拱蓋法車站施工過程地層沉降規(guī)律及適用性分析

賈世濤 張志勇 宋 波 張海龍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

拱蓋法是一種典型的地下大空間結構施工工法，結合了當前地下工程常用明(蓋)挖工法和暗挖扣拱工法的特點，顧名思義就是“拱”和“蓋”的結合，主要思路是將蓋挖的理念引入地下，通過常用的大跨暗挖扣拱施工在上部軟土層形成“拱”形“蓋”，通過大拱腳將拱蓋上部荷載均勻傳遞給下部圍巖，充分利用下覆圍巖的高強度，發(fā)揮巖石承載能力，扣拱完成后在拱蓋的保護下向下開挖，相當于蓋挖方法的后續(xù)施工。經過演變發(fā)展，拱蓋法多適用于“上軟下硬”的特殊地層，多為采用暗挖鉆爆法施工的地下工程。

相關設計和施工技術人員對拱蓋法的研究多集中在工法在地層的適用、拱蓋施工步序探討等方面。鐘國[1]以大連地鐵一二九街站為研究對象，論述了車站施工方法的選擇與比較，介紹了拱蓋法施工的應用，包括單拱單跨和雙拱單柱兩種形式，針對大連地區(qū)上軟下硬的地質條件，拱蓋法較好地解決了大跨車站暗挖施工的安全和變形控制要求，取得了良好的經濟效益和社會效益；李強[2]針對青島地鐵11號線遼陽東路站上軟下硬地質情況，對暗挖拱蓋法在地鐵中的應用進行了分析；王磊等[3]就地鐵拱蓋法在上軟下硬地層中的應用展開論述，解決了傳統(tǒng)分部開挖法受力轉換多、廢棄工程量大、爆破振動影響大、作業(yè)空間狹小等問題；常正儒[4]根據“上軟下硬”的地質特點，提出了“上注下支”的拱蓋施工方法，通過對模擬結果進行對比分析，得到不同開挖順序對施工過程的影響，說明施工應采用先開挖下導洞再開挖上導洞的施工順序，并將得到的地表變形規(guī)律與現場監(jiān)測結果進行對比分析，驗證了數值模擬的準確性；王安東[5]通過論述主要施工工序，將二襯拱蓋法、初支拱蓋法及疊合初支拱蓋法三種拱蓋法進行了比較，詳細介紹了疊合初支拱蓋法的關鍵施工技術和施工要點，論證了疊合初支拱蓋法提高了拱蓋法對圍巖條件的適應能力；鄧昆等[6]針對超大斷面車站拱蓋法破壞特征和力學機理，模擬鳳西路站全過程施工，分析施工過程中地表沉降、初期支護結構應力、位移及大拱腳加固效果，同時對比青島地鐵拱蓋法施工變形規(guī)律，總結了兩者的異同。

與拱蓋法的理念相似，PBA工法也是將蓋挖的思路引入地下，出于對比的考慮，本文還收集了PBA工法相關案例進行分析[7-11]，PBA工法施工安全度高但導洞多、工序復雜、進度慢，一般適用于均勻的軟土地層中。

本文在既有眾多研究結論的基礎上開展工作，以Midas Gts NX有限元分析軟件為主要工具，依托既有在施工程，建立地層結構模型，對拱蓋法車站施工過程進行模擬，分析地層沉降及結構變形規(guī)律，進而應用到本工程的沉降值預估中，指導完善設計和現場實施方案。

2 工程概況

2.1 車站概況

南昌路北站為青島地鐵8號線的第14座車站，車站位于長沙路、周口路與南昌路交叉口處，沿南昌路南北方向布置。車站站址范圍內地形較為平坦，地面標高38.650～40.050 m，車站西北、西南象限均是水清溝二小區(qū)住宅樓，裙房為1層結構，東北象限為中海寰宇天下樓盤小區(qū)，東南象限為70 m綠化帶，尚未實現規(guī)劃，現狀為汽車專營店。周口路規(guī)劃紅線30 m，現狀道路寬約12 m，雙向兩車道(路口三車道)；長沙路規(guī)劃紅線40 m，現狀道路寬約22 m，雙向六車道，道路車流量較大。

車站為地下兩層暗挖車站，單拱大跨結構型式，限量排放的半包防水。車站長226.5 m，標準段寬度19.8 m，上部拱蓋開挖跨度22.3 m，拱頂覆土約14.26～15.73 m，車站主體基本位于微風化花崗巖中。主體結構采用二襯拱蓋法施工，兩端風井兼做1號、2號施工豎井，施工橫通道與風道結合設置。車站兩端接礦山法+TBM施工區(qū)間，開挖、初支、二襯拱墻及中板施工完成后提供TBM過站條件。

2.2 地質條件

通過鉆探揭示，場區(qū)第四系厚度0.50～5.20 m，主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層()及上更新統(tǒng)洪沖積層粉質黏土()組成。基巖為燕山晚期()粗粒花崗巖，花崗斑巖()及煌斑巖呈脈狀產出。受構造破碎帶影響，部分地段揭露砂土狀碎裂巖、塊狀碎裂巖等構造巖。

場區(qū)共揭示了5個標準層及10個亞層，按地質年代由新到老、青島市區(qū)第四系標準地層層序自上而下依次為:第四系(第①層素填土、第①1層雜填土、第[11]層粉質黏土)；基巖(粗粒花崗巖:第[16]0-上層強風化上亞帶、第[17]層中等風化帶、第[18]層微風化帶；煌斑巖:第[16]1層強風化帶、第[18]1層微風化帶；花崗斑巖:第[18]3層微風化帶；構造巖:第[16]0-2層花崗巖(砂土狀碎裂巖)、第[17]0-2層花崗巖(塊狀碎裂巖))。

場區(qū)地下水按賦存介質及埋藏條件的差異，可劃分為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水兩大類。第四系孔隙潛水主要分布在剝蝕堆積緩坡地貌單元，賦存于第①層及第[11]層中，主要接受大氣降水補給，地下水穩(wěn)定水位埋深1.45～4.40 m；基巖裂隙水主要分布在剝蝕斜坡地貌單元，包括風化裂隙水和構造裂隙水，地下水穩(wěn)定水位埋深2.80～8.00 m。

3 施工方法及順序

車站主體結構采用二襯拱蓋法施工，主要工序可分為以下幾個步驟:

(1)拱蓋開挖及施作。車站拱蓋開挖根據圍巖不同分別采用“CD”法或“雙側壁導坑”開挖，導洞開挖完成后及時初噴，及時支護。

(2)二襯扣拱施工。主體上部貫通后進行二襯扣拱施工。

(3)下部開挖及結構施作。由上而下分段開挖車站主體結構，施作中板、中柱及邊墻，側墻做到底板位置時甩出底板預留筋。

(4)過站后的底板及站臺結構施作。在墊層位置修建導臺，待TBM通過本站后，回填底板下超挖區(qū)域，施作底板結構及內部結構。

4 車站施工過程模型計算及地層沉降分析

4.1 模型概況及參數取值

Midas Gts NX有限元分析軟件內置多種單元類型庫和本構模型，通過定義開挖和施工階段功能模擬車站施工過程，并進行施工階段分析。用Midas Gts NX有限元分析軟件建立車站標準斷面和周圍土體模型，模型寬100 m，高50 m，采用彈性模型模擬結構構件，采用摩爾-庫倫模型模擬土層，單元類型均采用實體單元，模型網格劃分如圖1、圖2所示。

圖1 整體模型網格示意

圖2 車站結構網格示意

初支的硬化過程通過建立邊界條件修改單元屬性實現，材料參數根據《混凝土結構設計規(guī)范》[12]和勘察資料確定，見表1。

表1 結構構件及土層材料參數

4.2 車站施工過程分析

對車站施工過程進行模擬，定義施工階段，分步計算，在計算結果中讀取地表和車站結構沉降最值作為分析的主要內容，如圖3所示。

圖3 沉降值對比點示意

讀取施工過程中不同階段的數據進行歸納，按拱蓋開挖、二襯扣拱、下部開挖、結構施作完成四個步驟，將計算結果統(tǒng)計見圖4。

圖4 各施工階段地表沉降及車站結構變形計算結果

根據以上計算結果，總結不同階段地表沉降及結構變形規(guī)律如下:

(1)拱蓋開挖階段的地面沉降在整個施工過程中占據了較大的比例，根據各地表點的數據統(tǒng)計，比例值在67.9%～90.4%之間，平均83.3%。

(2)結構拱頂處對應的地表沉降在各階段的占比均大于其他位置，沉降槽的規(guī)律與常規(guī)斷面相同工法開挖類似，這也說明了拱蓋開挖方式應與拱頂以上土層性質相匹配。

(3)結構變形規(guī)律與地面沉降規(guī)律基本一致，在每個施工階段中所占整體變形比例均略大于地面沉降。

4.3 監(jiān)測數據對比及后期沉降預估分析

截止目前，車站施工已完成拱蓋開挖階段，結合當前收集到的監(jiān)測數據，對地面沉降及結構變形的計算值進行對比見圖5。

圖5 拱蓋開挖施工階段地表沉降及車站結構變形對比情況

根據以上結果對比，對模型計算與實際監(jiān)測情況進行分析，總結出以下特點:

(1)計算值與監(jiān)測值中，地表沉降值基本吻合，監(jiān)測值中沉降最大點位置比計算值更偏向于先行開挖的導洞一側，初步判斷與導洞間開挖步距及支護體系封閉時機有一定關系。

(2)計算值與監(jiān)測值反映出結構變形規(guī)律一致，個別變形值有一定差異，平均差值及最大差值分別為1.5 mm(約16.1%)及3.6 mm(約25.5%)。

基于車站各施工階段計算值得到的初步規(guī)律，結合具體監(jiān)測數據的對比分析情況，通過等比例原則估算每處地面點沉降值，對本車站施工完成后的地面沉降進行預估見圖6。

圖6 車站施工完成地面沉降預估

地面沉降預估值最大7.60 mm，平均值3.67 mm，滿足地面沉降限值要求，這也證明了本站采用二襯拱蓋法實施的合理性。

5 拱蓋法地層適用性分析

近些年來，隨著拱蓋法在地下工程施工中的不斷運用和建筑施工水平的不斷提升，施工技術及理論得到了充分發(fā)展，在常用的初支拱蓋法、二襯拱蓋法基礎上，經過優(yōu)化改良還形成了疊合初支拱蓋法。

目前，青島、重慶、大連等地的在建地鐵，暗挖車站較多采用拱蓋法施工，一部分車站已順利完成，實踐證明，在以硬質巖為主的地層尤其是上軟下硬的地層中，采用拱蓋法施工是合適的，體現出工序轉換少、地面沉降小、防水質量好等優(yōu)勢。由于較大程度依賴基巖的完整保證拱腳受力穩(wěn)定，在軟巖、土質地層中并不適用，這也是拱蓋法的局限性所在。

針對目前城市地下工程常用暗挖方法分部多、地層變形控制困難、施工風險高、施工工效低、結構跨度小等問題，拱蓋法在地下大空間工程中無疑是一種合理的解決思路，而如何將拱蓋法的適用性進一步擴展，并引入支護結構一體化的概念，則是后續(xù)研究工作中的重點。

6 結束語

通過對模型計算結果的分析，得到了拱蓋法地鐵車站施工過程對地層沉降影響的基本規(guī)律，同時基于車站施工過程中的監(jiān)測數據，進行對比分析和施工沉降預估分析，本次課題研究工作主要成果如下:

(1)拱蓋法施工期間沉降最大位置發(fā)生在拱蓋開挖各導洞拱頂處，沉降變化最快發(fā)生在拱蓋開挖及扣拱施工階段，與“上軟下硬”的地層條件相符，同時結構變形規(guī)律與地面沉降規(guī)律一致。

(2)通過實測值與計算值對比，一個特殊的現象是，沉降最大處隨開挖步序轉移至當前開挖導洞處，初步判斷與導洞間開挖步距及支護體系封閉時機有一定關系。

(3)基于模型計算工作和對監(jiān)測值的分析，對車站施工完成后的地面沉降值進行了預估，預估值滿足地面沉降限值要求，證明了車站采用二襯拱蓋法實施的合理性。

在后續(xù)的工作中，將及時跟進車站施工情況，進一步驗證預估值的準確性，對計算值與實測值差異進行細化分析，及時指導現場作業(yè)，合理優(yōu)化施工期間工況約束，確保工程安全順利的實施。

本次工作還搜集了大部分拱蓋法工程相關案例，分析了拱蓋法施工的優(yōu)、缺點，論證了拱蓋法的適用性，希望借此引出對地下大空間結構型式的探討，尋求空間利用率高、環(huán)境友好、施工便捷、安全高效的一體化結構型式和相應的施工方法。