拱蓋法地鐵車站施工沉降規(guī)律及控制對策研究

王 丹，張海波，王渭明，秦志斌，孫捷城

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島 266590;2.青島市政工程管理處，山東青島 266590;3.中鐵十七局集團第一工程有限公司，山西太原 030032)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市地鐵建設(shè)也在快速發(fā)展。在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建淺埋大跨地鐵車站是地鐵施工中的難題之一。拱蓋法在北京地鐵施工中首次應(yīng)用并取得了成功［1］，但此工法應(yīng)用地質(zhì)條件特殊，關(guān)鍵施工工藝不成熟，理論多限于區(qū)域性。鐘國［2］針對大連地區(qū)特殊地質(zhì)條件，詳細介紹了拱蓋法的應(yīng)用;呂波［3］對大連中山廣場站應(yīng)用拱蓋法得出了大拱腳施工和扣拱施工等關(guān)鍵技術(shù)問題。以上研究均未分析在土巖復(fù)合地質(zhì)條件下導(dǎo)洞開挖的先后順序，及柔性支撐換作拱蓋二次襯砌等對地表橫向和縱向沉降的影響規(guī)律。

青島地鐵3號線中山公園車站地質(zhì)條件復(fù)雜，上部為強風(fēng)化碎裂巖體，下部為微風(fēng)化花崗巖，是典型的上軟下硬地質(zhì)，符合拱蓋法特殊地質(zhì)要求。車站位于鬧市區(qū)，上方道路車流量較大，周邊為繁華的商務(wù)辦公區(qū)及居住區(qū)，且車站跨度較大，施工過程中必須嚴格控制變形。由數(shù)值模擬［4－5］結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)組和施工習(xí)慣，分析了車站上斷面左中右導(dǎo)洞均錯開12 m平行施工下地表縱向、橫向沉降規(guī)律，掌握了掌子面超前變形范圍及上斷面開挖橫向影響半徑及導(dǎo)致沉降的主要施工步序，提出了關(guān)鍵加固對策，優(yōu)化了施工工藝，總結(jié)出了復(fù)雜地質(zhì)條件下特殊施工方式的地表沉降規(guī)律，并指導(dǎo)了現(xiàn)場施工，可為同類工程提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

青島地鐵一期工程(3號線)中山公園站全長176.9 m，地處香港西路正上方、天泰體育場西北側(cè)，附近有韶關(guān)路、榮成路和香港西路交匯，市政管線較多，車流量大，有大型市政車輛通過。車站埋深11 m，覆跨比為0.48，屬于淺埋。地貌類型為剝蝕斜坡，地勢較為平坦，拱頂上部4種巖土層均為強風(fēng)化及全風(fēng)化的碎裂巖土體，地層特征如表1所示。

表1 地層特征Table 1 Characteristics of different strata

部分巖層經(jīng)過青島山派生斷裂帶，斷裂帶內(nèi)主要為砂狀土碎裂巖和塊狀碎裂巖，圍巖分級為Ⅵ級。地下水按賦存方式主要為第四系松散土層孔隙水，水位距地面9.7 m，受季節(jié)影響，在開挖硐室內(nèi)呈滴或滲狀?；佑克繛?76.62 m3/d，主要含水層為強、中風(fēng)化巖帶的基巖風(fēng)化裂隙水。

2 施工過程模擬

2.1 拱蓋法及特點

車站拱蓋法施工步序為:1)對稱同步施工左右兩側(cè)導(dǎo)洞并支護;2)施作中導(dǎo)洞并支護;3)施作灌注樁及縱托梁;4)拆除臨時中支撐并施作拱蓋結(jié)構(gòu);5)放坡開挖下部硬質(zhì)巖體并支護;6)完全開挖下部巖體;7)完成整體二次襯砌施作。

拱蓋法常用于Ⅳ級以上、地質(zhì)情況較好的圍巖［6］，可充分利用下部圍巖的穩(wěn)定性和承載能力。傳統(tǒng)暗挖法，如CRD法和眼鏡法都是以臺階法為基本開挖方法，每一層臺階開挖均會引起地表沉降。蓋挖法可充分利用青島微風(fēng)化花崗巖良好的支撐能力，使支護體系有保證，在拱蓋形成后即可大面積施工作業(yè)，更安全，更高效。

2.2 開挖支護條件

車站上斷面開挖最大寬度為22.9 m，開挖最大高度為7.365 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，車站支護方案如圖1所示。格柵鋼架及側(cè)壁臨時支撐采用I22b工字鋼，間距0.5 m，拱頂打設(shè)環(huán)距為0.2 m、排距為1 m、長為5 m的φ42無縫超前小導(dǎo)管，錨桿采用環(huán)距為1 m、縱距為1 m梅花形布置、長為4 m的RD25中空錨桿。兩側(cè)橫向施作間距為1.2 m×1.2 m、長為4 m的單排小導(dǎo)管，雙側(cè)壁打設(shè)環(huán)距為1.2 m、縱距為0.75 m、長為2.5 m的φ22砂漿錨桿。

圖1 車站支護方案(單位:mm)Fig.1 Supporting of Metro station(mm)

開挖形成完整的拱蓋斷面后，施作大拱腳處托梁及下部的C20混凝土灌注樁。依據(jù)勘察資料提供的基巖位置，分別設(shè)計A型3.2 m、B型4.8 m、C型9.4 m、D 型8.3 m，斷面尺寸均為1.8 m ×0.8 m 的樁。根據(jù)施工風(fēng)險源及周邊環(huán)境等影響因素，密切觀察監(jiān)測數(shù)據(jù)，逐段拆除臨時型鋼支撐，邊拆邊施作C45混凝土拱蓋二次襯砌。

車站下斷面采用放坡式分臺階爆破法開挖，為保證高邊墻穩(wěn)定，在鄰近邊墻開挖時，圍護樁之間打設(shè)長4.0 m的φ42注漿小導(dǎo)管，間距1.2 m×0.4 m梅花形布置。待導(dǎo)管施工完畢后，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，初期支護穩(wěn)定后，一次性澆筑C45混凝土二次襯砌底拱。

2.3 建立模型

按照最不利地質(zhì)情況和可能出現(xiàn)較大沉降的位置，選取危險斷面用FLAC3D模擬分析，根據(jù)孔洞開挖對圍巖可能產(chǎn)生的擾動范圍選取數(shù)值模擬區(qū)域為:縱向(Y軸)176 m、橫向(X軸)114.5 m、豎直方向(Z軸)80 m。模型三維圖如圖2所示。

圖2 模型三維圖Fig.2 3D calculation model

為準(zhǔn)確模擬碎裂巖體風(fēng)化破碎、裂隙充分發(fā)育的特征，假設(shè)各層巖體強度服從摩爾－庫侖準(zhǔn)則，設(shè)置大變形，施加地面荷載，進行初始地應(yīng)力計算。根據(jù)數(shù)值模擬得出的沉降值與實際沉降值的比值確定地層參數(shù)折減系數(shù)，反演模型參數(shù)，最終確定地層材料及支護參數(shù)。地層材料及支護參數(shù)如表2和表3所示。

表2 地層材料參數(shù)Table 2 Parameters of strata

表3 支護參數(shù)Table 3 Supporting parameters

上斷面開挖始于Y=176 m端墻處，為配合實際施工步序，在開挖過程中，左導(dǎo)洞超前右導(dǎo)洞12 m，右導(dǎo)洞超前中導(dǎo)洞12 m，形成左中右導(dǎo)洞均錯開12 m平行施工形式(見圖3)。將開挖和支護分成2個連續(xù)的工況，模擬施工過程的時間效應(yīng)。上斷面完成后，在拱蓋二次襯砌的保護下放坡開挖中間巖體，再開挖兩側(cè)巖體。

3 地表及拱頂變形分析

3.1 監(jiān)測點布置

參照實際監(jiān)測點，在Y=80 m地表處沿隧道橫向布置1排監(jiān)測點，開挖范圍內(nèi)監(jiān)測點間隔2 m，其余為5 m;在左導(dǎo)洞地表 DC01－03，DC01－05，DC01－07位置處沿隧道縱向布置3排監(jiān)測點，如圖4所示。

3.2 左中右導(dǎo)洞開挖云圖分析

觀察左導(dǎo)洞開挖豎向位移云圖(見圖5)，結(jié)合實測數(shù)據(jù)可知，左導(dǎo)洞開挖地表橫向沉降影響范圍為12.5 m，右導(dǎo)洞開挖后地表沉降范圍出現(xiàn)驟增，在中導(dǎo)洞開挖后地面沉降范圍達34.5 m，說明在土巖復(fù)合地層中，上斷面開挖對地表沉降的影響范圍約為自導(dǎo)洞中心線向外17.25 m，即1.5倍洞徑左右。

圖3 車站開挖步序圖Fig.3 Excavation sequence of Metro station

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of monitoring points

塑性區(qū)云圖如圖6所示。由圖6可知:左導(dǎo)洞開挖后，導(dǎo)洞周邊1～2 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了塑性區(qū);型鋼支撐和直墻處呈剪切破壞，拱頂及底部呈張拉破壞;在型鋼與鋼拱架連接處，巖體由于擠壓發(fā)生剪切和拉伸破壞;拱腳處為剪切破壞。中導(dǎo)洞開挖后，左導(dǎo)洞周邊的塑性區(qū)增加了34%，右導(dǎo)洞周邊的塑性區(qū)增加了29%，中導(dǎo)洞在拱頂處張拉破壞單元最多，底板和拱頂與型鋼支撐連接處出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū)。

3.3 上斷面施工變形規(guī)律分析

3.3.1 地表沉降縱向曲線分析

圖7為 DC01－03，DC01－05，DC01－07縱向監(jiān)測點累積沉降量隨掌子面勻速推進的時間變化曲線。左掌子面在Y=92 m時，位于Y=80 m處模擬與實測監(jiān)測點均開始發(fā)生沉降，由于各點沉降曲線變化差異微小，且曲線高度相似，故推測出掌子面超前變形影響范圍是12 m;曲線有2處速率加速區(qū)，分別為左導(dǎo)洞施工和中導(dǎo)洞施工，因中導(dǎo)洞開挖寬度大，對左導(dǎo)洞地表監(jiān)測點產(chǎn)生影響，驗證了3.2節(jié)中導(dǎo)洞開挖地面沉降范圍達1.5倍洞徑的結(jié)論。

圖5 上斷面開挖豎向位移云圖Fig.5 Contour of vertical displacement in upper section excavation

圖6 塑性區(qū)云圖Fig.6 Contour of plasticized zone

圖7 地表縱向沉降曲線Fig.7 Curves of longitudinal settlement of ground surface

3.3.2 地表沉降橫向曲線分析

圖8為監(jiān)測點 DC01－04，DC01－05，DC01－06累積沉降量隨左掌子面勻速推進的時間變化曲線，3條曲線均有2處沉降加速區(qū)。左掌子面位于Y=92 m時，DC01－04，DC01－05，DC01－06監(jiān)測點均開始沉降，且沉降速率逐漸增大，其中DC01－04監(jiān)測點位置靠近中心線，導(dǎo)洞開挖高度較大，地表車輛荷載較活躍，且爆破震動使其沉降速率最大。當(dāng)左掌子面位于Y=80 m(監(jiān)測斷面)時，沉降曲線斜率第1次達到最大值(11.0 mm)，此后速率下降但沉降值持續(xù)增加;中導(dǎo)洞開挖至Y=80 m時，對左右導(dǎo)洞均造成二次擾動，使得沉降曲線斜率再次達到最大，沉降值為24.2 mm，沉降增加值為原來沉降值的127%。

圖8 左導(dǎo)洞地表累積沉降量隨時間變化曲線Fig.8 Time-dependent curves of accumulative ground surface settlement above left pilot tunnel

圖9為監(jiān)測點 DC01－01，DC01－02，DC01－10累積沉降量隨中掌子面勻速推進的時間變化曲線，3條曲線中只有1處速率加速區(qū)。DC01－01監(jiān)測點因左掌子面的超前影響，在中掌子面位置為Y=116 m(左掌子面Y=92 m)時開始發(fā)生沉降;右導(dǎo)洞掌子面位置為 Y=92 m(中掌子面 Y=104 m)也開始對DC01－01監(jiān)測點產(chǎn)生超前影響，加之左導(dǎo)洞掌子面恰施工至監(jiān)測斷面，因此，DC01－01監(jiān)測點沉降速率只增不減;中導(dǎo)洞掌子面位置為Y=92 m時，其超前影響對監(jiān)測點 DC01－01，DC01－02，DC01－10再次擾動，彌補了右掌子面遠離監(jiān)測斷面的沉降減少量，曲線速率幾乎不變;中掌子面達到Y(jié)=80 m時，正上方監(jiān)測點沉降速率第1次達到最大值，隨后趨于穩(wěn)定值。

圖9 中導(dǎo)洞地表累積沉降量隨時間變化曲線Fig.9 Time-dependent curves of accumulative ground surface settlement above central pilot tunnel

3.3.3 地表橫向沉降經(jīng)驗公式

根據(jù)數(shù)值模擬，結(jié)合實際監(jiān)測點沉降值，采用Origin對2組監(jiān)測值進行擬合，得到該危險截面的沉降曲線，如圖10所示。由于型鋼支撐的作用，使得曲線在型鋼支撐正上方位置處發(fā)生變化，類似于漏斗形狀的曲線。對型鋼支撐范圍內(nèi)的曲線進行擬合，得到高斯函數(shù)表達式

對型鋼支撐外側(cè)的曲線進行擬合，得到類似Peck［7－10］曲線表達式

式中:W1和W2為距離隧道模型中線x處的地面沉降值，m;Wmax為隧道模型中線處地面沉降值，m;x為距隧道中線距離，m;a，b，k為曲線擬合參數(shù);i為沉降槽寬度系數(shù);x0為型鋼支撐距隧道中線距離，m。

圖10 地表橫向監(jiān)測點沉降曲線Fig.10 Curve of transverse ground surface settlement

3.4 型鋼支撐拆除及拱蓋施作沉降分析

依據(jù)地表施工風(fēng)險源及沉降控制目標(biāo)等因素，為滿足拱蓋模板一次施作距離要求，由現(xiàn)場拆除試驗段確定拆除長度:1)跳躍式拆除型鋼支撐10 m;2)跳躍式拆除型鋼支撐12 m。

表4為不同型鋼拆除長度后拱頂實際監(jiān)測點沉降位移變化量，方案2)拱頂最大沉降增加值達7.97 mm，超過了安全報警值。因拆除段初期支護的作用類似于兩端鉸接的“簡支梁”，拆撐距離增加，導(dǎo)致“簡支梁”撓度增大，為安全起見，一次拆撐距離不宜大于10 m。

表4 拱頂沉降值Table 4 Crown settlement mm

采用拆除10 m支撐方案，分析地表橫向監(jiān)測點的沉降變化可知:監(jiān)測點DC01－01，DC01－02，DC01－03 實測沉降值分別增加了4.79，4.32，3.83 mm，分別占總沉降量的9.0%，8.9%，7.8%，相應(yīng)的模擬監(jiān)測增加值為4.32，4.08，3.64 mm，與實測值相吻合。因 DC01 －02位于型鋼支撐正上方，鋼支撐的換作屬于臨時柔性支撐向剛性永久支撐過渡。由于支護方式的剛度差異且上斷面施工時間長，鋼支撐的拆除到二次襯砌施作完成之間避免不了人為滯后，導(dǎo)致了型鋼支撐范圍處沉降增加值比其他范圍略大。由豎向沉降云圖(見圖11)可知，在開挖范圍內(nèi)拱頂沉降發(fā)展至地面，地表橫向沉降槽在開挖范圍內(nèi)漏斗形狀消失。

圖11 拱蓋施工完成及豎向沉降云圖Fig.11 Completion of arch-cover construction and contour of vertical settlement

圖12為DC01－03，DC01－05，DC01－07地表縱向系列監(jiān)測點在支撐未拆除區(qū)、支撐拆除區(qū)及拱蓋施作區(qū)沉降變化量，可知沉降增加量在支撐拆除區(qū)較拱蓋施作區(qū)大，拱蓋混凝土施作后，不能及時發(fā)揮作用，模擬中沉降繼續(xù)增加體現(xiàn)了支護效果的滯后。

圖12 支撐拆除地表縱向沉降曲線Fig.12 Curves of longitudinal settlement of ground surface after temporary support is removed

3.5 下斷面變形分析

下斷面采用放坡式梯形開挖中間巖體后開挖兩邊巖體，再施作初期支護及二次襯砌，結(jié)合實際施工情況，模擬過程中每次進尺10 m。分析地表監(jiān)測點的沉降變化可知:監(jiān)測點DC01－01，DC01－02，DC01－03的沉降值分別增加了 1.82，1.72，1.48 mm，分別占總沉降量的3.4%，3.5%，3.0%。分析其余監(jiān)測點的沉降值增量發(fā)現(xiàn)，沉降變化量基本在2 mm左右，即下斷面的施工對地表及拱頂沉降貢獻值較小，沉降量占總沉降量的3%～4%。因為拱蓋施作完成后，拱腳立于較完整的圍巖上，托梁下部的灌注樁將荷載穩(wěn)定地傳遞到基巖上，使拱蓋發(fā)揮了較好的圍巖支撐能力，對下部施工起到了保護作用。下斷面施工及豎向沉降云圖如圖13所示。

圖13 下斷面施工及豎向沉降云圖Fig.13 Construction of lower section and contour of vertical settlement

4 關(guān)鍵施工對策

中導(dǎo)洞開挖和臨時支撐拆除是導(dǎo)致沉降的關(guān)鍵施工步序，針對關(guān)鍵工序提出具體可行的支護措施是控制地表沉降的核心，提出以下施工策略:

1)中導(dǎo)洞應(yīng)分三臺階采用雙楔形掏槽方式爆破開挖，為確保鉆爆施工所產(chǎn)生的地震效應(yīng)不影響周圍環(huán)境，在鉆爆初期，每炮必進行爆破振速監(jiān)測，以反饋信息，及時調(diào)整鉆爆參數(shù)，減輕地面振動，控制地面沉降。開挖中嚴格控制超挖，并及時噴射混凝土封閉圍巖，由于噴層與巖壁密貼，能有效避免裂隙中的超前注漿流失，防止圍巖強度降低;此外，將噴射混凝土漿液灌入張開的裂隙或節(jié)理中，起到膠結(jié)和加固作用，提高圍巖強度。

2)臨時型鋼支撐拆除換作拱蓋二次襯砌時要嚴格控制每次拆撐長度，并在拆除段逐榀布設(shè)沉降觀測點。為防止連續(xù)拆撐導(dǎo)致過大沉降，縮短“簡支梁”長度，應(yīng)跳躍式拆除，拆除順序如圖14所示。首先拆除1號支撐，進行沉降觀測，若24 h內(nèi)無明顯沉降，方可繼續(xù)拆除2號支撐，繼續(xù)進行沉降觀測24 h，如無變化則繼續(xù)拆除3號側(cè)壁支撐，依次拆除4，5，6，7號側(cè)壁臨時支撐。拆除過程中及時測量沉降變化值，反饋施工，調(diào)整施工方案。

圖14 型鋼支撐拆除順序Fig.14 Dismantling sequence of steel supports

3)下斷面開挖兩側(cè)巖體時，為了減小對灌注樁的擾動，使其穩(wěn)定地傳遞荷載到穩(wěn)定基巖上，在靠近灌注樁部位采用松動爆破，確保灌注樁不受擾動，以減小圍巖的塑性區(qū)范圍。根據(jù)樁的類型，A，B型樁基均打設(shè)1根1×7型φ15.2低松弛預(yù)應(yīng)力鋼鉸線錨索，C，D型樁基均打設(shè)2根同樣型號錨索。由于預(yù)應(yīng)力錨索的作用，使得灌注樁在穩(wěn)定性上有了改善，增加了荷載穩(wěn)定傳遞系數(shù)。

5 結(jié)論與建議

綜上所述，可以得出以下結(jié)論:

1)針對青島地鐵3號線中山公園車站的特殊地質(zhì)條件，結(jié)合特殊步序順序下的拱蓋法施工，根據(jù)地表縱向沉降規(guī)律，得到了掌子面超變形范圍為12 m。

2)在左中右導(dǎo)洞均錯開12 m平行施工形式下，結(jié)合地表橫向沉降規(guī)律，得出了左導(dǎo)洞開挖后，中導(dǎo)洞推進對左右導(dǎo)洞地表沉降仍有影響，會造成二次擾動。

3)暗挖施工涉及多工序、多環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換，工序間相互影響，使得中導(dǎo)洞正上方監(jiān)測點也受左右導(dǎo)洞開挖影響，使沉降曲線與左導(dǎo)洞地表沉降規(guī)律不同，應(yīng)對地表勤量測，保證周圍構(gòu)筑物的安全。

4)由上斷面開挖云圖推斷地表沉降范圍約為1.5倍洞徑，并提取了工程危險斷面的地表沉降經(jīng)驗公式。

5)分析3階段施工對地表沉降貢獻值，可知中導(dǎo)洞施工、柔性支撐換作拱蓋二次襯砌是引起地面沉降的關(guān)鍵因素。

綜合沉降規(guī)律及模擬結(jié)果，提出以下建議:

1)拱蓋法工藝能較好地使用在上軟下硬地層中的大跨隧道開挖施工，要加強測量，針對不同階段下地表沉降值的模擬和監(jiān)測結(jié)果，及時采取有針對性的措施。

2)為有效保證塊石空隙的密實，提高拱頂上部碎裂圍巖的穩(wěn)定性，保證掘進和襯砌受力的安全，采用大坍落度混凝土灌漿填縫，并對不密實處打孔注漿，且超前注漿孔要堵塞密實，注漿結(jié)束4 h后方可進行掌子面的開挖并及時封閉開挖面。必要時在導(dǎo)洞內(nèi)施作徑向注漿管，在開挖輪廓外形成加固圈和隔水層。

3)多導(dǎo)洞開挖的大跨隧道中，合理優(yōu)化導(dǎo)洞開挖順序及開挖錯距，有效組織各工序的無縫銜接，中導(dǎo)洞的開挖是沉降控制的關(guān)鍵步序。開挖時采取減少循環(huán)進尺，并分三臺階采用雙楔形掏槽方式爆破施工，減少段裝藥量，嚴格控制爆破震速，可有效地控制地層沉降。

4)根據(jù)監(jiān)測反饋值確定型鋼支撐的施作時機和拆除方案，采取跳躍式對稱拆除，一次拆除距離不超過10 m;拆撐之前在鋼格柵連接處打設(shè)脹殼式錨桿，施加一定預(yù)應(yīng)力以取代一部分支撐作用力，達到“以錨代撐”的效果;及時測量沉降變化值，重新反演計算模型，為調(diào)整施工方案提供信息。

5)為了增強灌注樁的穩(wěn)定性，施作樁身預(yù)應(yīng)力錨索，因樁錨組合具有較強整體的穩(wěn)定性，故能確保將拱腳處的荷載穩(wěn)定地傳遞至基巖，大大提高了安全系數(shù)。

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