塌方地鐵車站的后續(xù)施工方案研究

王　鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安　710043)

?

塌方地鐵車站的后續(xù)施工方案研究

王鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安710043)

摘要：暗挖地鐵車站斷面較大,通常埋深較淺,施工時常發(fā)生塌方事故,且塌方縱向影響長度多達數(shù)十米。為提高塌方后續(xù)施工的安全性,結合塌方事故實例,利用風險分析和有限元計算方法,并結合現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù),研究塌方事故影響段后續(xù)施工問題。研究結果表明：在后續(xù)施工中采用雙側壁導坑法安全可靠, “變大跨為小跨”有效控制后續(xù)施工引起的變形；從施工工法、支護措施及施工工藝等多方面制定措施,改善巖體物理性能,提高支護體系和圍巖承載能力,有效控制后續(xù)施工風險。

關鍵詞：地鐵車站；塌方；后續(xù)施工；初期支護；二次襯砌；監(jiān)控量測

1概述

隨著地鐵建設快速發(fā)展，暗挖法車站得到了空前發(fā)展，但是受地質條件、施工技術、管理水平等多因素影響，隧道建設中塌方事故時有發(fā)生[1]，且事故影響段縱向長度多達數(shù)十米。因此，如何科學、合理地進行塌方事故影響段后續(xù)施工方案的設計，以期充分利用既有工程、并解決施工安全及周邊建筑物安全，已成為一個關鍵性問題。

結合重慶軌道交通某車站塌方事故實例，通過對風險分析，從施工工法、支護措施及施工工藝等方面制定對策，進行塌方事故影響段后續(xù)施工方案研究；并利用有限元模擬計算、理論分析及現(xiàn)場監(jiān)控量測等方法，論證了重慶地區(qū)及類似的地層采用本文所述的工法施工安全可行。

2工程背景

2.1　工程概況

該車站位于步行街下，周邊交通便捷、商業(yè)發(fā)達，有成片的住宅區(qū)，臨近有某大廈(4/-1F～20/-2F)等高層建筑。該站為暗挖雙層島式車站，采用單拱雙層結構形式，最大開挖斷面寬23.16 m，高18.34 m，車站斷面367 m2。車站總長179 m，拱頂覆土厚約20 m，復合式TBM掘進過站，設計采用雙側壁導坑法施工。

2.2　地質概況

車站位于北碚向斜西翼，沿線分布的地層為第四系全新統(tǒng)及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組地層，地質橫斷面如圖1所示，其巖體物理力學參數(shù)如表1所示。車站所處地層主要為中等風化砂質泥巖，巖層傾向120°～130°，傾角40°～50°，主要發(fā)育兩組構造裂隙；巖體完整性0.68～0.78，圍巖級別判定為Ⅳ級；地下水不甚發(fā)育，主要為松散層孔隙水以及基巖裂隙水，受大氣降水以及城市給排水管網滲漏水補給，涌水量較小，水文地質條件較好。

圖1　地質橫斷面

2.3　塌方與加固簡介

由文獻[2]可知，在施工過程中，由于未嚴格按照原設計的雙側壁導坑法預留核心土(圖2)，開挖導洞跨度過大，導致斷面矢跨比嚴重不合理，先后發(fā)生3次塌方事故；最后一次塌方出現(xiàn)在已完成支護的Ⅰ部右側，導致初期支護鋼架完全損壞、導洞中斷、裂隙擴張、滲水量增大，且多處初期支護出現(xiàn)環(huán)向裂縫。通過“先回填再開挖”的塌腔處理和“組合鋼管混凝土柱+型鋼支撐”的塌方事故影響段整體加固(圖3)后，塌方勢態(tài)得到有效控制，拱頂及地表沉降呈現(xiàn)收斂趨勢，車站趨于穩(wěn)定。

表1　巖體物理力學指標

圖2　施工現(xiàn)場開挖步序

圖3　塌方事故影響段整體加固示意

3后續(xù)施工風險分析與對策

3.1　風險分析

經過上述塌方治理后車站基本穩(wěn)定，但后續(xù)施工擾動勢必打破其平衡狀態(tài)，造成應力重新分布，后續(xù)施工方案倍受設計及參建各方關注。后續(xù)主要施工風險如下：

(1)初支背后空洞較多，搶險加固期間累計注入水泥漿1 000 m3，且初支表面滲水點較多；

(2)拱腳位置多為虛渣或者懸空，且多處未見鎖腳錨桿；

(3)后續(xù)施工中，上部支撐體系存在失穩(wěn)的可能；

(4)車站上覆巖層較薄、素填土較厚，且受上半斷面施工多次擾動；

(5)存在陡傾巖層，且其臨近上方有多幢高層建筑。

3.2　應對措施

通過對原初期支護變形分析，并以滿足地鐵車站結構安全和功能為前提，從施工工法、支護措施及施工工藝等方面制定相應對策如下。

3.2.1工法控制

為降低風險、避免發(fā)生二次事故，參建各方一致認為必須對因塌方受損和存在施工質量問題的結構進行加固。后續(xù)施工應堅持原設計的“變大跨為小跨”[3-4]，采用雙側壁導坑法[5-7]施工，具體方案如圖4所示。

(1)恢復核心土受力，進行上半斷面加固、初支背后注漿，并完成地表注漿加固；

(2)施作初支加強層，完成上半斷面換撐；

(3)開挖左線(陡傾巖層上方)側上臺階土體，及時施作初支，封閉成環(huán)，并采用砂袋臨時回填破除管片剩余部分；

(4)開挖左線側下臺階土體，及時施作初支，封閉成環(huán)；

(5)同樣分上、下臺階開挖右線側土體，及時施作初支，封閉成環(huán)；

(6)施作首段仰拱，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況采用如下方式處理：臨時支撐及鋼架的應力在合理范圍內且核心土兩側受力比較均衡時，按步驟(7)、(11)、(12)施作，否則按步驟(8)、(9)、(10)、(11)、(12)施作；

(7)分段拆除臨時支撐，保留下部核心土，拼裝整體臺車，施作二襯；

(8)利用小模板施作側墻二襯，及時架設臨時支撐；

(9)同(8)施作拱腰部分二襯，及時架設臨時支撐；

(10)同(8)施作拱頂部分二襯；

(11)分段、跳段拆除核心土，澆筑仰供；

(12)施作內部結構。

圖4　車站后續(xù)施工工序

3.2.2支護措施

在蒸汽保護熱處理的情況下，毛白楊不一樣的熱處理時間得到了不一樣的粗糙度數(shù)據(jù)和圖片，結合圖7可知，在微觀形貌上，將未處理材與熱處理2 h、4 h比較，發(fā)現(xiàn)隨熱處理時間增加，樣品表面大而深的溝槽及表面木毛明顯減少，起伏狀況明顯減弱，同時附著物逐漸減少，其間的間隙、孔洞也逐漸變小，樣品表面趨于光滑平整。但1 h樣品因為短時間的熱處理，導致其表面出現(xiàn)了較明顯的開裂，故其表面比未處理樣品還要粗糙。

鑒于塌方引起支護體系發(fā)生大變形，且存在諸多施工質量問題，現(xiàn)狀初支剛度較原設計嚴重削弱；車站后續(xù)施工需采取補強措施，改善巖體物理性能[8-9]，提高承載能力。根據(jù)工程類比，并結合風險分析，擬采用補做初支加強層的復合式襯砌，設計方案如下：

(1)在原初期支護鋼架之間架立格柵鋼架、噴射混凝土進行初支補強，并確保平順；

(2)通過地表注漿加固填土層，填充上半斷面施工時產生的圍巖裂隙，減小地表沉降；

(3)采用GM51自進式鎖腳錨桿，加強拱腳支護；

(4)采用φ32 mm自進式系統(tǒng)錨桿，減少對圍巖擾動；

(5)采用φ22 mm對拉錨桿，加固核心土；

(6)雙層φ8@200 mm×200 mm鋼筋網；

(7)750 mm厚C40模筑鋼筋混凝土(拱腳加厚)。

為確保車站后續(xù)施工安全和周邊建筑物安全，除加強支護和嚴格按照工法施工外，還應加強施工工藝控制，提高施工質量。主要包括：

(1)嚴格控制各掌子面之間的距離，上下臺階之間3～5 m，左右平行臺階5～10 m；

(2)加快初支閉合，減少其臨空時間；并加強初期支護、二襯背后注漿，確保其背后密實；

(3)開挖暴露圍巖結構面明顯，且?guī)r層又大角度向隧道內傾斜，可視監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，在傾向隧道一側增設局部長錨桿，與主結構面大角度布設；當主結構面不明顯時，錨桿可與隧道周邊輪廓垂直布置；

(4)采用機械開挖+控制爆破，嚴格控制爆破振動速度和循環(huán)進尺；

(5)嚴格控制臨時支撐每次拆除長度，視現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)適時調整；

(6)加強監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)控量測及施工觀測等數(shù)據(jù)及時調整施工方法及支護參數(shù)。

4模擬計算及分析

4.1　施工階段模擬計算4.1.1　模型的建立

支護參數(shù)如表2所示。

計算中采用自重生成初始地應力場，不考慮地下水的影響；注漿加固采用提高其加固范圍內的地層參

數(shù)來等效模擬；噴射混凝土采用實體單元模擬，鋼拱架剛度等效為噴射混凝土[10]；其余支護措施均視作安全儲備，暫不考慮。

表2　支護參數(shù)

采用Midas-GTS有限元分析軟件，取地面以下80 m，寬度160 m范圍建立平面“地層-結構”計算模型，模擬后續(xù)施工工況，分析后續(xù)施工引起的變形與內力。計算模型的側面、下部邊界分別受到水平、豎向位移約束，如圖5所示。

圖5　“地層-結構”計算模型與網格劃分

4.1.2計算結果

通過模擬計算得到各分步開挖步驟的應力、位移情況，主要施工步驟計算結果見圖6～圖8。

由圖6可知，X向最大負位移出現(xiàn)在左線側拱肩，為-1.3 mm；最大正位移出現(xiàn)在對應的右線側拱肩，為0.7 mm；洞周水平相對收斂小于《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003—2005)中規(guī)定的允許值1.1×(0.10%～0.30%)D=25.48～76.43 mm。其中，D為隧道毛洞跨度，取23.16 m。

圖6　X方向位移

由圖7可知，Z方向最大負位移出現(xiàn)在拱頂，為-6.4 mm；最大正位移出現(xiàn)在仰拱，為5.6 mm；均小于《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003—2005)中規(guī)定的初期支護的允許拱頂下沉值(0.06%～0.10%)H=11.0～18.34 mm。其中，H為隧道毛洞高度，取18.34 m。

圖7　Z方向位移

由圖8可知，最大壓應力出現(xiàn)在拱腰，為-2 008.0 kPa，小于砂質泥巖的飽和抗壓強度6.1 MPa；最大拉應力出現(xiàn)在仰拱，為35.0 kPa，小于砂質泥巖的抗拉強度168 kPa。

圖8　Z方向應力

4.1.3初期支護驗算

從模擬計算結果中提取初支內力，并按“破損階段”法進行其截面強度驗算。通過工程類比及理論驗算，初期支護加強層采用厚350 mm C25早強混凝土，其強度安全系數(shù)滿足《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003—2005)表11.1.1-2規(guī)定的“主要荷載+附加荷載”取值要求。

4.2　二次襯砌計算

考慮塌方影響，二次襯砌計算時降低圍巖級別，即圍巖級別取V級。利用有限元軟件，采用“荷載-結構”模型平面桿系有限單元法，選取最不利位置進行二次襯砌計算。

4.2.1計算荷載

根據(jù)車站結構形式、受力條件、地質條件等因素，其主要荷載包括：結構自重、地層壓力、水壓力及浮力、地面車輛荷載、施工荷載及地鐵車輛荷載及其動力作用、地震、人防等，并根據(jù)可能出現(xiàn)的最不利組合進行計算。通過計算得地層壓力、水壓力及浮力、超載及房屋荷載，荷載如圖9所示。

圖9　計算模型及荷載分布

4.2.2計算模型

假定襯砌為小變形彈性梁，并離散為足夠多個等厚度直桿梁單元；用布置于各節(jié)點上的彈簧單元模擬圍巖與初期支護、襯砌的相互約束；假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖與支護結構的黏結力，彈簧受壓時的反力即為圍巖對襯砌的彈性抗力；假定初期支護與二次襯砌只傳遞徑向壓力。二次襯砌按主要承載結構設計，承受使用期的全部荷載，其計算模型如圖9所示。

4.2.3計算結果

通過計算得到不同工況下二次襯砌的內力如圖10所示。

圖10　二次襯砌內力

4.2.4結果分析

取有水、無水組合下內力包絡圖進行二次襯砌安全系數(shù)與裂縫驗算，結果如表3、表4所示。

表3　裂縫寬度驗算結果

表4　安全系數(shù)驗算結果

經過計算并結合重慶軌道交通的經驗，二次襯砌采用厚度750 mm C40模筑鋼筋混凝土(拱腳加厚)安全可靠，配筋結果為：內、外側φ25 mm@125 mm。

5工程實施效果

在施工過程中，對地表沉降、建(構)筑物沉降及傾斜、拱頂沉降、水平收斂、底部隆起以及圍巖壓力等監(jiān)測。圖11數(shù)據(jù)表明：車站變形趨于收斂，即采取的控制措施有效地控制了車站變形。

圖11　施工過程監(jiān)控量測曲線

目前該車站已通車試運營，車站結構及周邊建筑物均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6結論

以重慶軌道交通某車站塌方事故為背景，通過后續(xù)施工風險與對策研究，結合有限元分析、理論計算及工程實施效果分析，主要得到以下結論：

(1)在塌方事故影響段的后續(xù)施工中采用雙側壁導坑法安全可靠，“變大跨為小跨”有效地控制后續(xù)施工引起的變形；

(2)采用格柵鋼架+噴射混凝土的加強層進行初期支護補強，提高了支護體系承載能力；

(3)地表注漿改善了巖體物理參數(shù)，亦提高了圍巖自身承載能力；

(4)從施工工法、支護措施及施工工藝等多方面制定措施，有效地控制了后續(xù)施工風險，確保了車站施工安全及周邊建筑物的正常使用。

參考文獻：

[1]李鳳偉，杜修力，張明聚.地鐵工程建設施工事故統(tǒng)計分析[J].地下空間與工程學報，2014，10(2)：474-479.

[2]曹偉.單拱大跨淺埋暗挖車站塌方原因分析及治理[J].鐵道建筑，2013(12)：58-61.

[3]施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].西安：陜西科學技術出版社，2006.

[4]劉釗，佘才高，周振強.地鐵工程設計與施工[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50517—2003地鐵設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005.

[7]中華人民共和國鐵道部.TB10204—2002 J163—2002鐵路隧道施工規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2002.

[8]許占良.板巖地層超大斷面隧道塌方處理對策[J].鐵道標準設計，2013(3)：102-106.

[9]譚準，向浩東.軟巖偏壓鐵路隧道大變形處治施工技術[J].鐵道標準設計，2013(4)：69-72.

[10]王立新.重慶地鐵某暗挖車站設計方法及安全性分析[J].地下空間與工程學報，2012，8(4)：857-862.

Study on Subsequent Construction after Metro Station CollapseWANG Peng

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Characterized by bigger section and shallower coverage, the mined metro station often collapses during construction, and the longitudinal length influenced is as long as dozens of meters. To improve the safety of subsequent construction, this paper studies the construction after collapse based on collapse cases and with risk analysis, finite element algorithm and data of site monitoring and measurement The study results show that double side-wall pilot tunnel method is safe and reliable in the post-collapse construction. Furthermore, the method of“dividing large span into smaller ones” proves to be effective to control the deformation during subsequent construction. It is also demonstrated that the subsequent construction risk can be effectively reduced with multiple measures in terms of construction methods, support systems and construction techniques; the physical properties of rock, as well as the bearing capacity of support systems and surrounding rock are improved.

Key words：Metro station; Collapse; Subsequent construction; Initial support; Secondary lining; Monitoring and measurement

中圖分類號：U231+.4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.024

文章編號：1004-2954(2016)02-0113-06

作者簡介：王鵬(1971—)，男，高級工程師，工學碩士，E-mail：rocwangp@163.com。

收稿日期：2015-03-24