地铁单拱大跨暗挖车站拱墙开洞接口处理技术

李储军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)



地铁单拱大跨暗挖车站拱墙开洞接口处理技术

李储军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)

摘要：基于重庆地铁暗挖车站单拱大跨的特点,车站主体隧道在其拱墙部位开附属洞门时,势必会在主体与附属接口拱部形成临空面,尤其是大断面附属接口形成的长大临空面存在较大的施工风险；为有效降低隧道拱墙开洞的施工风险,实现“随挖随支、钢架步步封闭”的施工原则,结合工程实际提出倾斜二维钢架接口支撑体系,详细介绍大跨拱墙开洞时支撑钢架步步封闭的分段拼装施工工序,并通过对现场施工监测数据的分析,验证该技术的可靠性。

关键词：地铁；单拱大跨；拱墙开洞；倾斜二维钢架；分段拼装

随着城镇人口不断增加，城市规模不断扩大，城市交通拥挤的矛盾越来越突出。地铁作为现代化城市中的绿色交通，以其安全、迅捷、容量大、能耗低、污染少等优点受到青睐[1]。作为西部中心城市的重庆，地铁的建设也如火如荼地进行。

在重庆特有的岩石地层中已经成功实施了单拱大跨浅埋暗挖车站的开挖[2-4]。车站作为一个功能整体，必然与附属通道形成接口[5]；隧道直墙开洞的接口处理技术在各个城市的地铁施工中大量存在，技术已经相当成熟，而车站大跨断面拱墙开附属洞门仍然存在着受力复杂、接口处理难、安全风险大的特点[6]，引起了地下结构工程界的广泛关注。以重庆地铁某暗挖车站为例,对单拱大跨车站拱墙开洞的接口处理技术进行分析与探讨。

1工程概况

以重庆地铁6号线一期的一个典型车站为例，该车站总长173 m，为地下双层岛式车站，采用曲墙+仰拱的五心圆马蹄形断面。车站顶部覆土厚14.5～17.4 m，采用矿山法施工，围岩级别为Ⅳ级，车站主体最大开挖断面宽22.762 m，高18.68 m，属于特大断面暗挖隧道，采用双侧壁导坑法施工。本车站设2组风亭和3个出入口。车站标准断面支护参数详见表1。

表1　标准断面支护参数

2地质概况

场地分布的地层为第四系全新统及侏罗系中统上沙溪庙组地层，岩层倾角一般为5°～6°，倾向南东。出露的地层由上而下依次可分为第四系全新统(Q4)素填土、粉质黏土和侏罗系中统沙溪庙组(J2s)砂岩、泥质砂岩组成。

车站原始地貌属浅丘地貌，无统一地下水位。局部地下水主要为松散层孔隙水以及基岩裂隙水，地下水主要受大气降水及城市给排水管网渗漏水补给。孔隙水在填土厚度小的地段水量有限，填土厚度较大段水量相对较大，而且随季节有所变化。裂隙水水量中等，主要受大气降水补给，水量较稳定。场地地下水主要以潜水形式存在。

3安全风险及需要解决的问题

重庆地铁暗挖车站单拱大跨的特点，导致车站主体隧道开附属洞口时，会在接口部位拱部形成一个临空面；而且附属断面愈大，临空面跨度愈大，附属断面愈高，临空面长度愈长。

以典型的双层风道接口为例：风道断面开挖跨度最大达15.06 m，高度14.10 m，开挖面积达191.35 m2；与车站接口处拱部开挖临空面长达4.5 m，甚至更长(图1)。

图1　车站与双层风道接口剖面示意(单位：mm)

施工中该接口处受力转换频繁，拱部围岩经历多次扰动，稳定性下降；且接口开挖需割断主体钢架，致使主体拱部围岩应力重分布；若不能在开挖过程中实现钢架步步封闭，最终形成稳定的支撑体系，共同承担拱部围岩荷载，将面临极大的施工风险。在软弱围岩及围岩较为破碎地层，断面钢架的及时闭合是施工安全的关键，许多工程实践都证实了这一点[7-12]。

车站主体拱墙开洞的接口处理需要解决的两个问题。

(1)若要实现车站主体被截断钢架与附属风道钢架最有效的连接，需要制作一榀三维空间曲线钢架，该钢架在主体断面平面与主体拱形吻合，但如此复杂的钢架实际加工难度之大可想而知，在难以保证施工精度的情况下很容易侵入二衬限界，且该钢架在承担车站主体钢架传递的轴向力和接口部位拱顶围岩竖向压力方面受力并不理想。因此，就需要在保证主体截断钢架与风道接口钢架的有效连接和确保接口钢架易于加工、定位、受力合理两者之间找到一个平衡点。

(2)风道开挖面积较大，接口段拱部临空面最长处达4.5 m，截断主体钢架后，一次性开挖到位风险极大，须缩短循环进尺，稳扎稳打，随挖随支，钢架步步封闭，超前支护也必须与钢架连接形成梁式支护体系，方能保证施工安全，将风险降到最低。

4接口处理技术及开洞施工工序

针对问题(1)，设计上考虑在主体断面平面，将原有的风道断面钢架在起拱线以上以不同的角度倾斜(倾斜的角度根据开挖进尺及步序确定；倾斜后的风道拱部钢架在单方向被拉伸，其拱部断面加工形状也由圆形变为椭圆)，接口拱部钢架仍是二维平面的，便于加工定位，接口断面钢架之间通过短的水平钢架及水平连接筋相连，水平钢架两端设锁脚锚杆，深层加固拱顶围岩，并将水平钢架与拱部围岩锚固在一起(图2)；此外，为保证分步开挖时接口处拱顶稳定，每榀斜钢架均设置有双肢临时支撑，临时支撑之间通过临时横撑连接，以增强支撑刚度，如图3所示。

图2　接口支护剖面示意(单位：mm)

图3　接口钢架断面示意(单位：mm)

通过二维地层结构模型提取出的钢架内力图及现场的钢架应力监测数据显示，车站钢架拱肩部位受力形式为小偏心受压，轴力起主导作用。因此，在接口部位沿车站主体钢架轴向倾斜设置的1号斜断面接口钢架，能很好地将主体钢架的轴向力向下传递，水平分力通过水平连接钢架传至风道掌子面，竖向分力通过其他斜断面钢架传递至下方直立钢架及临时支撑；接口处拱顶围岩竖向压力由临时支撑及接口断面钢架共同承担。

如此，接口钢架与车站主体钢架在空间上形成了稳定的桁架支护体系，共同抵抗接口处长临空面的复杂受力，确保接口部的拱顶稳定。

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针对问题(2)，需对交叉口部的施工工序做详细说明：为便于开挖及操作，在主体上侧壁导坑贯通后，就需要先行将主体与风道接口的上半断面开挖及初期支护完成，此时主体核心土尚未解除，能有效地限制主体拱顶下沉，也为接口部的施工安全增加了一道保障；随着主体下导坑的开挖，逐段接长临时支撑并落底，下导坑贯通后、主体核心土解除之前，开挖接口下半断面岩体并将钢架及初支接长落底(图3)；根据现场监控量测，确定交叉口部拱顶沉降稳定或基本稳定后方可拆除临时支撑，及时施做该处车站主体及接口部二次衬砌。

车站与双层风道接口上半断面开挖及钢架安装具体施工工序如下。

(1)沿风道与主体接口的拱部初支交线外侧打设超前小导管，并注浆加固拱部岩体；之后再沿交线外侧打设主体需截断钢架的锁脚锚杆，破开接口处车站主体初支喷混，将主体需截断的钢架与锁脚锚杆焊接后，截断接口处主体钢架。沿风道纵向开挖接口拱部岩体，虽然接口部初始段每延米开挖量较小，但开挖进尺仍不宜过大。

开挖适当进尺后，架立1、2号斜钢架的拱部钢架及临时支撑，每片钢架下端通过锁脚锚杆与围岩锚固；将车站主体截断的钢架直接与1号斜钢架焊接，1、2号斜钢架之间通过水平钢架及连接筋有效连接，钢架与临时支撑共同作用形成稳定的临时支护体系(图4(a))。

(2)继续向前开挖，接口部位每延米开挖量增大，开挖进尺应适当缩短，开挖到位后架立3号斜断面钢架的拱部钢架及相应的临时支撑，向下接长1、2号斜钢架，并将1号斜钢架端部与2号斜钢架相接，每片钢架下端均通过锁脚锚杆与围岩锚固；将车站主体新截断的钢架与新架立的1号斜断面钢架通过水平钢架连接，将2号斜断面钢架与1号斜断面钢架通过水平钢架及水平连接筋相连(图4(b))。

图4　车站与风道接口上半断面施工工序剖面示意(单位：mm)

(3)接口部逐渐过渡到风道正常段，每延米开挖量也随之增大，相应的开挖进尺应适当缩短，并恢复风道分步开挖工法(CRD法)；接口部开挖完成后仍需向前开挖适当距离，及时连立两榀直断面钢架(风道标准断面钢架)，并将2号斜断面钢架拱部以下接直钢架落底，将3号斜断面钢架与第一榀直钢架相连，各断面钢架之间通过水平钢架及水平连接筋有效连接形成完整的支护体系(图4(c))。

5施工现场监测信息反馈

施工期间监测项目的控制标准如下：

(2)拱顶下沉控制值为(0.06%～0.09%)H=(11.63～17.44)mm(H为隧道开挖高度，取19.38 m)[10]；为安全起见，控制值均取小值。DK27+380车站拱顶下沉变化曲线见图5。

图5　DK27+380车站拱顶下沉变化曲线

6结论

目前，该车站已竣工并开通运营。从现场反馈的信息及提供的监控量测数据显示，施工过程中洞室整体是安全的，监测的各项数值均在允许范围以内，且数值较小；综合分析后得出以下结论。

(1)接口部位采用倾斜的二维弧形钢架不仅具有便于加工定位的特点，还能有效传递车站主体拱部荷载，与主体钢架形成完整的支撑体系。

(2)倾斜二维钢架分段拼装，并与拱部锁脚锚杆、跨中临时支撑相结合，能有效缩短开挖进尺，实现钢架步步封闭，具有很强的可操作行，能有效降低拱墙开洞的施工风险、确保洞室整体稳定。

当然，在实际的设计和施工过程中，还应针对不同地质情况适当调整支护参数，做到安全、经济、合理；对于单拱大跨形式的暗挖车站拱墙开洞，倾斜二维钢架分段拼装的接口处理技术具有广泛的参考价值。

参考文献：

[1]王珊.地铁工程设计与施工新技术实用全书[M].北京:银声音像出版社，2005.

[2]纪秋林，邓勇.浅埋暗挖大跨径车站隧道的施工开挖方法[J].黑龙江交通科技，2009(4):83-84.

[3]徐振，任志亮.浅埋暗挖单拱大跨结构在地铁车站的应用[J].铁道标准设计，2011(10):93-95.

[4]刘涛，张瑾，闫楠.岩石地区浅埋暗挖地铁车站支护结构设计初步研究[J].岩土工程学报，2010(10):347-350.

[5]中华人民共和国建设部.GB50517—2013地铁设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[6]鲁建邦.大断面隧道挑顶施工三维数值计算分析[J].铁道标准设计，2012(1):77-80.

[7]中华人民共和国铁道部.TB10204—2002J163—2002铁路隧道施工规范[S].北京:中国铁道出版社，2002.

[8]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科技出版社，2006.

[9]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[10]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[11]中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

[12]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社，2010.

Interface Processing of the Opening in the Wall of Large-span Single Arch of Metro station LI Chu-jun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd, Xi’an 710043, China)

Abstract：Due to the characteristics of large span single arch of Chongqing metro station where subsidiary portal is made in the arch wall of station main tunnel, a free face is created in the main body and the arch of the subsidiary interface, and the large free face formed by the large section subsidiary interface poses high construction risk. To effectively reduce the construction risk of tunnel arch wall opening and prepare steel frame supporting immediate after excavation, this paper proposes the tilted two-dimensional steel arch frame supporting system based on engineering practices and introduces segmental construction process with supporting steel frame put in place with the progress of the opening. In addition, the reliability of the technology is verified by the analysis of field construction monitoring data.

Key words：Metro; Large span single arch; Arch wall opening; Tilted two-dimensional steel arch frame; Segmental assembly

中图分类号：U231+.4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.025

文章编号：1004-2954(2015)05-0111-04

作者简介：李储军(1983—)，男，工程师，2006年毕业于中国石油大学(华东)土木工程专业，工学学士，E-mail：leecj521@qq.com。

收稿日期：2014-07-22； 修回日期：2014-09-03