淺埋大跨度暗挖車站單層初支拱蓋法技術研究

姜 畔

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

隨著城市建設規模的不斷擴大，城鎮化速率逐步提高，城市軌道交通建設取得了長足發展。為減少對城市的影響，降低交通疏解和管線遷改的難度，暗挖車站被廣泛應用于城市軌道交通工程的建設過程中。以青島地鐵建設為例，1、2和3號線工程建設中分別設置了13座、10座和7座暗挖車站，由此可見暗挖站的規模在不斷加大。

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

根據唐曉杰、雷亞峰等人研究的巖石地區地鐵車站暗挖施工方法[4-5]。

該文結合青島地鐵1號線工程太行山路站工程實例，采用有限單元分析法和現場實測相結合的方法研究了單層初支拱蓋法對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提供參考和借鑒。

1 工程背景

1.1 車站環境概況

青島市地鐵1號線太行山路站位于長江西路與太行山路路口以西，沿長江西路道路下方呈東西向布置。長江中路是現在黃島區的主干道之一，現狀道路寬50 m，車流量較大，封路調流施工十分困難，且道路兩側下方市政管線密集。綜合考慮周邊環境后，太行山路站采用暗挖法施工，設置4個出入口和2個風亭組，車站主體全長207 m，標準斷面高17.64 m，寬21.72 m，車站永久襯砌厚度0.75 m。

1.2 車站工程地質及水文地質

該站地貌類型為剝蝕殘丘，車站范圍內地形起伏較大，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、強風化凝灰巖、中風化凝灰巖和微風化凝灰巖，車站主體全部位于微風化凝灰巖中（局部碎裂巖發育），圍巖級別為II-IV1級，如圖1所示。

圖1 車站地質縱剖面圖

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

2 設計方案

2.1 設計工序

該站拱頂上方市政管線密集，道路交通流量大，對沉降及變形控制要求嚴格。同時，考慮到該站典型上軟下硬地層的工程地質和水文地質條件，太行山路站車站主體擬采用暗挖單層初支拱蓋法進行施工，既能有效控制沉降及變形，又能保證施工作業安全、高效并且少擾民，同時具有較好的經濟和社會效益，具體施工工序如圖2所示：1）開挖拱頂中部導洞（圖中1部巖體），施做初期支護（錨桿、格柵鋼架、噴射混凝土）。2）開挖上半斷面左、右側導洞（圖中2、3部巖體），施做初期支護（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（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（錨桿、噴射混凝土）。6）初支變形穩定后，按照順序進行車站防水、二次襯砌及車站內部結構的施工。

圖2 車站單層初支拱蓋法施工工序圖

2.2 設計標準

地鐵主體大跨度隧道施工時會造成道路和管線的沉降變形，進而加大施工風險。為避免結構破壞坍塌，根據相關規范、標準以及類似的工程經驗，確定沉降變形的控制指標如下：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，變化速率不超過3 mm/d。2）施工引起的初期支護結構凈空收斂不超過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）施工引起的燃氣管線變形不超過10 mm，變化速率不超過2 mm/d，差異沉降不超過0.3%LG（LG為管道管節長度）；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為管道管節長度）。5）周邊建構筑引起的傾斜小于0.001 L（L為相鄰基礎的中心距離）。

2.3 數值計算分析

為了驗證設計開挖工序的可靠性和可實施性，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施工序，進而分析地面的沉降變形規律、初支拱蓋結構的受力及變形。

2.3.1 模型建立及計算參數確定

2.3.1.1 地層信息

選擇最不利處的隧道地質界面進行建模，隧道拱頂覆蓋層由上至下依次為：素填土厚度3.34 m、強風化凝灰巖2.78 m、中風化凝灰巖4.82 m以及微風化凝灰巖6.85 m，各巖土層設計參數見表 1 。

2.3.1.2 車站幾何及支護結構信息

車站標準段寬度為21.72 m，高度為17.64 m，拱頂C25噴射混凝土厚度為0.35 m（拱腳處進行擴大），車站下部邊墻及仰拱C25噴射混凝土厚度為0.15 m。

車站拱頂及側墻布置直徑25 mm的中空注漿錨桿（長度L=3.5 m，環向間距1 m，縱向間距1 m）。

車站拱部設置鋼筋直徑25 mm的格柵鋼架，縱向間距0.5 m同時拱部布置雙層直徑8 mm鋼筋網（網片間距150 mm×150 mm），側墻設置單層鋼筋直徑8 mm鋼筋網（網片間距150 mm×150 mm），具體設計參數見表2。

表2 支護結構材料計算參數表

2.3.1.3 模型建立

根據上述地層及結構信息，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。為消除邊界尺寸對數值試驗結果的影響，該模型車站兩側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場實際地層埋置深度取值，圍巖采用實體單元進行模擬，本構關系為摩爾-庫倫本構模型；初期支護采用板單元進行模擬，本構模型為彈性結構模型；錨桿采用植入式桁架進行模擬，本構模型為彈性結構模型；模型的四周立面與底部邊界面采用發現位移約束，地表設置為自由邊界面，各個施工步序緊密銜接，每次開挖進尺為0.5 m。

圖3 計算模型

2.3.2 計算結果

通過計算模擬得知地面沉降最大值為12.31 mm，結構受力不利的地方主要集中在車站下部直壁側墻上半斷面及擴大的初支拱腳部位。

計算結果顯示該初支拱蓋法在施工過程中變形及受力可控，但是需要在設計中需針對上述拱腳及側墻部位進行設計支護加強。

2.4 設計支護措施及安全質量管控要點

2.4.1 設計支護措施

針對理論計算可以發現施工的薄弱位置，為保證施工安全，加快施工進度，制定了專項設計方案。

設計開挖方案進行了拱部加強支護設計，拱部支護措施見表 3 。

表3 拱部初期支護措施表

擴大拱腳處初支噴射混凝土厚度進行加厚，局部采用4層鋼筋網布置，噴射混凝土厚度為950 mm，同時每榀格柵處采用2根長5 m的直徑25 mm中空注漿錨桿進行鎖腳加強。3）針對側墻上半斷面應力較大的問題，采用IV級圍巖增設豎向格柵鋼架（間距同拱部格柵鋼架間距），同時增加噴射混凝土厚度至250 mm，并在大拱腳下3 m范圍內設置3.5 m長直徑25 mm中空注漿系統錨桿進行加強。II級和III級圍巖部位不設置豎向格柵，采用150 mm噴射混凝土及大拱腳下3 m范圍內設置3.5 m長直徑25 mm中空注漿系統錨桿的措施進行加強。

2.4.2 施工安全質量管控要點

高效安全地施工不僅體現在設計方案，也體現在管理方面，針對分析發現的薄弱環節，制定管控要點如下：1）拱部采用臺階法施工，但是在格柵鋼架中部預留增設臨時型鋼支撐的連接條件。2）在車站單層初支拱蓋達到設計強度后，車站下部巖體采用“縱向分段、豎向分層和中部拉槽”的方法進行開挖，以確保圍巖的穩定。3）車站下部邊墻爆破施工時，在靠近側墻3 m范圍內采用控制性爆破，松動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，相鄰側巖體先后距離宜保持不小于15 m ，上下斷面宜采用超短臺階法，距離保持3 m～5 m。5）初期支護結構鋼架分節應充分考慮可操作性，每段鋼架長度與重量應方便現場施工，每節鋼架長度不宜大于4 m。鋼架與初噴砼之間有較大縫隙時，應設置墊塊頂緊圍巖。鋼架安裝前，應清除拱腳浮渣，并采用C20混凝土填塞密實，部分不密實處篩擠鋼板，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緊跟掌子面，距離一般不超過20 m，側墻襯砌則應緊跟仰拱襯砌施做，同時需要加強監控量測，根據監控量測結果反饋指導施工，及時調整工序。

2.5 現場實測數據分析

目前，太行山路站已經完成二襯施工，監測數據變形基本穩定，根據施工實測地表數據反饋，拱頂沉降約為15.76 mm，比計算值12.31 mm略大，基本可以看出理論計算和實際實施趨勢一致。

3 結論

該文依托青島市地鐵1號線太行山路站工程，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、變形以及支護結構安全性等問題，并比較分析了現場實測的地面沉降、洞身收斂等數據和數值模擬結果，主要結論如下：1）在城市主干道路下方的“上軟下硬”淺埋地層，當車站主體設置在微風化地層中并保證一定覆蓋層厚度的情況下，采用拱腳局部加強的單層初支拱蓋法進行施工，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）在現場實測的地面沉降和洞身收斂數據比對后發現，單層初支拱蓋法數值模擬結果在變形趨勢上與實測結果一致，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）與傳統的二襯拱蓋法相比，單層初支拱蓋 法能夠有效地簡化施工程序，實現混凝土自仰拱向上順做，同時能夠避免后期拱腳梁處二襯難以澆筑密實以及拱腳梁處防水難以保護等問題，可有效提升二次襯砌施工質量。4）單層初支拱蓋法車站施工的關鍵節點在于控制進尺和保護好初支拱腳處的圍巖，確保拱腳位于穩定的巖層。

目前初期支護措施相對較強，地面沉降數值基本控制在16 mm范圍內，尚存在進一步優化設計支護措施的空間，可以在未來工程中進一步研究考慮。