拱蓋法關鍵技術在地鐵施工中的應用

彭海中

北京城建軌道交通建設工程有限公司，北京 100088

地鐵車站常用的施工工法有明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法等。淺埋暗挖法又分為全斷面法、臺階法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等。拱蓋法是在明挖法、蓋挖法和PBA工法基礎上創建的一種新的暗挖施工方法。該方法的核心是充分利用下伏基巖的承載能力和穩定性，在弱爆破的條件下進行扣拱施工。為實現大跨或多跨結構，采用PBA工法小導洞，通過扣拱形式，實現由小導洞到扣拱大跨的轉換，以及由小斷面變大斷面的轉換。在拱蓋的保護下，實現地下大空間施工。

王德榮等[1]通過拱蓋法在地鐵車站施工中的應用研究，得出拱蓋法具有環境影響小、工序少、效率高、施工安全可靠的優點。馬占起[2]通過拱蓋法在暗挖地鐵車站中的應用研究，得出逆做拱蓋法沉降小、施工安全的結論。肖永強[3]通過拱蓋法車站細部優化設計和施工的研究，得出拱蓋法有施工安全、快速的優點，解決了上部“軟弱段”上端面開挖與支護的問題。

大連地鐵一期工程位于城市中心區域，線路主要沿城市主干道布設，街道狹窄，兩側建筑物密集，管線眾多，采用明挖法或蓋挖法施工對城市交通和市民出行影響較大。沿線地表覆蓋第四系軟弱土，地層較薄，其下為不同風化程度的巖層，地下水主要賦存于基巖裂隙中，車站結構主要埋置于風化巖層中。針對大連地鐵一期工程所處區域水文地質情況，施工人員在吸取PBA工法經驗的基礎上，采用了一種新型暗挖車站施工工法——拱蓋法。

1 工程概況

中山廣場站位于大連市中山廣場地下，車站為東西向布置，線間距約13m，為島式車站。車站所在地區為坡殘積臺地，現為廣場，場地開闊。車站站臺寬10m，中心里程覆土厚度約5.86m，暗挖標準段寬18.9m，車站總長為155.7m，為明、暗挖結合車站，根據施工工法不同分為3個區段。東端1～7軸、西端22～25軸為地下3層明挖結構，車站中部7～22軸為暗挖段，總體施工順序為先施工明挖段、后施工暗挖段。暗挖段主體初期支護結構厚度為300mm，站臺中心處底板深約21.02m，初支凈寬18.9m，凈高為16.5m，覆土厚度約為5.2～6.7m，暗挖主體結構采用拱蓋法施工，為雙拱單柱兩層結構。

2 工程地質與水文地質

2.1 工程地質

中山廣場站位于中山廣場地下，區域地貌為坡殘積臺地，場地西高東低，地面高程為14.17～17.66m。場地范圍內各層土自上而下依次為，第四系人工堆積層，為人工堆積素填土，主要成分為可塑性黏性土，不均勻，混10%～30%角礫、碎石等硬雜物；第四系全新統沖擊層，為粉質黏土層；震旦系長嶺子組板巖，按風化程度可分為全風化巖、強風化巖、中風化巖。拱頂主要位于12-2強風化板巖層、12-3中風化板巖層，側墻及底板位于12-3中風化板巖層。標準段結構地質斷面圖如圖1所示。

圖1 標準段結構地質斷面圖（單位：mm）

12-2強風化板巖：黃褐色，原巖結構清晰，為薄層狀構造，碎裂結構，裂隙發育，巖芯呈碎片狀、碎塊狀，碎塊手可折斷，浸水易軟化崩解。該土層普遍分布，層厚0.70～11.40m，層頂高程為5.48～16.39m，層底高程為-0.20～14.89m，層頂埋深為0.70～9.30m。巖石質量等級為Ⅳ級、軟石，開挖時，用撬棍或十字鎬及大錘開挖，部分用爆破法開挖。

12-3中風化板巖：黃色-灰色，為薄層狀結構，層理和節理裂隙較發育，礦物主要為云母、石英，局部夾石英巖脈，巖芯呈餅狀，短柱狀。該土層天然單軸抗壓強度為20.6～36.2MPa，平均值為27.057MPa。巖石質量等級為Ⅴ級、次堅石，開挖時，需用爆破法開挖。

2.2 水文地質

該場地地下水按賦存條件主要為基巖裂隙水，基巖裂隙水主要賦存于強風化及中風化板巖中。穩定地下水位埋深為7.90～10.20m，水位高程為5.54～9.19m。地下水的排泄途徑主要是蒸發和地下徑流，主要補給來源為大氣降水。

3 拱蓋法施工關鍵技術

3.1 鉆爆法施工

該工程采用了微差減震控制爆破技術。采用分部開挖方法，拱部開挖斷面周邊眼間均設密排減震空眼，減少爆破對圍巖和地下管線的震動影響。炮眼按淺密原則布置，控制單眼裝藥量，采用非電毫秒不對稱起爆網絡降低隧道爆破的震動強度。

掏槽是爆破開挖的關鍵，對爆破效果影響較大，掏槽深度影響開挖進尺深度，而且震動最大，控制掏槽眼的震動則能控制整個工作面上的爆破震動。根據施工經驗，該工程中采用中空直眼掏槽技術。

炮眼根據巖層情況間距按600～800mm布置，鉆孔采用YT-28風鉆，炮眼直徑為φ42mm，炮眼布置如圖2所示。針對爆破震速，對周邊磚混結構房屋震速需控制在1.5cm/s以下。

圖2 炮眼布置斷面圖（單位：mm）

小導洞上臺階光面爆破按照掏槽眼→擴槽眼→底板眼、周邊眼順序進行，下臺階松動爆破按照掘進眼→周邊眼、底板眼順序進行。

拱蓋下開挖爆破右側采用光面爆破，左側采用松動爆破，爆破順序與其余的小導洞相同。由于導洞爆破開挖需錯距多次進行，造成圍巖、初支結構多次擾動，初支扣拱時拱頂圍巖穩定性差，沉降增大。邊墻、鋼管柱、中板下爆破施工采取減少裝藥量、設減震孔措施，以減少交叉擾動影響，降低拱部沉降。

3.2 拱腳施工

為保證拱腳下基巖均勻受力，拱腳坐落在寬2m、高0.8m的冠梁上。為保證冠梁下地基的承載能力，對冠梁主要受力方向進行了加固。對于導洞局部加深段，冠梁下采用C20混凝土回填。拱蓋法拱腳做法如圖3所示。

圖3 拱蓋法拱腳做法剖面圖（單位：mm）

3.3 鋼管柱施工

鋼管柱直徑為900mm，壁厚20mm，鋼材為Q235B·Z，在鋼管柱中板處設置栓釘，栓釘的性能等級為4.6級，鋼管柱采用10.9級的高強螺栓連接。鋼管柱加工制作所有焊縫的質量等級為一級。鋼管柱內采用C50混凝土澆筑。鋼管柱剖面如圖4所示。

圖4 鋼管柱剖面圖（單位：mm）

由于導洞內作業場地狹小，鋼管柱每段重量較重（約3t），故為了解決水平運輸問題，采用型鋼制作成砲車將鋼管柱分節運至作業面。為便于鋼管柱準確快速就位，采用工字鋼組焊成吊裝架。鋼管柱吊裝采用卷揚機+滑輪組進行，在孔口做分段拼接。鋼管柱就位后，對柱身進行垂直度和標高測量校正。

3.4 頂縱梁施工

頂縱梁位于上層中導洞內，頂縱梁高3m，底寬1.4m，斷面面積約為8.1m2，斷面大、荷載重。導洞內施工作業面場地狹小，模板支設完成后，混凝土澆筑振搗困難，拱頂澆筑不易填充飽滿。為解決上述難題，在梁側預留混凝土灌筑孔、排氣孔（注漿孔），管伸至拱頂，并首次在大連地鐵應用了自密實混凝土灌注技術，很好地解決了混凝土澆筑不密實、填充不飽滿的難題。

3.5 初支扣拱施工

初期支護扣拱施工是拱蓋法主要受力轉換工序，由于先施工導洞的多次擾動，造成導洞間拱部巖層穩定性差，沉降效應明顯。因此，為了有效控制沉降，采取以下措施：控制開挖步序、減少開挖進尺及圍巖暴露時間，開挖減少裝藥量，在頂縱梁附近設置減震孔，按要求進行超前注漿加固地層，待扣拱初支混凝土強度達到要求后，再分段破除小導洞初支結構。

拱部初支扣拱先施工兩側邊導洞內冠梁，按中導洞格柵里程施工邊導洞內初支扣拱，再施工導洞間初支扣拱。其中，冠梁施工時考慮施工誤差，扣拱拱腳預埋鋼板采用通長鋼板。初支扣拱施工如圖5所示。

圖5 初支扣拱施工示意圖

3.6 二襯扣拱施工

5、6號小導洞貫通后，從車站中間向車站兩端后退，沿車站縱向分段（每段不大于1個柱跨）破除初期支護結構，施工拱部防水層及二襯結構。為避免二襯扣拱對頂縱梁產生過大偏壓，保證施工安全，兩側導洞內二襯扣拱需保持同步實施。拱部與頂縱梁接頭處是拱部較低點，也是易滲漏點，防水板接縫和施工縫的處理尤為重要，施工縫鑿毛時要重點做好防水板和中埋止水帶的保護。

3.7 拱蓋下主體結構施工

該車站為兩層結構，混凝土澆筑分9次進行，澆筑順序如圖6所示。中板采用滿堂支架方案，軌頂風道先于中板施工優于主體完成后施工方案。側墻采用模板支撐采用斜撐+對拉螺栓形式，底部、頂部設對拉螺栓，中間采用斜撐支頂。墻頂新澆筑混凝土與原澆筑混凝土結合部位是側墻澆筑關鍵控制技術之一，為保證灌筑飽滿，側墻模板分段留設高于澆筑面的灌筑口，采用重力灌注方式進行。

圖6 主體結構澆筑順序示意圖

4 結論

實踐證明，拱蓋法具有環境影響小、工序少、效率高、施工安全可靠等優點。在中風化巖層，天然單軸抗壓強度為20.6～36.2MPa，平均值為27.057MPa，巖石質量等級為Ⅴ級、次堅石，開挖時，采用拱蓋法逆作法施工建造地下大跨度暗挖車站是安全可靠的。另外，充分利用圍巖的自承載能力，采用微差減震控制爆破技術，炮眼間距按600～800mm布置，炮眼直徑為φ42mm，爆破震速控制在1.5cm/s以下，可在減少震動的情況下有效開挖。