拱蓋法施工技術(shù)在城市軌道交通大跨度車站的應(yīng)用研究

石浩男 程波 賈立民

摘 要：為滿足城市軌道交通客流量日益增長的需求，特大斷面車站因其跨度大、占地少等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。因此，在具有特殊巖土組合性質(zhì)地層的城市，具有更安全、更高效等優(yōu)點(diǎn)的施工工藝才是特大斷面車站的研究方向。文章對城市軌道交通大跨度車站上部拱蓋法施工進(jìn)行論述，著重對開挖過程中的難點(diǎn)及控制重點(diǎn)進(jìn)行分析，在開挖過程中使用現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，并對施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合分析。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;大跨度車站;拱蓋法;施工技術(shù);應(yīng)用研究

中圖分類號：U231+.3

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市人口的快速增加，城市交通擁堵問題越來越凸顯，并成為束縛城市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的首要問題。地鐵憑借其安全性能好、環(huán)境污染少、運(yùn)載容量大、能耗較低等優(yōu)點(diǎn)而受到工程師的青睞。明挖法、暗挖法和蓋挖法是國內(nèi)外地鐵車站修建的3種主要方法。目前，位于城市繁華地段的車站越來越多，為弱化施工帶來的影響，在一些地質(zhì)條件允許的地方，暗挖法施工因具有結(jié)構(gòu)形式靈活多變、對地面建筑和地下管線影響不大、征地拆遷少等優(yōu)點(diǎn)而成為主流。在區(qū)域性施工經(jīng)驗(yàn)和理論研究的基礎(chǔ)上，大連、重慶等具有巖土組合性質(zhì)地層的城市，推出了適合于當(dāng)?shù)氐氖┕すに嚕@得了良好的效益。其中，拱蓋法更能合理地利用巖土組合的地層性質(zhì)，達(dá)到增加基底承載面積、提高承載能力、高效施工、節(jié)約成本和縮短工期的效果。拱蓋法包括3種施工方法：疊合初支拱蓋法、二襯拱蓋法和初支拱蓋法。疊合初支拱蓋法和初支拱蓋法只是在結(jié)構(gòu)形式上有些微差別，相同點(diǎn)是均采用了初支加強(qiáng)的方法以提高拱蓋承載力。

1 車站工程概況及施工工藝

1.1 工程概況

重慶市軌道交通某車站地質(zhì)縱剖面從上至下依次為第四系素填土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖及砂質(zhì)泥巖。車站基本位于中風(fēng)化砂巖、砂質(zhì)泥巖與砂巖互層中。地下水主要為第四系松散層孔隙水、裂隙水。圍巖級別為Ⅳ級，地質(zhì)條件為典型的上軟下硬地層，適合拱蓋法施工條件。斷面開挖寬度為25.7～30.053 m，開挖高度為30.053 m，車站開挖斷面面積為675 m2。

1.2 施工工藝

1.2.1 施工總體思路

車站主體開挖按照拱蓋法施作。首先施工車站拱蓋部分，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行，具體分為以下6步。

（1）車站上部左上導(dǎo)坑開挖支護(hù)。

（2）車站上部右上導(dǎo)坑開挖支護(hù);其開挖形式、參數(shù)同左上導(dǎo)洞，左右上導(dǎo)洞掌子面開挖相互錯(cuò)開10 m。

（3）車站上部左下、右下導(dǎo)坑開挖支護(hù)。

（4）中導(dǎo)坑開挖支護(hù)。

（5）分段（分段長度以滿足一模二襯澆筑為準(zhǔn)）拆除斷面上部臨時(shí)支護(hù)，并加強(qiáng)施工監(jiān)控量測。澆筑臺車行走軌道支撐C40混凝土臨時(shí)底板結(jié)構(gòu)，并鋪設(shè)雙層8 mm @200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)。

（6）分段施作上部防水層，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，適時(shí)施作上部拱蓋二襯結(jié)構(gòu)。拱蓋二襯混凝土采用全液壓式定型臺車澆筑，按照6 m每模施工，采用有軌定型臺架進(jìn)行防水層鋪設(shè)及鋼筋綁扎工作，二襯與上部中導(dǎo)坑核心土的距離須控制在安全間距范圍內(nèi)。

通過車站施工通道接入車站主體負(fù)一層，進(jìn)行拱蓋施工工序轉(zhuǎn)換，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分別往車站大里程和小里程方向開挖車站上部拱蓋，以及附屬結(jié)構(gòu)出入口、風(fēng)道開挖至變形縫位置。拱蓋側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)完成后，需分別在大小里程各拆除40 m核心土（避開風(fēng)道和出入口范圍）作為拱蓋襯砌臺車組拼裝區(qū)。

拱蓋二襯施工完成后，再進(jìn)入車站下部施工。

1.2.2 工藝流程

（1）車站施工流程如圖1所示。

（2）車站拱蓋上下部分層施工順序斷面如圖2所示。

車站拱蓋部分采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖，開挖寬度為30.053 m，高度為12.115 m，面積為301.541 m2，要求采用短進(jìn)尺（單步開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)圍巖級別及完整性確定）開挖，及時(shí)施作初支和二襯，并要求左右導(dǎo)洞掌子面應(yīng)相互錯(cuò)開10 m。待左右導(dǎo)洞開挖完成后，中間核心土根據(jù)施作二襯需要進(jìn)行開挖，核心土與二襯工作面保持30 m間距。大拱腳位置開挖輪廓2.5 m范圍內(nèi)為保證大拱腳處圍巖的完整性，采用機(jī)械開挖、人工配合方式施工，其他區(qū)域采用控制爆破，需嚴(yán)格控制爆破振速。導(dǎo)洞開挖完成后，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，并加強(qiáng)施工過程中監(jiān)控量測，記錄、統(tǒng)計(jì)、分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及圍巖變化情況，及時(shí)調(diào)整施工工藝及初支參數(shù)。

2 拱蓋法開挖過程中的難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)控制

2.1 超大斷面隧道開挖

車站開挖斷面面積屬于超大隧道斷面。車站隧道施工采用拱蓋洞內(nèi)逆作法，針對該工法，工程的重難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)控制描述如下。

（1）大跨度隧道拱部開挖。車站采用拱蓋法施工，為滿足設(shè)置大拱腳需要，車站斷面拱部的開挖寬度進(jìn)一步增加，相應(yīng)增加了工程風(fēng)險(xiǎn)。為控制工程風(fēng)險(xiǎn)，隧道拱部采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，斷面按照前文所述的6步進(jìn)行開挖。以新奧法基本原理為依據(jù)，初支采用格柵鋼架，掛鋼筋網(wǎng)片、噴混凝土柔性支護(hù)體系，及時(shí)施作，使斷面及早閉合，以充分利用圍巖的自承載能力，控制圍巖變形。

（2）拱腳位置圍巖穩(wěn)定性。車站雖然采用拱蓋法施工，但其屬于深埋隧道，隧道拱部的圍巖非松散體具有良好的自穩(wěn)能力，拱部施工以新奧法基本原理為依據(jù)，施工期間采用圍巖和支護(hù)聯(lián)合作用，以圍巖為主要的承載體，拱部承載的主要荷載為拱蓋自重和少數(shù)圍巖形變荷載。保證拱腳部位的圍巖穩(wěn)定性是采用拱蓋法的重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要技術(shù)措施有：①如前文所述加強(qiáng)支護(hù)，保證隧道側(cè)墻穩(wěn)定性;②拱腳部位設(shè)置縱向托梁（二襯暗梁），不僅能夠優(yōu)化拱腳部位結(jié)構(gòu)防水，而且能夠起到變形協(xié)調(diào)和受力傳遞作用，使得局部的變形突變或受力集中能夠縱深傳遞，從而保證隧道整體穩(wěn)定;③拱蓋大拱腳部位采用人工開挖。

（3）施工監(jiān)控量測。通過建立一套信息化施工管理監(jiān)控量測系統(tǒng)，隨時(shí)動(dòng)態(tài)掌握圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的變化，隨偏隨糾，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝，保證施工過程安全無誤。

2.2 施工對周邊環(huán)境影響及控制措施

車站為深埋隧道，從隧道與周邊環(huán)境空間關(guān)系上判斷，在保證隧道洞室穩(wěn)定的前提下，隧道施工對周邊環(huán)境影響小，主要的影響是爆破施工帶來的震動(dòng)。因此，要求在施工中應(yīng)嚴(yán)格控制爆破振速（不應(yīng)大于2 cm/s），以便減小施工過程中對地表建筑物的影響，同時(shí)要求加強(qiáng)對建筑物的監(jiān)控量測。

2.3 拱蓋法施工控制重點(diǎn)

（1）拱蓋法屬于一種特殊的地下暗挖法，其理論可完全參照地下工程淺埋暗挖法。在淺埋條件下，以控制地表沉降為重點(diǎn)、改造地質(zhì)條件為前提、錨噴和格柵等作為初支修建地下工程。設(shè)計(jì)和施工來自“十八字”原則——管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測。

（2）對地下水采取降水、堵水、排水或其相結(jié)合等措施，保證施工時(shí)工作面干燥無水，前期遵循雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工原理，做好超前加固措施，嚴(yán)格控制協(xié)調(diào)開挖與支護(hù)，為控制沉降，初支背后應(yīng)及時(shí)補(bǔ)注漿。

（3）要加強(qiáng)對冠梁下側(cè)巖層在主體土石方分層開挖時(shí)的保護(hù)，當(dāng)局部地質(zhì)條件較差時(shí)，可采取鋼管樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)及小導(dǎo)管注漿等地層超前加固等措施，確保冠梁下側(cè)巖體的完整性。在施工過程中，要加強(qiáng)爆破控制，采用小藥量、短進(jìn)尺、水壓爆破等方式方法，最大限度地降低對掌子面圍巖和初支結(jié)構(gòu)的影響。

（4）采取相應(yīng)措施對前期預(yù)留防水卷材進(jìn)行保護(hù)，做好全包防水卷材的預(yù)留工作和施工工序銜接，避免在對混凝土進(jìn)行破除時(shí)防水卷材遭到破壞。

（5）加強(qiáng)施工過程中的監(jiān)控量測，特別是洞內(nèi)拱頂和地表沉降及側(cè)墻收斂情況。將檢測采集到的測量結(jié)果與數(shù)值模擬的預(yù)測數(shù)值相比較，以此研判通過預(yù)測數(shù)值確定的支護(hù)參數(shù)和施工工藝是否達(dá)到預(yù)期效果，并以此為依據(jù)調(diào)整和確定下一步支護(hù)參數(shù)和施工工藝，以確保周邊建筑物、構(gòu)筑物及道路和管線安全。

3 施工監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是新奧法施工的重要組成部分，也是地鐵鉆爆施工中非常重要的工作之一，還是掌握工程施工中圍巖動(dòng)態(tài)變化過程的手段，通過對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的回歸分析可以預(yù)測圍巖的最終位移等，進(jìn)而有效地指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)與施工。

同時(shí)，監(jiān)控量測是掌握工程施工對周邊環(huán)境影響程度的重要手段。通過對周邊環(huán)境布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果分析，在保證周邊環(huán)境安全的前提下，工程施工前采取相應(yīng)的加固措施，可為確定和修正初支采用的參數(shù)以及二次襯砌混凝土的支護(hù)時(shí)間提供依據(jù)，還可為今后類似的隧道工程設(shè)計(jì)與施工提供類比資料和依據(jù)。通過監(jiān)控量測可達(dá)到以下目的：

（1）將檢測采集到的測量結(jié)果與數(shù)值模擬的預(yù)測數(shù)值相比較，以此判斷通過預(yù)測數(shù)值確定的支護(hù)參數(shù)和施工工藝是否達(dá)到預(yù)期的效果，并以此為依據(jù)調(diào)整和確定下一步的支護(hù)參數(shù)和施工工藝，以確保施工安全;

（2）及時(shí)將現(xiàn)場監(jiān)控量測得到的信息、數(shù)據(jù)反饋給設(shè)計(jì)單位，以便設(shè)計(jì)單位根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，調(diào)整、修改完善設(shè)計(jì)內(nèi)容，使設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理、優(yōu)質(zhì)安全;

（3）用反分析法對監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬演算出的理論預(yù)測值進(jìn)行分析計(jì)算，使設(shè)計(jì)更加符合現(xiàn)場實(shí)際情況，并為以后的工程建設(shè)積累寶貴經(jīng)驗(yàn);

（4）通過圍巖的變形情況和應(yīng)力值的變化曲線，驗(yàn)證支護(hù)及襯砌是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，減小地表沉降，以保證周邊支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及地表建筑和周邊管線的安全;

（5）研究圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在不同力學(xué)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)情況，通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及其變化曲線的分析，為判斷其是否處于基本穩(wěn)定狀態(tài)提供理論依據(jù)，方便今后的日常施工管理。

4 結(jié)語

拱蓋法遵循地下暗挖技術(shù)理論，并且汲取柱洞法（PBA）的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合蓋挖法、明挖法等理論要點(diǎn)，適用于部分上軟下硬的特殊施工環(huán)境和地質(zhì)條件。該工法既有蓋挖法有效控制周圍土體變形和地表沉降，有利于保護(hù)周圍建筑物及構(gòu)筑物等特點(diǎn)，又有不影響上敷交通通行等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)在拱蓋成形以后，對下部開挖起到了“掩護(hù)”的作用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)收益和社會效益。

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收稿日期 2020-02-12

責(zé)任編輯黨選麗