)量好，主體結(jié)構(gòu)大面積下挖施工效率高，土建工期可縮短至13個(gè)月，工程造價(jià)相對(duì)較低。