暗挖车站施工中拱部预应力锚杆不同支护方向的地层变形研究

孟令志

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京)

引言

在城市市区轨道交通建设过程中，受道路交通、周边建构筑物等地面条件限制，车站采用暗挖施工的占比越来越高。传统的暗挖车站多采用洞桩法、双侧壁导坑法、交叉中隔壁法等施工方法，通过将大断面转换成多个中小断面，并在洞室之间设置临时中隔壁和临时仰拱的方式开挖完成，往往存在工期长、造价高、作业面小等特点。在围岩条件较好地段的暗挖车站，工程建设人员也在尝试采用主动支护的方式，通过增大导洞断面和减少临时支护结构提高施工效率，国内外的专家学者做了相关的研究。尚怀帅等[1]通过试验的方式研究了NPR 钢筋的力学性能，为预应力锚杆的应用提供了理论依据；罗基伟[2]研究了大跨隧道预应力锚固体系协同支护机理，提出了预应力锚杆-锚索复合锚杆单元体概念；田四明等[3]对软弱围岩隧道变形控制主动支护进行了研究，提出了主动支护设计理念；殷小亮等[4]以实际工程为背景，对不同支护参数的隧道施工力学特征进行了研究；马行之等[5]以实际工程为背景，通过数值计算的方式研究了预应力锚杆分部台阶法过破碎带的沉降规律，得出预应力锚杆-分部台阶法施工方案能有效控制围岩变形；刘远建[6]以工程实例为背景研究了大跨度隧道主动支护施工体系，得出预应力锚杆等主动支护可改善围岩条件，降低对地面的扰动；吴大伟、刘林胜、李建建等[7-9]通过数值计算的方式对中空预应力注浆锚杆的支护效果进行了研究，得出中空预应力注浆锚杆能主动加固围岩；陈国栋、宁凯飞、杨文东等[10-12]研究了预应力锚杆主动支护技术。综上所述，对预应力锚杆支护方向的研究尚比较少，本文以新建暗挖车站为工程背景，通过数值计算的方法研究了分部台阶法施工下预应力锚杆不同支护方向下的地层变形规律，研究成果可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

该暗挖车站位于两城市主干道交叉口西侧，沿城市主干道东西方向敷设。车站全长约248 m，标准段宽约19.5 m，车站大里程段设置单停车线，车站共设4 个出入口和2 组风亭。车站小里程端接盾构区间；车站大里程端右线接盾构区间，左线接单洞双线矿山法区间。车站总平面图如图1 所示。拱顶覆土埋深约13 m～20 m，车站拱顶自上而下地层主要为素填土、中风化花岗岩、微风化花岗岩，洞身均位于微风化花岗岩地层（微风化岩层最薄处约5 m），围岩稳定性较好。车站范围内存在3条破碎带，破碎带fhgl-1穿越车站小里程端，破碎带fhgl-2和fhgl-3分别穿越车站小里程端和大里程端，受破碎带及花岗斑岩岩脉影响地段围岩破碎，围岩多为Ⅳ1-Ⅳ2级，其余地段围岩较完整，多为Ⅲ1-Ⅲ2级。车站范围内揭露地下水以基岩裂隙水为主，水量贫-中等。车站地质纵断面图如图2 所示。

图2 暗挖车站地质纵断面图

隧道开挖跨度超过20 m，为自身Ⅰ级风险工程。

车站周边存在多处环境风险源。车站侧穿2 座高压线塔，高压线塔高约36.5 m，扩大基础尺寸约为9×9 m，埋深约3.8 m。1 号高压线基础距车站水平距离约2.8 m；2 号高压线塔基础距车站水平距离约12.3 m，距车站拱顶约16.8 m，为环境Ⅰ级风险源。

车站下穿多条重要管线，主要为2 m×1.8 m 电力管沟、3.8 m×2.1 m 暗渠、2 根DN200 中压燃气管线、DN800 雨水管等，为环境Ⅰ、Ⅱ级风险源。

施工前应制定隧道及风险源变形控制标准。隧道开挖沉降控制标准：地表沉降量≤30 mm，初支拱顶沉降量≤20 mm，初期支护净空收敛≤10 mm。高压线塔基础沉降量≤10 mm，基础倾斜≤0.005。管线累计沉降≤10 mm，管线差异沉降≤0.25%Lg。（Lg-管节长度）。

2 施工方案设计

鉴于车站洞身及拱顶范围工程地质及水文地质条件良好，车站内不设置临时中隔壁和临时仰拱，采用台阶法开挖。设计采用主动支护理念，充分发挥围岩自身承载能力，采用预应力锚杆、钢筋网及格栅钢架为主要支护手段；并以超前注浆小导管预支护、局部周边封闭注浆等为辅助措施。施工时首先开挖车站上半断面，对车站拱部进行支护形成初支拱盖，在围岩和初支拱部联合受力体系保护下继续向下开挖，完成车站施工。

2.1 隧道开挖支护设计

本车站开挖断面大（约289 m2），需对开挖断面进行立体设计确保施工安全。根据本车站断面，上下采用分部台阶法施工。

首先开挖车站拱部①区域，并分上下台阶法开挖，上下台阶纵向间距错开不小于15 m，①-1 开挖完成后，混凝土初喷、预应力锚杆施工、架设格栅钢架、安装钢筋网片、混凝土复喷。按照此施工步序依次完成②、③区域施工。①、②、③区域施工纵向错开小于15 m。拱部拉通后形成初支拱盖，初支拱盖厚度约300 mm，格栅钢架间距1.3 m，在初支拱盖保护下继续向下开挖。按顺序继续向下分层分步开挖下半断面并施做初期支护，依次完成④、⑤、⑥，⑦、⑧、⑨，⑩、1 1 、1 2施工，相邻台阶纵向错开不小于15 m，上下台阶错开不小于6 m；侧墙3 m 范围内采用非钻爆开挖，保证拱脚下岩石完整性。

锚杆采用φ18 冷轧带肋钢筋，屈服强度不小于800 Mpa，最大力延伸率不小于20%；锚杆端头设置垫板，材质为Q235 钢，尺寸不应小于150 mm×150 mm×12 mm。锚杆安装完毕后，杆体施加不小于100 kN 预应力。

施工步序、格栅钢架间距与初支厚度相同条件下，设计2 种不同预应力锚杆布置方案，通过初期支护和周边环境风险源变形情况，研究不同预应力锚杆布置下暗挖车站变形。

2.2 垂直预应力锚杆布置方案

见图3，拱部预应力锚杆长度约3.5 m，垂直拱部设置，环纵向间距约1.3 m×1.3 m，梅花型布置。拱脚处加强设置，预应力锚杆长度约4 m。侧墙上半断面预应力锚杆长度约4 m，下半断面预应力锚杆长度约3.5 m，垂直侧墙设置，竖纵向间距约1.5 m×1.3 m，梅花型布置。

图3 垂直预应力锚杆施工步序图

2.3 竖向预应力锚杆布置方案

拱部预应力锚杆长度约3.5 m，竖向设置，环纵向间距约1.3 m×1.3 m，梅花型布置。拱脚处加强设置，预应力锚杆长度约4 m。侧墙预应力锚杆长度约4 m，垂直侧墙设置，竖纵向间距约1.5 m×1.3 m，梅花型布置，见图4。

图4 竖向预应力锚杆施工步序图

3 方案比选研究

3.1 计算模型

根据施工方案，Midas GTS 建立2 种施工方案的地层-结构施工阶段模型。模型两侧及下部取3 倍导洞开挖宽度，上部取实际地面埋深，纵向取工程实际穿越宽度。数值计算本构关系如下：地层采用实体单元，喷射混凝土（厚度为0.3 m）采用板单元，锚杆采用植入式桁架。模型地表面为自由面，两侧采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件。计算中土体为摩尔-库仑材料，初始应力场仅考虑土体自重应力场，地面超载20 kpa，不考虑地层的地层构造应力。隧道施工的分步开挖过程通过软件提供的“钝化”来实现，见图5。

图5 模型整体网格图

3.2 材料参数

根据工程地质资料，车站周边岩土设计参数见表1，初期支护计算参数见表2。

表1 岩土设计参数表

表2 初期支护计算参数

3.3 结果分析

通过比较车站初支结构及周边建构筑物变形大小，研究预应力锚杆支护方向对地层变形的影响。通过计算得出不同锚杆支护方向下初支结构变形云图，如图6～图7。

图6 预应力锚杆垂直布设隧道初支变形图

图7 预应力锚杆竖向布设隧道初支变形图

通过初期支护沉降云图得知，不同预应力锚杆支护方向下的隧道初支结构最大沉降均在拱顶位置，隧道初支结构最大隆起在侧墙脚部位置。预应力锚杆垂直布设时拱顶最大沉降为10.4 mm，预应力锚杆竖向布设时拱顶最大沉降为7.7 mm，均满足初支拱顶沉降量≤20 mm的控制要求，但预应力锚杆竖向布置对隧道初期支护结构变形控制更有利。

不同锚杆支护方向下施工步序沉降曲线如图8 所示，拱部开挖是地层沉降的主要原因，竖向锚杆布置拱部开挖完成岩体沉降为7.18 mm；垂直锚杆布置拱部开挖完成岩体沉降为8.62 mm。拱部开挖岩层扰动形成松动圈，造成洞身周边岩体应力重分布，进而引起拱部沉降；通过设置预应力锚杆，将锚杆打入稳定岩体，通过锚杆与端部垫板的悬吊作用控制拱顶松动岩体的进一步沉降；对拱部锚杆施加预紧力，受力后的锚杆通过端部垫板挤压松动圈岩体，在锚杆主动拉力和岩体被动压力作用下，岩体与预应力锚杆共同组成受力体系，拱部区域形成压缩拱，拱部受压后形成稳固的支护体。在拱部支护体形成后，继续向下开挖，拱部沉降微小可控。

图8 不同锚杆支护方向下施工步序沉降曲线

通过分析不同支护方向的拱部锚杆，相比于垂直布置锚杆，竖向锚杆布置方向与拱部松动岩体塌落方向一致，可对岩体提供更大的悬吊拉力。施加预紧力后，竖向锚杆预紧力作用方向沿着岩体塌落方向挤压岩体，可减少稳定岩体与扰动岩体之间的裂隙，更有利于控制地层沉降；垂直锚杆预紧力作用方向与岩体塌落方向成一定角度，受破碎岩体之间挤压摩擦作用，不利于减小稳定岩体与扰动岩体之间裂隙。在锚杆预紧力与岩体挤压共同作用下，竖向布置锚杆和垂直布置锚杆均可在拱部形成拱形压缩体，通过挤压作用减少扰动岩体之间的裂隙，成为稳固支护结构。

预应力锚杆垂直布设开挖完成后高压线塔最大沉降为2.37 mm；管线最大沉降为5.7 mm，最大差异沉降4.08 mm。预应力锚杆竖向布设开挖完成后高压线塔最大沉降为1.92 mm；管线最大沉降4.30 mm，最大差异沉降2.77 mm。均满足高压线塔和管线沉降控制要求，预应力锚杆竖向布置对周边风险源控制更有利。

4 结论

本文以某城市新建暗挖车站为工程背景，通过数值计算的方法，研究了车站拱部不同预应力锚杆支护方向的地层变形规律。得出如下结论：

（1） 车站拱顶沉降是车站沉降的主要方面，拱部支护完成后车站沉降基本趋于稳定。不同预应力锚杆支护方向下的隧道初支结构最大沉降均在拱顶位置，隧道初支结构最大隆起在侧墙脚部位置。预应力锚杆竖向布设时的拱顶沉降更小，预应力锚杆竖向布置对隧道初期支护结构变形控制更有利。

（2） 预应力锚杆竖向布置时车站管线和建构筑物的沉降及差异沉降更小。车站周边存在较多对变形敏感的建构筑物时，可通过竖向布置预应力锚杆减小对周边建构筑物的影响。

（3） 竖向锚杆布置与拱部松动岩体塌落方向一致，可对岩体提供更大的悬吊拉力。施加预紧力后，竖向锚杆预紧力作用方向沿着岩体塌落方向挤压岩体，可减少稳定岩体与扰动岩体之间的裂隙，更有利于控制地层沉降。垂直锚杆预紧力作用方向与岩体塌落方向成一定角度，受破碎岩体之间挤压摩擦作用，不利于减小稳定岩体与扰动岩体之间裂隙。

（4） 通过数值计算对比分析，预应力锚杆竖向布设比垂直布设对控制地层变形更有利。但竖向打设锚杆施工难度相对较高，且锚杆端部垫板与岩面贴合程度相对降低，易出现受力不均的情况，施工过程中需综合考虑自身和周边环境因素选择适合本工程的锚杆布置方式。