淺埋碎裂巖層地鐵車站拱蓋—樁錨組合施工工法

孫捷城，呂顯州，秦志斌，王渭明

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590;2.中鐵十七局集團 第一工程有限公司，山西 太原 030032)

淺埋碎裂巖層地鐵車站拱蓋—樁錨組合施工工法

孫捷城1，呂顯州1，秦志斌2，王渭明1

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590;2.中鐵十七局集團 第一工程有限公司，山西 太原 030032)

青島地鐵3號線中山公園站處于全風化、強風化巖層中，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差。針對本工程厚碎裂巖層的地質(zhì)特點，通過數(shù)值仿真結合施工監(jiān)測的方法，研究了破碎地層拱蓋法施工的圍巖應力與塑性發(fā)展情況，并在此基礎上，提出了淺埋碎裂巖層地鐵車站拱蓋—樁錨組合施工工法，確定了合理可行的施工工藝。研究結果表明，采用拱蓋—樁錨組合法可以在支護結構周圍形成一個穩(wěn)定的應力承載環(huán)，有效地控制地層沉降和圍巖塑性發(fā)展，確保了車站主體結構的施工安全與整體穩(wěn)定。該施工工法較好地適應了青島地區(qū)特殊的厚強風化層的地質(zhì)特點。

碎裂巖層 拱蓋—樁錨組合法 數(shù)值分析 施工工法

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，我國在淺埋暗挖地鐵車站施工工法與支護技術等方面已經(jīng)積累了豐富的理論依據(jù)和工程經(jīng)驗。喬春江等［1］研究了破碎地層采用全斷面、臺階法和CD法施工時的圍巖和支護結構穩(wěn)定性及襯砌受力變形情況，提出了適合破碎圍巖地層的三臺階開挖法;鐘國［2］詳細介紹了大連地鐵車站采用拱蓋法的施工工藝，對比了各工法的適用范圍，推動了拱蓋法的推廣應用;王霆等［3］對地鐵車站采用暗挖法施工引起的地表沉降規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)地表沉降槽寬度和地層損失率與施工方法密切相關，洞樁法的地表沉降要大于中洞法;王渭明等［4］對青島臺東近距離交疊隧道采用眼鏡法和三臺階法施工時引起的上下隧道交互影響進行了數(shù)值模擬研究，確定了開挖過程中襯砌容易破壞的部位和地表沉降漏斗的特征參數(shù)。

目前，針對淺埋暗挖碎裂巖層大跨地鐵車站施工引起的圍巖擾動、施工工藝優(yōu)化等方面的研究仍處于探索和經(jīng)驗積累階段［5-7］。近年來，隨著我國城市地鐵建設的快速發(fā)展，在碎裂軟弱巖層中修建地鐵車站已經(jīng)越來越多。本文根據(jù)青島地區(qū)典型的“上軟下硬”土巖復合地層、圍巖風化破碎、自穩(wěn)能力差等特點，以青島地鐵3號線中山公園站為工程依托，對比分析了不同工法對車站主體結構穩(wěn)定性的影響，提出了地鐵車站拱蓋—樁錨組合施工工法，為淺埋暗挖碎裂巖層地鐵車站的設計和施工提供科學依據(jù)。

1 地鐵車站施工工法的比選

在系統(tǒng)地分析總結我國淺埋暗挖地鐵車站施工工法和適用要求的基礎上，結合本工程的環(huán)境要求和地質(zhì)條件，對地鐵車站拱蓋法的施工技術進行了優(yōu)化研究。各施工工法的比選如表1所示。

由表1可知，淺埋暗挖地鐵車站拱蓋—樁錨組合法具有沉降量小、安全性高、施工速度快和適用性廣的特點。該工法通過托梁和灌注樁將車站拱蓋所承受的圍巖壓力傳遞到下部穩(wěn)定的基巖中，保證了車站主體結構的整體穩(wěn)定，可嚴格控制地表沉降變形。另外，該方法與拱蓋法相比，其突出優(yōu)點是不再要求拱蓋拱腳必須坐落在硬巖上，可以廣泛適用于青島地區(qū)全風化、強風化破碎巖層的地質(zhì)條件，為青島市后續(xù)地鐵工程的建設提供了重要的施工選擇。

2 工程概況

青島地鐵一期工程(3號線)中山公園站位于市南區(qū)八大關風景區(qū)內(nèi)，建筑物安全等級高，香港西路、榮成路與韶關路在此交匯，路面交通流量大。主體車站全長 176.9m，起訖里程 K3+584.178—K3+ 761.078，拱部開挖寬度為21.9 m，下斷面開挖寬度為19.2 m，總高度為16.2 m，采用單拱直墻暗挖斷面，雙側壁導坑法施工。

本場區(qū)地貌為剝蝕斜坡，上部覆蓋層主要為第四系及全、強風化花崗巖，覆土厚度為9～12 m。下部巖層主要為強～微風化花崗巖、煌斑巖和花崗斑巖，圍巖

級別為Ⅲ～Ⅴ級。地下水主要為基巖裂隙水，涌水量和透水性主要由巖體風化程度和構造裂隙控制，具有明顯的不均勻性。尤其在本工程K3+670.000—K3+ 761.078施工段的巖層破碎嚴重，強風化巖與中風化巖的分界面位于車站仰拱處。車站支護結構及地層巖性如圖1所示。

表1 淺埋暗挖地鐵車站施工工法的比選

圖1 車站支護結構及地層巖性

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型

根據(jù)隧道開挖對圍巖的擾動范圍，模型尺寸定為100 m×100 m×60 m。模型邊界條件:上邊界為自由面，四周受水平約束，底面為豎向約束。

圍巖屈服準則采用 Mohr-Coulomb彈塑性模型。初期支護、二次襯砌、托梁及灌注樁(簡化為縱向連續(xù)結構)采用實體彈性模型，錨桿采用 cable單元，鋼支撐采用liner單元，超前小導管通過提高其加固圈圍巖參數(shù)來模擬。建立的三維模型如圖2所示。根據(jù)地質(zhì)勘查報告并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定的地層物理力學參數(shù)見表2。

圖2 計算模型

表2 模型物理力學參數(shù)

3.2 計算結果分析

3.2.1 位移

圖3為車站分別采用拱蓋法與拱蓋—樁錨組合法開挖后的地表沉降曲線，可以看出:①采用拱蓋法施工最大地表沉降值為54.1 mm，遠超過地表沉降控制值(30 mm);采用拱蓋—樁錨組合法施工最大地表沉降值為29.0 mm，減小了46.4%。這是因為采用拱蓋法施工時，拱蓋拱腳落在強風化巖層上，巖體破碎、承載能力低，無法滿足拱蓋結構的持力要求;而采用拱蓋—樁錨組合法施工時，通過托梁和其下方的灌注樁，將拱蓋結構所承擔的壓力傳遞到下部穩(wěn)定的基巖中，有效控制了車站上方圍巖的沉降變形。②現(xiàn)場監(jiān)測表明，實測沉降值與模擬值基本吻合，驗證了所建立的計算模型的準確性。

圖3 車站開挖后的橫斷面地表沉降曲線

3.2.2 應力

圖4為車站開挖后圍巖及支護結構的第一主應力分布云圖，可以看出:①采用拱蓋法施工時，最大壓應力為4.0 MPa，出現(xiàn)在拱蓋拱腳處，在拱腳和拱頂產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象;拱腳圍巖的壓應力向上凸起形成尖角，說明拱蓋結構傳遞到拱腳圍巖的壓力會引起兩側圍巖的劇烈擾動。結合圖5(a)可知，形成應力尖角處的圍巖發(fā)生大面積的塑性剪切破壞，將引起支護結構的整體失穩(wěn)。②采用拱蓋—樁錨組合法施工時，拱腳處最大壓應力為3.4 MPa，減小了15%;拱蓋+樁錨組成的支護結構可以形成穩(wěn)定的應力承載環(huán)，將上部圍巖壓力平穩(wěn)地傳遞到下部堅硬的基巖中，避免了圍巖的應力集中，確保了主體結構的穩(wěn)定性。

3.2.3 塑性區(qū)

圖5為車站開挖后的塑性區(qū)分布云圖，可以看出:①采用拱蓋法施工時，車站兩側拱腳、拱肩處圍巖出現(xiàn)了大面積塑性區(qū)，且塑性區(qū)沿拱肩方向已經(jīng)發(fā)展到地面，可能造成地面建筑物的不均勻變形;車站邊墻圍巖已經(jīng)發(fā)生塑性剪切破壞，將導致支護結構整體失穩(wěn)。②采用拱蓋—樁錨組合法施工時，拱頂、拱腳圍巖塑性區(qū)明顯減小，邊墻灌注樁加固處沒有進入塑性狀態(tài)，說明灌注樁加強了側墻的支護剛度，提高了強風化巖層的承載力。

圖4 車站開挖后的第一主應力分布云圖(單位:Pa)

圖5 車站開挖后的塑性區(qū)分布

綜上所述，采用拱蓋—樁錨組合法施工，通過拱蓋、托梁、灌注樁及錨索組成的支護體系，可以形成一個穩(wěn)定的應力承載環(huán)，將車站上部碎裂巖層的松散圍巖壓力傳遞到承載力較高的下部基巖中，較好地控制了圍巖變形和塑性發(fā)展。該施工方法在厚碎裂巖層地質(zhì)條件中具有良好的適用性。

4 拱蓋—樁錨組合法的應用

4.1 拱蓋—樁錨組合法施工步序

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況和施工條件，采用拱蓋—樁錨組合法的具體施工步序如下:

1)打設超前小導管，注漿加固地層，車站上斷面采用雙側壁導坑法開挖。首先開挖拱部左側導洞，然后立即初噴40 mm厚混凝土封閉圍巖，之后施作錨桿，架設格柵和豎向臨時鋼架，綁扎鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土，如圖6(a)所示。

2)左導洞施工15 m左右，按同樣工序施工拱部另一側導洞，如圖6(b)所示。

3)在拱腳處打設注漿小導管，對拱腳部位地層進行加固，并施作挖孔灌注樁，如圖6(c)所示。

4)在灌注樁上部施作縱向托梁，并打設托梁處錨索，如圖6(d)所示。

5)開挖拱部中導洞圍巖，立即初噴40 mm厚混凝土封閉圍巖，施作錨桿，架設格柵拱架，綁扎鋼筋網(wǎng)，完成初支，如圖6(e)所示。

6)分段跳槽拆除拱部中隔壁臨時支撐，先打設漲殼式錨桿預加固，每次拆撐6～8 m，拆撐后敷設防水層，及時施作二襯，形成拱蓋，如圖6(f)所示。

7)待拱蓋穩(wěn)定后，由上至下逐層開挖車站下部圍巖。每步開挖至當層小導管下0.5 m時，施作注漿小導管和初期支護，在挖孔樁相應處打設錨索，完成網(wǎng)噴混凝土后方可進行下一步開挖，如圖6(g)所示。

8)敷設底板及側墻防水層，采用順作法施作車站下斷面二襯，完成全部主體結構，如圖6(h)所示。

圖6 拱蓋—樁錨組合法施工步序

4.2 拱蓋—樁錨組合法關鍵施工技術

4.2.1 樁基施工技術

灌注樁施工工藝流程為:場地平整→放線→定樁位→鎖口→孔基開挖→護壁施作→校核樁孔深度→監(jiān)理單位驗收→鋼筋籠制作→驗收鋼筋籠→安裝預埋件→灌注樁芯混凝土至設計頂標高。

由于導洞內(nèi)施工條件的限制，設置挖孔樁尺寸為1.8 m×0.8 m，灌注樁嵌入中風化巖不小于1 m。根據(jù)技術規(guī)范，樁基施工須滿足樁間凈距應不小于樁徑的3倍，相鄰兩根樁的施工間隔時間至少為4 d，以保證先施工的樁基混凝土強度達到設計強度的75%。樁護壁采用C25早強混凝土，樁身采用C30混凝土，鋼筋采用HRB335［8］。樁基開挖采用“跳三挖一”、左右交錯的形式進行，線路左側可以同時施工3根樁基，右側同時施工3根，樁基開挖布置如圖7所示。

施工現(xiàn)場灌注樁采用爆破開挖對圍巖的擾動較大，會引起樁身周圍巖體的擴震損傷，不利于支護結構的穩(wěn)定;采用人工開挖，勞動強度大，施工速度慢，遇到堅硬圍巖時開挖難度大。因此，本工程灌注樁采用水鉆開挖以有效減少對圍巖的擾動，同時施工靈便快速。樁基施工現(xiàn)場如圖8所示。

圖7 樁基開挖布置示意

4.2.2 錨索施工技術

為了維護支護結構受力均衡，防止灌注樁的傾覆失穩(wěn)，需要在托梁及灌注樁上打設錨索。由于碎裂巖層的厚度不同，灌注樁的長度也不同，一般以樁身嵌入中風化巖1.0～1.5 m為宜。因此，錨索的布置應根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況靈活選擇，如圖9所示。

錨索選用長度L=12 m的4根7φ15.2低松弛預

應力鋼絞線，錨固段6 m，自由段6 m。錨索采用一樁一錨的形式，預應力200 kN，樁間布置 φ42注漿小導管，長4.0 m，間距1.2 m×0.6 m。

圖8 灌注樁施工現(xiàn)場

圖9 錨索布置示意

錨索安設后，用注漿管進行一次常壓注漿，注漿材料采用水泥砂漿(灰砂比為1∶1～1∶2，水灰比為0.38～0.45)或水泥漿(水灰比為0.40～0.45)，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。待一次注漿體初凝后，即可進行二次高壓注漿，注漿材料采用純水泥漿(水灰比為0.45～0.50)。二次注漿時間可根據(jù)注漿工藝通過試驗確定［9］。

4.3 施工監(jiān)測分析

選取本工程主體車站開挖至K3+720.00斷面的縱向地表沉降數(shù)據(jù)加以分析，如圖10所示?？梢钥闯?①車站開挖至一定距離后，在掌子面前方有微小變形，在掌子面后方隨著距離的增加，沉降值也逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定［10］。②在掌子面前方10 m至后方30 m范圍，變形量急劇增大，沉降量約占總沉降量的60%。這是由于掌子面的推進引起圍巖的應力重分布，使地層沉降速率加快。因此，施工過程中要做好超前支護，掌子面爆破開挖后要及時施作初支，封閉成環(huán);③結合圖3可知，模擬值與實測值的沉降變化趨勢基本一致，驗證了數(shù)值模型的正確性。

目前，中山公園站主體部分已基本完成，取得了良好的施工效果，充分說明所采取的施工工法是科學可行的。

圖10 車站縱向地表沉降曲線

5 結論

通過數(shù)值模擬與施工監(jiān)測相結合的方法研究了淺埋暗挖地鐵車站的穩(wěn)定性并進行了施工工法優(yōu)化，主要結論如下:

1)結合本工程厚碎裂巖層的地質(zhì)情況，對拱蓋法進行了工法優(yōu)化，提出了地鐵車站拱蓋—樁錨組合施工工法。該方法較好地適應了青島地區(qū)特殊的厚強風化層的地質(zhì)特點，具有良好的推廣應用價值。

2)采用拱蓋—樁錨組合法施工時，拱蓋+托梁+灌注樁+錨索的支護體系形成了穩(wěn)定的應力承載環(huán)，將車站上部圍巖壓力平穩(wěn)的傳遞到下部堅硬的基巖中，有效控制了地層沉降和圍巖塑性發(fā)展，避免了拱腳圍巖的應力集中，確保了主體結構的整體穩(wěn)定。

3)在現(xiàn)場施工過程中，樁基與錨索施工為關鍵施工技術。樁基開挖采用跳三挖一、左右交錯的開挖形式，錨索采用一樁一錨、樁間布置注漿小導管的形式。施工中應根據(jù)具體地質(zhì)條件靈活選擇灌注樁長度與錨索條數(shù)。

［1］喬春江，陳衛(wèi)忠，王輝，等.淺埋破碎地層隧道施工方法研究［J］.巖土力學，2011，32(增2):455-462.

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［3］王霆，劉維寧，張成滿，等.地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降規(guī)律研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，26 (9):1855-1861.

［4］王渭明，路林海.臺東交疊隧道施工過程數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學報，2009，5(6):1181-1187.

［5］梁韻.暗挖地鐵車站設置原則與施工工法選取研究［D］.北京:北京交通大學，2011.

［6］鄭建國.土巖組合地層大跨度淺埋暗挖車站施工環(huán)境效應研究［D］.青島:中國海洋大學，2011.

［7］齊萬鵬.地鐵車站淺埋暗挖不同施工方法的安全性研究［D］.北京:北京交通大學，2011.

［8］中華人民共和國建設部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［9］中國工程建設標準化協(xié)會.CECS 22:2005 巖土錨桿(索)技術規(guī)程［S］.北京:中國計劃出版社，2005.

［10］蔣博林.淺埋暗挖地鐵隧道施工安全性和風險分析研究［D］.重慶:重慶交通大學，2011.

Construction method of shallow-buried metro station in fractured rock using arched cover and anchored pile composite support

SUN Jiecheng1，Lü Xianzhou1，QIN Zhibin2，WANG Weiming1
(1.College of Architecture and Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China; 2.No.1 Department of No.17 China Railway Engineering Bureau，Taiyuan Shanxi 030032，China)

Zhongshan park station of Qingdao metro line No.3 lies in fully or strongly weathered rock.Joints and cracks of rock stratum developed extremely and the stability of surrounding rock is poor.According to the geological characteristics of the thick fractured rock in this engineering，the stress and plastic development conditions of surrounding rock were studied by applying arch cover construction method in broken stratum with the method of numerical simulation and construction monitoring.On this basis，a new arched cover and anchored pile composite support method for shallow metro station in fractured rock was proposed and the feasible construction process was determined.T he results showed that a stable stress bearing ring around the supporting structure can be formed by using arched cover and anchored pile composite support method，which could effectively control the strata subsidence and plastic development of surrounding rock and ensure the construction safety and overall stability of station main structure.T he construction method is well adapted to the special geological characteristics of the thick and strong weathered rock in Qingdao area.

Fractured rock;Arched cover and anchored pile composite support method;Numerical analysis; Construction method

U455.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.07.21

(責任審編 李付軍)

2014-12-16;

:2015-02-13

國家自然科學基金項目(41472280，51174128)

孫捷城(1989— )，男，山東煙臺人，碩士研究生。

1003-1995(2015)07-0072-06