暗挖車站施工中拱部預應力錨桿不同支護方向的地層變形研究

孟令志

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京)

引言

在城市市區軌道交通建設過程中，受道路交通、周邊建構筑物等地面條件限制，車站采用暗挖施工的占比越來越高。傳統的暗挖車站多采用洞樁法、雙側壁導坑法、交叉中隔壁法等施工方法，通過將大斷面轉換成多個中小斷面，并在洞室之間設置臨時中隔壁和臨時仰拱的方式開挖完成，往往存在工期長、造價高、作業面小等特點。在圍巖條件較好地段的暗挖車站，工程建設人員也在嘗試采用主動支護的方式，通過增大導洞斷面和減少臨時支護結構提高施工效率，國內外的專家學者做了相關的研究。尚懷帥等[1]通過試驗的方式研究了NPR 鋼筋的力學性能，為預應力錨桿的應用提供了理論依據；羅基偉[2]研究了大跨隧道預應力錨固體系協同支護機理，提出了預應力錨桿-錨索復合錨桿單元體概念；田四明等[3]對軟弱圍巖隧道變形控制主動支護進行了研究，提出了主動支護設計理念；殷小亮等[4]以實際工程為背景，對不同支護參數的隧道施工力學特征進行了研究；馬行之等[5]以實際工程為背景，通過數值計算的方式研究了預應力錨桿分部臺階法過破碎帶的沉降規律，得出預應力錨桿-分部臺階法施工方案能有效控制圍巖變形；劉遠建[6]以工程實例為背景研究了大跨度隧道主動支護施工體系，得出預應力錨桿等主動支護可改善圍巖條件，降低對地面的擾動；吳大偉、劉林勝、李建建等[7-9]通過數值計算的方式對中空預應力注漿錨桿的支護效果進行了研究，得出中空預應力注漿錨桿能主動加固圍巖；陳國棟、寧凱飛、楊文東等[10-12]研究了預應力錨桿主動支護技術。綜上所述，對預應力錨桿支護方向的研究尚比較少，本文以新建暗挖車站為工程背景，通過數值計算的方法研究了分部臺階法施工下預應力錨桿不同支護方向下的地層變形規律，研究成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

該暗挖車站位于兩城市主干道交叉口西側，沿城市主干道東西方向敷設。車站全長約248 m，標準段寬約19.5 m，車站大里程段設置單停車線，車站共設4 個出入口和2 組風亭。車站小里程端接盾構區間；車站大里程端右線接盾構區間，左線接單洞雙線礦山法區間。車站總平面圖如圖1 所示。拱頂覆土埋深約13 m～20 m，車站拱頂自上而下地層主要為素填土、中風化花崗巖、微風化花崗巖，洞身均位于微風化花崗巖地層（微風化巖層最薄處約5 m），圍巖穩定性較好。車站范圍內存在3條破碎帶，破碎帶fhgl-1穿越車站小里程端，破碎帶fhgl-2和fhgl-3分別穿越車站小里程端和大里程端，受破碎帶及花崗斑巖巖脈影響地段圍巖破碎，圍巖多為Ⅳ1-Ⅳ2級，其余地段圍巖較完整，多為Ⅲ1-Ⅲ2級。車站范圍內揭露地下水以基巖裂隙水為主，水量貧-中等。車站地質縱斷面圖如圖2 所示。

圖2 暗挖車站地質縱斷面圖

隧道開挖跨度超過20 m，為自身Ⅰ級風險工程。

車站周邊存在多處環境風險源。車站側穿2 座高壓線塔，高壓線塔高約36.5 m，擴大基礎尺寸約為9×9 m，埋深約3.8 m。1 號高壓線基礎距車站水平距離約2.8 m；2 號高壓線塔基礎距車站水平距離約12.3 m，距車站拱頂約16.8 m，為環境Ⅰ級風險源。

車站下穿多條重要管線，主要為2 m×1.8 m 電力管溝、3.8 m×2.1 m 暗渠、2 根DN200 中壓燃氣管線、DN800 雨水管等，為環境Ⅰ、Ⅱ級風險源。

施工前應制定隧道及風險源變形控制標準。隧道開挖沉降控制標準：地表沉降量≤30 mm，初支拱頂沉降量≤20 mm，初期支護凈空收斂≤10 mm。高壓線塔基礎沉降量≤10 mm，基礎傾斜≤0.005。管線累計沉降≤10 mm，管線差異沉降≤0.25%Lg。（Lg-管節長度）。

2 施工方案設計

鑒于車站洞身及拱頂范圍工程地質及水文地質條件良好，車站內不設置臨時中隔壁和臨時仰拱，采用臺階法開挖。設計采用主動支護理念，充分發揮圍巖自身承載能力，采用預應力錨桿、鋼筋網及格柵鋼架為主要支護手段；并以超前注漿小導管預支護、局部周邊封閉注漿等為輔助措施。施工時首先開挖車站上半斷面，對車站拱部進行支護形成初支拱蓋，在圍巖和初支拱部聯合受力體系保護下繼續向下開挖，完成車站施工。

2.1 隧道開挖支護設計

本車站開挖斷面大（約289 m2），需對開挖斷面進行立體設計確保施工安全。根據本車站斷面，上下采用分部臺階法施工。

首先開挖車站拱部①區域，并分上下臺階法開挖，上下臺階縱向間距錯開不小于15 m，①-1 開挖完成后，混凝土初噴、預應力錨桿施工、架設格柵鋼架、安裝鋼筋網片、混凝土復噴。按照此施工步序依次完成②、③區域施工。①、②、③區域施工縱向錯開小于15 m。拱部拉通后形成初支拱蓋，初支拱蓋厚度約300 mm，格柵鋼架間距1.3 m，在初支拱蓋保護下繼續向下開挖。按順序繼續向下分層分步開挖下半斷面并施做初期支護，依次完成④、⑤、⑥，⑦、⑧、⑨，⑩、1 1 、1 2施工，相鄰臺階縱向錯開不小于15 m，上下臺階錯開不小于6 m；側墻3 m 范圍內采用非鉆爆開挖，保證拱腳下巖石完整性。

錨桿采用φ18 冷軋帶肋鋼筋，屈服強度不小于800 Mpa，最大力延伸率不小于20%；錨桿端頭設置墊板，材質為Q235 鋼，尺寸不應小于150 mm×150 mm×12 mm。錨桿安裝完畢后，桿體施加不小于100 kN 預應力。

施工步序、格柵鋼架間距與初支厚度相同條件下，設計2 種不同預應力錨桿布置方案，通過初期支護和周邊環境風險源變形情況，研究不同預應力錨桿布置下暗挖車站變形。

2.2 垂直預應力錨桿布置方案

見圖3，拱部預應力錨桿長度約3.5 m，垂直拱部設置，環縱向間距約1.3 m×1.3 m，梅花型布置。拱腳處加強設置，預應力錨桿長度約4 m。側墻上半斷面預應力錨桿長度約4 m，下半斷面預應力錨桿長度約3.5 m，垂直側墻設置，豎縱向間距約1.5 m×1.3 m，梅花型布置。

圖3 垂直預應力錨桿施工步序圖

2.3 豎向預應力錨桿布置方案

拱部預應力錨桿長度約3.5 m，豎向設置，環縱向間距約1.3 m×1.3 m，梅花型布置。拱腳處加強設置，預應力錨桿長度約4 m。側墻預應力錨桿長度約4 m，垂直側墻設置，豎縱向間距約1.5 m×1.3 m，梅花型布置，見圖4。

圖4 豎向預應力錨桿施工步序圖

3 方案比選研究

3.1 計算模型

根據施工方案，Midas GTS 建立2 種施工方案的地層-結構施工階段模型。模型兩側及下部取3 倍導洞開挖寬度，上部取實際地面埋深，縱向取工程實際穿越寬度。數值計算本構關系如下：地層采用實體單元，噴射混凝土（厚度為0.3 m）采用板單元，錨桿采用植入式桁架。模型地表面為自由面，兩側采用法向變形約束條件，底部采用全約束條件。計算中土體為摩爾-庫侖材料，初始應力場僅考慮土體自重應力場，地面超載20 kpa，不考慮地層的地層構造應力。隧道施工的分步開挖過程通過軟件提供的“鈍化”來實現，見圖5。

圖5 模型整體網格圖

3.2 材料參數

根據工程地質資料，車站周邊巖土設計參數見表1，初期支護計算參數見表2。

表1 巖土設計參數表

表2 初期支護計算參數

3.3 結果分析

通過比較車站初支結構及周邊建構筑物變形大小，研究預應力錨桿支護方向對地層變形的影響。通過計算得出不同錨桿支護方向下初支結構變形云圖，如圖6～圖7。

圖6 預應力錨桿垂直布設隧道初支變形圖

圖7 預應力錨桿豎向布設隧道初支變形圖

通過初期支護沉降云圖得知，不同預應力錨桿支護方向下的隧道初支結構最大沉降均在拱頂位置，隧道初支結構最大隆起在側墻腳部位置。預應力錨桿垂直布設時拱頂最大沉降為10.4 mm，預應力錨桿豎向布設時拱頂最大沉降為7.7 mm，均滿足初支拱頂沉降量≤20 mm的控制要求，但預應力錨桿豎向布置對隧道初期支護結構變形控制更有利。

不同錨桿支護方向下施工步序沉降曲線如圖8 所示，拱部開挖是地層沉降的主要原因，豎向錨桿布置拱部開挖完成巖體沉降為7.18 mm；垂直錨桿布置拱部開挖完成巖體沉降為8.62 mm。拱部開挖巖層擾動形成松動圈，造成洞身周邊巖體應力重分布，進而引起拱部沉降；通過設置預應力錨桿，將錨桿打入穩定巖體，通過錨桿與端部墊板的懸吊作用控制拱頂松動巖體的進一步沉降；對拱部錨桿施加預緊力，受力后的錨桿通過端部墊板擠壓松動圈巖體，在錨桿主動拉力和巖體被動壓力作用下，巖體與預應力錨桿共同組成受力體系，拱部區域形成壓縮拱，拱部受壓后形成穩固的支護體。在拱部支護體形成后，繼續向下開挖，拱部沉降微小可控。

圖8 不同錨桿支護方向下施工步序沉降曲線

通過分析不同支護方向的拱部錨桿，相比于垂直布置錨桿，豎向錨桿布置方向與拱部松動巖體塌落方向一致，可對巖體提供更大的懸吊拉力。施加預緊力后，豎向錨桿預緊力作用方向沿著巖體塌落方向擠壓巖體，可減少穩定巖體與擾動巖體之間的裂隙，更有利于控制地層沉降；垂直錨桿預緊力作用方向與巖體塌落方向成一定角度，受破碎巖體之間擠壓摩擦作用，不利于減小穩定巖體與擾動巖體之間裂隙。在錨桿預緊力與巖體擠壓共同作用下，豎向布置錨桿和垂直布置錨桿均可在拱部形成拱形壓縮體，通過擠壓作用減少擾動巖體之間的裂隙，成為穩固支護結構。

預應力錨桿垂直布設開挖完成后高壓線塔最大沉降為2.37 mm；管線最大沉降為5.7 mm，最大差異沉降4.08 mm。預應力錨桿豎向布設開挖完成后高壓線塔最大沉降為1.92 mm；管線最大沉降4.30 mm，最大差異沉降2.77 mm。均滿足高壓線塔和管線沉降控制要求，預應力錨桿豎向布置對周邊風險源控制更有利。

4 結論

本文以某城市新建暗挖車站為工程背景，通過數值計算的方法，研究了車站拱部不同預應力錨桿支護方向的地層變形規律。得出如下結論：

（1） 車站拱頂沉降是車站沉降的主要方面，拱部支護完成后車站沉降基本趨于穩定。不同預應力錨桿支護方向下的隧道初支結構最大沉降均在拱頂位置，隧道初支結構最大隆起在側墻腳部位置。預應力錨桿豎向布設時的拱頂沉降更小，預應力錨桿豎向布置對隧道初期支護結構變形控制更有利。

（2） 預應力錨桿豎向布置時車站管線和建構筑物的沉降及差異沉降更小。車站周邊存在較多對變形敏感的建構筑物時，可通過豎向布置預應力錨桿減小對周邊建構筑物的影響。

（3） 豎向錨桿布置與拱部松動巖體塌落方向一致，可對巖體提供更大的懸吊拉力。施加預緊力后，豎向錨桿預緊力作用方向沿著巖體塌落方向擠壓巖體，可減少穩定巖體與擾動巖體之間的裂隙，更有利于控制地層沉降。垂直錨桿預緊力作用方向與巖體塌落方向成一定角度，受破碎巖體之間擠壓摩擦作用，不利于減小穩定巖體與擾動巖體之間裂隙。

（4） 通過數值計算對比分析，預應力錨桿豎向布設比垂直布設對控制地層變形更有利。但豎向打設錨桿施工難度相對較高，且錨桿端部墊板與巖面貼合程度相對降低，易出現受力不均的情況，施工過程中需綜合考慮自身和周邊環境因素選擇適合本工程的錨桿布置方式。