富水軟弱圍巖明暗挖結(jié)合分離島式地鐵車站施工關(guān)鍵技術(shù)

季維果

中鐵十局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250001

近年來，隨著城市化進(jìn)程不斷加快，在交通繁忙和建筑密集區(qū)的城市中心區(qū)修建地鐵車站也愈發(fā)困難。隨著施工技術(shù)的發(fā)展，暗挖法車站得到了越來越多的應(yīng)用，但大斷面全暗挖車站，工期長，造價(jià)高，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，且在地質(zhì)情況差或地下構(gòu)筑物限制時(shí)不易實(shí)施，于是出現(xiàn)了將站廳明挖、站臺暗挖，利用立體交叉洞室群連接站廳與站臺層更具適應(yīng)性的明暗挖結(jié)合分離島式車站。

交通大學(xué)站場區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水位高，施工風(fēng)險(xiǎn)和難度大，且該站在繁華的黃河路，周邊環(huán)境復(fù)雜，地下管線眾多，不具備降水條件，經(jīng)過方案比選最終采用了明暗挖結(jié)合分離島式型式，通過三維數(shù)值模擬分析確定了群洞開挖順序，對軟弱圍巖開挖、二襯施作進(jìn)行了探索研究，有效解決了富水復(fù)雜地層施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了施工安全。針對大城市交通擁擠、建筑密集的現(xiàn)狀，地鐵車站越來越多的采用明暗挖結(jié)合形式，本文對類似地鐵工程具有很好的借鑒和指導(dǎo)意義[1]。

1 工程概況

1.1 車站結(jié)構(gòu)型式

交通大學(xué)站為明暗挖結(jié)合分離島式車站，車站全長174．3m，總建筑面積14344．5m2。外掛設(shè)備廳采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐形式。立體交叉洞室群采用暗挖施工，兩端為風(fēng)道，利用風(fēng)道作為通道施工左右線暗挖主體結(jié)構(gòu)，左右線間設(shè)3個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，暗挖主體結(jié)構(gòu)上方東西設(shè)進(jìn)站通道與斜通道連接外掛設(shè)備廳及站臺層。

圖1 交通大學(xué)車站平面圖

圖2 暗挖立體交叉洞室剖面圖

1.2 項(xiàng)目施工難點(diǎn)

（1）水文及地質(zhì)條件復(fù)雜。交通大學(xué)站原址為馬欄河河道，地下水豐富，施工區(qū)域內(nèi)存在6-9m厚卵石層，具有強(qiáng)透水性。暗挖主體穿越地質(zhì)復(fù)雜，為強(qiáng)、中風(fēng)化鈣質(zhì)板巖和碎裂巖交界，存在順層巖體，屬于V字漏斗型地質(zhì)。同時(shí)巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水易崩解軟化，強(qiáng)度、承載力驟減，綜合評定為Ⅴ級圍巖。

（2）地面管線及構(gòu)筑物復(fù)雜。車站上方為黃河路主干道，埋設(shè)有國防光纜、雨污、給水、煤氣等大量管線，以及暗渠、人防等構(gòu)筑物，由于年久失修排污管道存在滲漏易形成水囊。

（3）立體交叉洞室群多，受力體系復(fù)雜。進(jìn)站通道、斜通道和暗挖主體結(jié)構(gòu)最小凈距僅為1．3m，多個(gè)洞室同時(shí)施工對地層的擾動和相互影響大大增加暗挖施工風(fēng)險(xiǎn)。

（4）軟弱圍巖大斷面二襯施工拆撐風(fēng)險(xiǎn)大。二襯施工需要分段拆除臨時(shí)支撐，可能會引起隧道拱頂和邊墻產(chǎn)生較大變形，存在極大安全隱患[2]。

2 立體交叉洞室群施工順序

2.1 施工順序的擬定

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，針對暗挖主體群洞部分，為減小結(jié)構(gòu)間相互影響，分析主洞與上方橫通道和斜通道的合理施工順序。擬定了兩種洞室群的施工順序：方案1先施工主洞初支及二襯結(jié)構(gòu)后施工進(jìn)站通道和斜通道、方案2先施工進(jìn)站通道和斜通道后施工主洞初支及二襯。

2.2 三維數(shù)值模擬計(jì)算分析

采用Midas/NX巖土分析軟件分別按照兩種施工方案建立有限元模型計(jì)算，分析開挖支護(hù)過程圍巖變形及相鄰洞室間的影響程度，確定圍巖變形相對較小的開挖支護(hù)順序。

方案1進(jìn)站通道、斜通道及聯(lián)絡(luò)通道施工后主洞最終拱頂最大沉降約為8．61mm，較施工前增加約6%，后續(xù)結(jié)構(gòu)施工對主洞的影響較小。位移最大值在車站主洞的兩端，中間部位位移變化較小，沉降值和隆起值均在控制值范圍內(nèi)。方案2先施工進(jìn)站通道和斜通道，后施工的暗挖主體結(jié)構(gòu)需要下穿進(jìn)站通道，且在斜通道下方穿過會對已施工完成的進(jìn)站通道和斜通道產(chǎn)生很大影響，暗挖主體結(jié)構(gòu)施工后，進(jìn)站通道最終沉降由施工前3．3mm增大至6．78mm，增加105%，斜通道最終沉降由施工前3．15mm增大至8．4mm，增加167%。

本站由于高富水卵石層和強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖層的存在，實(shí)際施工中的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于理論計(jì)算的結(jié)果。考慮到施工安全、地質(zhì)變化及變形趨勢，為保證施工過程中暗挖洞室群相互影響及結(jié)構(gòu)變形最小，采用方案1的施工工序。

圖3 暗挖立體交叉洞室三維圖

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

不良地質(zhì)段工法優(yōu)化。

（1）原設(shè)計(jì)工法存在的問題。暗挖主體開挖斷尺寸10．45×8．91m，采用高直墻扁平拱形斷面，原設(shè)計(jì)采用CD工法施工。碎裂巖、泥巖等不良地質(zhì)段開挖，拱部穩(wěn)定性較差，極易引起拱頂塌方；且隧道左右導(dǎo)洞、上下臺階需錯(cuò)開步距施工，導(dǎo)致下部不能及時(shí)封閉，致使初支結(jié)構(gòu)承載能力較小，極易引起初支結(jié)構(gòu)變形、下沉、開裂等問題。

（2）暗挖主體工法優(yōu)化。為有效防止碎裂巖、泥巖等不良地段開挖拱頂土體的松弛和塌方，根據(jù)現(xiàn)場地層變化情況，對施工工法進(jìn)行改進(jìn)。

①超前支護(hù)措施：將原設(shè)計(jì)Φ42超前小導(dǎo)管加密加長，環(huán)向間距由300mm調(diào)整為200mm，長度由3m調(diào)整為3．5m，增加棚護(hù)效果。②增設(shè)水平支撐。在拱部與邊墻連接處，每榀增設(shè)22a工字鋼水平臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐間采用Ф22鋼筋連接，間距1m梅花形布置，提高臨時(shí)支撐整體穩(wěn)定形。③直墻段增設(shè)小導(dǎo)管。直墻段每兩榀格柵增設(shè)Φ32小導(dǎo)管3根，小導(dǎo)管長度3m，間距1m，打設(shè)角度為斜向下30度，并注漿加固，增加初支水平向約束。

圖4 優(yōu)化工法施工工序圖

（3）大斷面風(fēng)道不拆撐滿堂支架法施作二襯。1、2號大斷面風(fēng)道開挖斷面9．8m×11-15m，采用CRD工法施工。因所處地層圍巖破碎，為確保二襯施工期間初期支護(hù)穩(wěn)定，采取不拆撐滿堂支架施作二襯，主要步驟：底板施工時(shí)按6m一循環(huán)破除中隔壁在底板范圍內(nèi)的噴射混凝土，按2m一循環(huán)割除中隔壁底部工字鋼并鋪設(shè)底板防水后立即恢復(fù)中隔壁工字鋼，再進(jìn)行下一循環(huán)防水施工；中板施工時(shí)破除中板范圍中隔壁及臨時(shí)仰拱二襯厚度范圍噴射混凝土，割除邊墻0．4m臨時(shí)仰拱工字鋼，鋪設(shè)邊墻防水、綁扎鋼筋，將剩余工字鋼澆筑在邊墻二襯混凝土中，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。待二襯全部施工完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再對臨時(shí)支撐集中拆除，確保了軟弱圍巖大斷面風(fēng)道二襯施工過程中支護(hù)體系的穩(wěn)定，避免了拆除臨時(shí)支撐與二襯施工的交叉作業(yè)，提高了施工效率[3]。

4 暗挖主體襯砌臺車結(jié)合簡易襯砌支架施作二襯

4.1 臨時(shí)支撐合理拆除長度

通過三維有限元模擬分別對中隔壁拆除長度分別為6m、9m、12m及18m四種情況下的最大變形及最大變形增量進(jìn)行比對分析，得出結(jié)論：中隔壁拆除9m是個(gè)分界點(diǎn)，拆除12m較9m的增加值是拆除9m較6m增量的3倍；拆除18m較12m的增量是拆除12m較9m增量的1/2。當(dāng)中隔壁拆除超過9m，達(dá)到18m時(shí)，雖然沉降值沒有超過控制值，但增加的趨勢已明顯增大，本站所處地質(zhì)為強(qiáng)-中風(fēng)化碎裂巖，當(dāng)?shù)刭|(zhì)較差時(shí)變形會突然增大甚至超過控制值。綜合考慮確定了中隔壁每次拆除長度不宜超過9m，實(shí)際施工中加強(qiáng)對拱部及邊墻拆撐前、中、后的監(jiān)測，為拆除中隔壁施工提供指導(dǎo)。

4.2 暗挖主體二襯施工

暗挖主體左右線均為拱形直墻結(jié)構(gòu)，二襯厚度底板0．8m、邊墻0．6m。因現(xiàn)場條件受限，只能從1號風(fēng)道施工車站暗挖主體二襯。采用襯砌臺車施工，受工序等條件限制，車站主體每條隧道僅能使用一部襯砌臺車，由1號風(fēng)道向2號風(fēng)道，逐段拆除臨時(shí)支撐施作二襯，施工進(jìn)度受臺車長度，拆撐、防水、鋼筋等工序制約。采用滿堂支架法，隧道直墻部分施工不受中隔壁影響，可在不拆除中隔壁的情況下，連續(xù)施工直墻段二襯，加快邊墻二襯施工進(jìn)度，同時(shí)模板采用普通木模或鋼模，與其它工點(diǎn)通用，無需額外增加模板投入。但拱部施工前需拆除中隔壁，并重新搭設(shè)腳手架，且拱部二襯施工時(shí)間花費(fèi)時(shí)間長[4]。

綜合考慮最終采用襯砌臺車法結(jié)合簡易襯砌支架法，結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，加快施工進(jìn)度。施工步驟：每條隧道由一部襯砌臺車及一套邊墻模板施工二襯，用支架法從1號風(fēng)道向2號風(fēng)道施做邊墻二襯，后續(xù)用襯砌臺車施做拱部二襯。邊墻支架法施工無需拆除中隔壁，施工進(jìn)度遠(yuǎn)快于二襯臺車的施工進(jìn)度，二襯臺車施工時(shí)可節(jié)省邊墻防水、鋼筋與堵頭的施工，縮減了每循環(huán)臺車施工二襯的時(shí)間，加快了二襯施工進(jìn)度。

圖5 襯砌臺車結(jié)合滿堂支架法施工圖

5 結(jié)語

交通大學(xué)站水文及地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖破碎，地下水位高，地下水豐富，同時(shí)地下管線眾多，沉降控制要求高，施工風(fēng)險(xiǎn)和難度大。如何有效降低在開挖、二襯拆撐施工時(shí)初期支護(hù)變形，確保施工安全，是軟弱圍巖分離島式暗挖車站施工的關(guān)鍵。

本文通過三維數(shù)值模擬分析確定了車站群洞最佳開挖順序，對軟弱圍巖不良地質(zhì)段開挖工法進(jìn)行了優(yōu)化，大斷面風(fēng)道采用不拆撐滿堂支架法施作二襯，暗挖主體采用臺車結(jié)合簡易襯砌支架施作二襯，有效降低了富水軟弱圍巖地鐵車站施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了施工安全，對類似的地鐵工程具有很好的借鑒和指導(dǎo)意義，具有廣泛的推廣前景。