浅埋大跨度暗挖车站单层初支拱盖法技术研究

姜 畔

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

0 引言

随着城市建设规模的不断扩大，城镇化速率逐步提高，城市轨道交通建设取得了长足发展。为减少对城市的影响，降低交通疏解和管线迁改的难度，暗挖车站被广泛应用于城市轨道交通工程的建设过程中。以青岛地铁建设为例，1、2和3号线工程建设中分别设置了13座、10座和7座暗挖车站，由此可见暗挖站的规模在不断加大。

针对城市道路下方浅埋暗挖大跨度隧道的施工工法，众多学者及工程师开展了大量相关研究。例如吕波、张光权等人研究了二衬拱盖法的关键施工技术[1-2]；赵晨阳等人研究了硬岩地区大跨地铁车站暗挖施工方法[3]，但对于单层初支拱盖法开展的研究则相对较少。

根据唐晓杰、雷亚峰等人研究的岩石地区地铁车站暗挖施工方法[4-5]。

该文结合青岛地铁1号线工程太行山路站工程实例，采用有限单元分析法和现场实测相结合的方法研究了单层初支拱盖法对城市道路下方浅埋大跨度暗挖车站的适用性，为类似轨道交通工程的建设提供参考和借鉴。

1 工程背景

1.1 车站环境概况

青岛市地铁1号线太行山路站位于长江西路与太行山路路口以西，沿长江西路道路下方呈东西向布置。长江中路是现在黄岛区的主干道之一，现状道路宽50 m，车流量较大，封路调流施工十分困难，且道路两侧下方市政管线密集。综合考虑周边环境后，太行山路站采用暗挖法施工，设置4个出入口和2个风亭组，车站主体全长207 m，标准断面高17.64 m，宽21.72 m，车站永久衬砌厚度0.75 m。

1.2 车站工程地质及水文地质

该站地貌类型为剥蚀残丘，车站范围内地形起伏较大，车站拱顶岩石覆盖层厚度为11.3 m～18.3 m。由上至下依次为杂填土、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩和微风化凝灰岩，车站主体全部位于微风化凝灰岩中（局部碎裂岩发育），围岩级别为II-IV1级，如图1所示。

图1 车站地质纵剖面图

该站地下水类型主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水，其中对车站影响最大的是基岩的构造裂隙水，主要存在于中风化和微风化基岩构造破碎带并且节理裂隙密集带中，呈脉状、带状产出，地下水迳流深度较大，迳流方向复杂，具有一定的承压性。

2 设计方案

2.1 设计工序

该站拱顶上方市政管线密集，道路交通流量大，对沉降及变形控制要求严格。同时，考虑到该站典型上软下硬地层的工程地质和水文地质条件，太行山路站车站主体拟采用暗挖单层初支拱盖法进行施工，既能有效控制沉降及变形，又能保证施工作业安全、高效并且少扰民，同时具有较好的经济和社会效益，具体施工工序如图2所示：1）开挖拱顶中部导洞（图中1部岩体），施做初期支护（锚杆、格栅钢架、喷射混凝土）。2）开挖上半断面左、右侧导洞（图中2、3部岩体），施做初期支护（锚杆、格栅钢架、喷射混凝土）。3）开挖上半断面核心岩柱（图中4部岩体）。4）顺序开挖车站下半断面第1层岩体，中部拉槽处可以采用自然坡率放坡，分层剥离下半断面岩体（图中5～7部岩体），施做边墙初期支护（锚杆、喷射混凝土）。5）顺序开挖车站下半断面第2层、第3层岩体，中部拉槽处可以采用自然坡率放坡，分层剥离下半断面岩体（图中8～13部岩体），施做边墙、仰拱初期支护（锚杆、喷射混凝土）。6）初支变形稳定后，按照顺序进行车站防水、二次衬砌及车站内部结构的施工。

图2 车站单层初支拱盖法施工工序图

2.2 设计标准

地铁主体大跨度隧道施工时会造成道路和管线的沉降变形，进而加大施工风险。为避免结构破坏坍塌，根据相关规范、标准以及类似的工程经验，确定沉降变形的控制指标如下：1）施工引起的地面沉降量限制值，一般情况下其限制值为50 mm，隆起控制在10 mm以内，变化速率不超过3 mm/d。2）施工引起的初期支护结构净空收敛不超过10 mm，变化速率不超过2 mm/d。3）施工引起的初期支护拱顶沉降不超过30 mm，变化速率不超过3 mm/d。4）施工引起的燃气管线变形不超过10 mm，变化速率不超过2 mm/d，差异沉降不超过0.3%LG（LG为管道管节长度）；雨污水和供水等管线变形不超过20 mm，变化速率不超过2 mm/d，差异沉降不超过0.25%LG（LG为管道管节长度）。5）周边建构筑引起的倾斜小于0.001 L（L为相邻基础的中心距离）。

2.3 数值计算分析

为了验证设计开挖工序的可靠性和可实施性，选择主体开挖最不利处的地层信息，利用大型有限单元软件Midas GTS NX建立三维分析模型模拟暗挖车站开挖的实施工序，进而分析地面的沉降变形规律、初支拱盖结构的受力及变形。

2.3.1 模型建立及计算参数确定

2.3.1.1 地层信息

选择最不利处的隧道地质界面进行建模，隧道拱顶覆盖层由上至下依次为：素填土厚度3.34 m、强风化凝灰岩2.78 m、中风化凝灰岩4.82 m以及微风化凝灰岩6.85 m，各岩土层设计参数见表 1 。

2.3.1.2 车站几何及支护结构信息

车站标准段宽度为21.72 m，高度为17.64 m，拱顶C25喷射混凝土厚度为0.35 m（拱脚处进行扩大），车站下部边墙及仰拱C25喷射混凝土厚度为0.15 m。

车站拱顶及侧墙布置直径25 mm的中空注浆锚杆（长度L=3.5 m，环向间距1 m，纵向间距1 m）。

车站拱部设置钢筋直径25 mm的格栅钢架，纵向间距0.5 m同时拱部布置双层直径8 mm钢筋网（网片间距150 mm×150 mm），侧墙设置单层钢筋直径8 mm钢筋网（网片间距150 mm×150 mm），具体设计参数见表2。

表2 支护结构材料计算参数表

2.3.1.3 模型建立

根据上述地层及结构信息，利用Midas GTS NX建立的单层初支拱盖法开挖三模模型如图3所示。为消除边界尺寸对数值试验结果的影响，该模型车站两侧及底部边界采用距离车站中线5倍洞径（R=21.72 m），即为108.6 m；上部边界按照车站现场实际地层埋置深度取值，围岩采用实体单元进行模拟，本构关系为摩尔-库伦本构模型；初期支护采用板单元进行模拟，本构模型为弹性结构模型；锚杆采用植入式桁架进行模拟，本构模型为弹性结构模型；模型的四周立面与底部边界面采用发现位移约束，地表设置为自由边界面，各个施工步序紧密衔接，每次开挖进尺为0.5 m。

图3 计算模型

2.3.2 计算结果

通过计算模拟得知地面沉降最大值为12.31 mm，结构受力不利的地方主要集中在车站下部直壁侧墙上半断面及扩大的初支拱脚部位。

计算结果显示该初支拱盖法在施工过程中变形及受力可控，但是需要在设计中需针对上述拱脚及侧墙部位进行设计支护加强。

2.4 设计支护措施及安全质量管控要点

2.4.1 设计支护措施

针对理论计算可以发现施工的薄弱位置，为保证施工安全，加快施工进度，制定了专项设计方案。

设计开挖方案进行了拱部加强支护设计，拱部支护措施见表 3 。

表3 拱部初期支护措施表

扩大拱脚处初支喷射混凝土厚度进行加厚，局部采用4层钢筋网布置，喷射混凝土厚度为950 mm，同时每榀格栅处采用2根长5 m的直径25 mm中空注浆锚杆进行锁脚加强。3）针对侧墙上半断面应力较大的问题，采用IV级围岩增设竖向格栅钢架（间距同拱部格栅钢架间距），同时增加喷射混凝土厚度至250 mm，并在大拱脚下3 m范围内设置3.5 m长直径25 mm中空注浆系统锚杆进行加强。II级和III级围岩部位不设置竖向格栅，采用150 mm喷射混凝土及大拱脚下3 m范围内设置3.5 m长直径25 mm中空注浆系统锚杆的措施进行加强。

2.4.2 施工安全质量管控要点

高效安全地施工不仅体现在设计方案，也体现在管理方面，针对分析发现的薄弱环节，制定管控要点如下：1）拱部采用台阶法施工，但是在格栅钢架中部预留增设临时型钢支撑的连接条件。2）在车站单层初支拱盖达到设计强度后，车站下部岩体采用“纵向分段、竖向分层和中部拉槽”的方法进行开挖，以确保围岩的稳定。3）车站下部边墙爆破施工时，在靠近侧墙3 m范围内采用控制性爆破，松动爆破或非钻爆法开挖等方法，最大限度地保证拱脚处岩石完整性。4）拱盖法下部岩体开挖时，相邻侧岩体先后距离宜保持不小于15 m ，上下断面宜采用超短台阶法，距离保持3 m～5 m。5）初期支护结构钢架分节应充分考虑可操作性，每段钢架长度与重量应方便现场施工，每节钢架长度不宜大于4 m。钢架与初喷砼之间有较大缝隙时，应设置垫块顶紧围岩。钢架安装前，应清除拱脚浮渣，并采用C20混凝土填塞密实，部分不密实处筛挤钢板，确保钢架拱脚不下沉。6）二衬拱盖法下半断面衬砌应该顺做，即先做仰拱衬砌，然后做边墙衬砌，且在车站纵向施工，下半断面仰拱衬砌的施做应紧跟掌子面，距离一般不超过20 m，侧墙衬砌则应紧跟仰拱衬砌施做，同时需要加强监控量测，根据监控量测结果反馈指导施工，及时调整工序。

2.5 现场实测数据分析

目前，太行山路站已经完成二衬施工，监测数据变形基本稳定，根据施工实测地表数据反馈，拱顶沉降约为15.76 mm，比计算值12.31 mm略大，基本可以看出理论计算和实际实施趋势一致。

3 结论

该文依托青岛市地铁1号线太行山路站工程，利用Midas GTS NX模拟了城市主干道路下方采用单层初支拱盖法开挖浅埋暗挖大跨度隧道的施工全过程，分析了施工过程中可能造成的沉降、变形以及支护结构安全性等问题，并比较分析了现场实测的地面沉降、洞身收敛等数据和数值模拟结果，主要结论如下：1）在城市主干道路下方的“上软下硬”浅埋地层，当车站主体设置在微风化地层中并保证一定覆盖层厚度的情况下，采用拱脚局部加强的单层初支拱盖法进行施工，可以充分利用围岩的承载能力，并有效地控制沉降及变形。2）在现场实测的地面沉降和洞身收敛数据比对后发现，单层初支拱盖法数值模拟结果在变形趋势上与实测结果一致，可以确定太行山路站车站主体的浅埋暗挖大跨度隧道采用单层初支拱盖法是合理可行的。3）与传统的二衬拱盖法相比，单层初支拱盖 法能够有效地简化施工程序，实现混凝土自仰拱向上顺做，同时能够避免后期拱脚梁处二衬难以浇筑密实以及拱脚梁处防水难以保护等问题，可有效提升二次衬砌施工质量。4）单层初支拱盖法车站施工的关键节点在于控制进尺和保护好初支拱脚处的围岩，确保拱脚位于稳定的岩层。

目前初期支护措施相对较强，地面沉降数值基本控制在16 mm范围内，尚存在进一步优化设计支护措施的空间，可以在未来工程中进一步研究考虑。