拱盖法在暗挖地铁车站中的应用

马占起

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)

1 概述

《地铁设计规范》(GB50157—2013)中规定:地下结构的施工方法应结合场地的工程地质、水文地质、环境条件、埋深、安全、交通条件、投资和工期等因素，进行技术经济比较后确定[1]；《地下工程浅埋暗挖技术通论》认为:浅埋地下工程施工方法主要有明挖法(盖挖法)和暗挖法两大类[2]；《中国隧道及地下工程修建技术》论及:浅埋隧道开挖方法的选择，应以地质条件为主要依据，结合工期、隧道长度、断面大小、施工单位的机械设备能力和施工技术水平等因素综合考虑[3]。

地铁车站常用施工工法主要有:明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法等。祝勇通过FLAC3D分析方式对中洞法和侧洞法施工引起的地表沉降进行了对比[4]，对中洞法和侧洞法引起的沉降做了量化分析，其结论为这两种工法都无法满足城市中心区域的沉降要求；彭杰文对盖挖法在浅埋地铁车站的应用进行了论述[5]，认为盖挖法虽然有其独特优势，但仍无法满足城市主干道的沉降控制要求；刘石磊、张绍民对PBA法施工步序和关键技术进行了详细的论述[6-7]，认为虽然PBA工法大大改善了沉降问题，但仍存在对特殊地层的适应性问题，并且无法解决拱顶防水问题；符刚等对浅埋暗挖地铁车站的主要施工细节进行了研究与论述[8-11]，认为大面积大管棚施工、帷幕注浆会导致工期缓慢和造价过高等问题；杨会军对浅埋暗挖大跨地铁车站的监测数据进行了统计[12]，分析结果表明，PBA工法的工序转换复杂，对地表沉降影响也较大；吕波等介绍了大连地铁拱盖法的应用[13-15]，但未对拱盖法的沉降进行进一步论述，而沉降值无疑是工法选择的一个重要指标；王莉莉等以青岛地铁中拱盖法的应用为例，对拱盖法进行了工法、步序等方面的研究和分析[16-19]。

基于先行者的理论与经验，结合现场设计施工实际，对拱盖法的施工工艺、关键施工技术等进行深入分析研究，并对其现有的不足之处提出改进建议，以供类似工程探讨和研究。

2 工程概况及工法选择

2.1 工程概况

大连地铁2号线主要位于城市中心区，沿城市主干道布设，地面建筑物密集，周边管线众多。地下水主要赋存于基岩风化裂隙中，水量较丰富。地层由上至下依次为第四系人工堆积层(素填土)、第四系上更新统坡洪积层(粉质黏土)、震旦系长岭子组板岩(全风化、强风化、中风化板岩)、中生代燕山期辉绿岩(中风化、微风化辉绿岩)，上部素填土和粉质黏土承载力差，全风化板岩和强风化板岩节理裂隙极发育，透水性强，遇水易软化崩解，不能作为结构持力层；下部中风化板岩、中风化辉绿岩和微风化辉绿岩岩体局部较完整，地基承载力为1 000～1 500 kPa，属于典型的“上软下硬”地层。因此，选择一种合适的施工方法，对于保证结构安全、减小沉降变形、缩短施工工期、降低工程造价具有十分重要的意义。

2.2 工法选择

浅埋暗挖常用的双侧壁导坑法、PBA法、中洞法等，在国内各地有很多成功案例，不同工法有不同的使用范围和适用条件。如侧洞法适用于单层多跨的大断面车站，中洞法适用于地质条件较好、跨度较小的单柱车站，PBA法一般适用于软岩或土质地层。结合大连地区地层“上软下硬”、地下水丰富等特征，将工艺成熟的明挖法、盖挖法、PBA法结合并改进，最终形成了“拱盖法”。相较于其它暗挖工法，拱盖法的优点是更安全、高效(见表1)。

表1 暗挖工法比较

3 拱盖法的应用

3.1 拱盖法基本原理

拱盖法是在明挖法、盖挖法、PBA法基础上，衍生创建的暗挖施工方法，主要适用于上软下硬地层，其核心原理是充分利用下覆围岩自身的承载能力和稳定性，在不爆破或弱爆破的条件下，采用PBA法的边导洞形式进行初支扣拱，同时以大拱脚取代PBA法中的边桩，将拱部初支和拱部二衬结构支撑于两侧稳定基岩的大冠梁上，形成大拱盖结构，在大拱盖结构的保护下分部下挖，并逆作或顺作施工永久结构。

为使拱盖上部荷载均匀传递给下伏基岩，保证大拱盖结构的整体稳定性，在大拱脚下设置通长纵向冠梁；为保证下部高边墙的稳定性和扣拱后大面积下挖作业的安全，边墙初支采取预应力锚索+锚喷支护的方式；为保护已施工结构和控制地表沉降，采用弱爆、减震爆破或预裂爆破开挖，如有条件，可采用非爆破方式开挖，以减少扰动。拱盖法结构断面见图1。

图1 拱盖法结构断面(单位：mm)

3.2 拱盖法施工工序

根据车站上部地层情况，分为逆作工序和顺作工序，两者在结构构造上最突出的区别就是有无二衬顶板两侧的大拱脚，施工工序也不相同。下面以工程实例对拱盖法的逆作工序和顺作工序进行介绍。

(1)逆作工序

在上部各导洞贯通后，施作两侧大冠梁，而后先扣初支拱盖，再扣二衬拱盖，在大拱盖的保护下，大面积分部下挖土石方至底板下，最后浇筑底板、侧墙和中板等永久结构。以大连地铁一二九街站为例，逆作施工步序见图2。

(2)顺作工序

在上部各导洞贯通后，施作两侧大冠梁，而后先扣初支拱盖，在初支拱盖的保护下，大面积分部下挖土石方至底板下，最后浇筑底板、侧墙、中板、顶板。以大连地铁兴工街站为例，顺作施工步序见图3。

(3)逆作工序与顺作工序比较

逆作法和顺作法在安全、质量、进度等方面各有优劣:逆作法相对安全可靠，但逆向水平接缝处施工质量难以保证，较易导致结构自防水问题；顺作法依靠拱部初支承受上部荷载，风险较大，通长打设管棚会拖慢工期，提高造价，但后期二衬结构完整性较好，自防水效果好。综上所述，作为一种新型暗挖工法，安全问题无疑是首要考虑的选项，故而逆作法是最优选择。

3.3 地面沉降

地下结构设计应严格控制地面沉降量，应预测评估可能引起的临近建、构筑物以及管线的沉降，依据相关规范、规程的要求或通过模拟计算确定其允许沉降量和次生应力，给出安全可靠、合理有效的技术措施。地铁站的开挖打破了原岩的受力平衡，使原岩初始应力场发生变化，引起应力重分布。拱盖法施工包含多道施工工序，每道工序都会对地层产生扰动并造成沉降，对拱盖法的数值模拟分析和现场监测数据分析表明，其沉降情况有如下规律:

(1)依据修正Mohr-Coulomb准则建立3D模型(模拟区域:纵向173 m，横向97 m，竖直向85 m)，各地层参数见表2，依据施工步序(逆作法)进行模拟，经运算得到模型的位移云图(见图4)。

图2 逆作法施工步序

表2 地层参数

图3 顺作法施工步序

对比各道工序的沉降位移云图，对沉降影响最大的工序为拱部中导洞的开挖和拱部临时竖撑的拆除两个步序；工作面超前变形范围为2.5倍洞径，拱盖断面开挖横向影响范围约为1.5倍洞径。

(2)使用水准仪对地表沉降进行监测。通过对监测数据的分析(见图5)，得到的沉降规律与数值模拟分析结果大致相同，但略大于数值模拟分析得出的沉降量。地表沉降大致分为初期沉降、快速沉降、沉降收敛三个阶段，其中中导洞开挖和临时竖撑拆除造成的二次扰动对地面沉降影响最大，为快速沉降阶段。

(3)通过对监测数据的分析，发现地表沉降纵、横向变化的规律服从常规暗挖车站的沉降变化规律，即沉降主要影响范围为工作面位置的1.5倍洞径范围，最大沉降值位于导洞正上方。

4 拱盖法重难点控制及细部优化

4.1 大拱脚施工

充分利用岩石自身的承载能力是拱盖法的核心思想。拱部初支和拱部二衬形成大拱盖结构支撑在两侧基岩上，通过大拱脚下的大冠梁将拱盖上方荷载均匀传递给两侧围岩，故而大拱脚(见图6)的稳定性决定了整个结构的安全，所以要求冠梁下围岩的强度和承载力必须满足设计要求。根据详勘报告和结构数值模拟分析，确定采用2.8 m宽、1 m+0.8 m高的梯形冠梁。为保证冠梁下地基的承载能力，需对冠梁的主受力方向进行加固，加固措施为:侧向水平打设3排长3.7 m、直径42 mm、壁厚3.25 mm、间距1 m的注浆锚管(尾部锚入冠梁0.7 m)，梅花形布置；按倾角为30°打设1排长3 m、直径42 mm、壁厚3.25 mm、间距1 m的锁脚锚管；注浆浆液采用1∶1水泥浆，注浆终压为0.3～0.5 MPa，注浆终凝后取芯实验，以确定注浆效果是否满足设计要求。

图4 断面施工沉降云图

图5 地表监测沉降曲线

图6 拱盖法大拱脚

4.2 初支及二衬扣拱施工

初支及扣拱施工主要分为两步，首先施工左右导洞内的拱部初期支护并在初期支护背后回填混凝土，而后施工两导洞之间的拱顶初支以及竖向临时初支。初支扣拱施工时，必须保证四段钢格栅和冠梁上预埋钢板在同一里程平面上，以确保各段格栅能准确连接受力(考虑到施工误差，冠梁上的预埋钢板宜通长布置，不宜分块)。左右导洞内拱部格栅背后回填混凝土应分段一次性浇筑，并预留注浆钢管，在回填结束后注浆填实，以免出现空洞。

在初支及扣拱施工完成后，从车站中间向两端分段拆除两侧小导洞部分初支和临时竖向初支，铺设防水层并跟进施工二衬大拱。每次拆除格栅长度不大于一个柱跨(两侧同时进行)；衬砌模板采用6 m自行式液压模板台车，浇筑时应振捣密实，养护规范，确保混凝土质量。

4.3 爆破施工

地铁站一般地处繁华市区，埋深较浅，周边建、构筑物密集，管线密布，暗挖断面较大且多处于中风化板岩中，需要多次爆破开挖，给围岩、初支等结构造成多次扰动甚至破坏。故此要控制爆破震动以及影响范围，降低爆破导致的超、欠挖，保证大拱脚下高边墙的稳定和已施工结构的安全。为控制爆破震动，可采用微差减震控制爆破，两侧大冠梁下侧墙2 m范围内采用预裂爆破，用公式(1)计算各部分所需的炸药量，并进行现场试验，取得较贴合实际的爆破参数(v取2 cm/s作为控制标准)。

式中 Qm——炸药量/kg；

R——爆源与保护对象之间的距离/m；

v——保护对象所在地质点振动安全允许速度/(cm/s)；

K、a——与地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可按《爆破安全规程》(GB6722—2014)中表(3)选取，也可通过现场试验确定。

4.4 防水施工

地铁车站主体结构防水等级为一级，结构不允许渗水，表面无湿渍。因此，施工缝、变形缝、预埋件等接缝防水以及二衬混凝土自防水应严格按照设计要求施工，并在防水薄弱点采取加强措施，如二衬大拱脚处，应将混凝土锐角做成圆弧过渡，并加钢板防护。

4.5 高边墙支护

在大拱盖扣拱完成后，进行下部围岩的大面积开挖，使得大冠梁下方形成一个深约9 m的临空面。为保证大冠梁下方高边墙的稳定，给大拱盖结构提供安全可靠的支撑基础，采取了下列措施:

(1)在距离高边墙2 m范围内采用预裂爆破或非爆破方法开挖，以减少对大冠梁下方基岩的扰动，保证其完整性。

(2)侧墙采用钢格栅+网喷混凝土+砂浆锚杆初支体系。

(3)在岩层顺层侧设置3道预应力锚索，纵向间距1.5 m，以避免岩层顺坡滑移破裂。

(4)及时施作闭合二衬结构，减少高边墙外露受力时间。

4.6 地面沉降控制

拱盖法施工涉及到多步序、多环节的衔接与转换，工序较为复杂，可通过以下几方面对沉降加以控制:

(1)建立拱盖法分步开挖模型，对拱盖法施工全过程进行分析，找出重要工序并制定合理的工序排布与施工工艺。

(2)应加强监控量测，对地面变形和洞内拱顶沉降及侧墙收敛进行监测，并将监测数据与前期预测值作对比，分析判断上步施工工艺和施工参数与预期要求的差异，适时调整施工参数和施工工艺，确保工程安全。

(3)应准确控制主体各导洞的施工进度，控制好左右导洞工作面的间距(一般为2～3倍洞径)，减少相互扰动，使工序衔接紧凑。开挖时应尽量缩短循环进尺，结构尽早封闭成环，可有效减少地面沉降。

(4)影响沉降最主要的工序为开挖拱部中导洞和拱部临时竖撑的拆除，所以在拱部上方应力较大或围岩完整性较差时，可采用双层叠合初支的形式。实践证明，这种方式对减少沉降有良好的效果。

5 结束语

拱盖法是在明挖法、盖挖法、PBA法基础上改良形成的一种新型暗挖工法，其遵循地下工程浅埋暗挖技术理论，可适应某些城市地区上软下硬的特殊地质条件及施工环境，解决了传统地铁施工在此条件下的施工安全和变形控制难题。导洞少使得工序相对简单，扰动次数少，单跨结构防水质量好，主体结构大面积下挖施工效率高，土建工期可缩短至13个月，工程造价相对较低。