疊合初支拱蓋法在巖溶地區(qū)的應用分析

□文 /張增峰

隨著城市軌道交通大規(guī)模興起，地鐵車站多修建于建筑物和地下管線密集、交通繁忙的城市中心。為避免地下管線的多次改遷，減少對城市中心交通的干擾，車站一般采用暗挖法施工。目前，暗挖車站常用的施工方法有“側(cè)洞法”、“中洞法”、“雙側(cè)壁導坑法”、“拱蓋法”、“PBA法”等，其中拱蓋法是在明挖法、蓋挖法和洞樁法（PBA）基礎(chǔ)上創(chuàng)建的一種新的暗挖工法。拱蓋法因其工序較少，能有效控制地面沉降變形，拱蓋形成后施工效率高等方面的優(yōu)勢，適合應用在上部為全、中風化，下層為微風化的“上軟下硬”地層中，目前已在青島、大連等地區(qū)廣泛使用。貴陽市軌道交通3號線一期工程沿線水文地質(zhì)環(huán)境復雜，地表覆蓋第四系軟弱層，厚度約為10～15 m，下面分布不同風化程度的白云巖及灰?guī)r，地下水主要賦存與基巖風化裂隙中。暗挖車站覆土厚度一般在7～12 m左右，結(jié)構(gòu)主要埋置于強、中風化白云巖中，車站主體拱部接近土巖分界面處，主體結(jié)構(gòu)需爆破開挖。

1 工程概況

擬建車站為貴陽市軌道交通3號線一期工程中間站，位于北京西路與棗山路十字交叉路口下方，沿棗山路呈南北向布置，為地下二層島式車站，見圖1。

圖1 車站總平面

車站標準段凈寬19.3 m，拱頂覆土8.4～11.0 m，為單拱單跨框架結(jié)構(gòu)。

1.1 地質(zhì)及水文情況

站址處屬巖溶槽谷地貌，現(xiàn)狀為硬化路面，地面標高1 171.0～1 174.6 m，相對高差0～3.6 m，地勢總體呈北高南低狀，周邊既有建筑物較多，多為商用及民用住宅樓，既有棗山路車流量大。站址范圍內(nèi)自上而下分別為人工澆筑混凝土瀝青路面、硬塑狀紅粘土、中風化白云巖。車站拱蓋主要穿越硬塑狀紅粘土、中風化白云巖。地下水類型主要有上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、巖溶水。上層滯水主要賦存于人工填土中，水量微弱，透水性微，富水性貧乏；第四系松散巖類孔隙水主要賦存于第四系松散覆蓋層中，富水性弱；巖溶水主要賦存于碳酸鹽巖溶裂隙、管道、溶洞之中，地下水豐富，地下水分布規(guī)律性較差，無統(tǒng)一地下水位，在構(gòu)造發(fā)育地段地下水尤富集且局部為巖溶承壓水，富水性強至中等。

1.2 拱蓋法的斷面設(shè)計

車站主體為單拱單跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土，復合式襯砌結(jié)構(gòu)，車站二襯凈跨19.3 m，疊合拱蓋凈跨20.9 m，初支結(jié)構(gòu)厚350 mm，拱頂處加強初支厚500 mm，拱腳處加強初支（大拱腳）厚1 500 mm；二襯拱頂及側(cè)墻厚800 mm，底板厚1 000 mm。見圖2。

圖2 車站結(jié)構(gòu)橫斷面

1.3 拱蓋的支護措施

初支拱蓋采用超前小導管+拱部大管棚+雙層格柵網(wǎng)噴的綜合支護體系，加強拱蓋采用厚500～1 500 mmC30鋼筋混凝土，保證拱部支撐拆除后疊合拱蓋的整體受力性能。見表1。

表1 拱蓋結(jié)構(gòu)支護參數(shù)

1.4 拱蓋的關(guān)鍵施工步序

疊合初支拱蓋主要施工順序見圖3。

圖3 疊合拱蓋關(guān)鍵施工步序

1）拱部打設(shè)超前小導管+大管棚并對地層進行注漿加固。

2）單拱拱蓋分導洞開挖，拱部左、右側(cè)兩個導洞先行開挖并施做初期支護。

3）開挖中導洞土體，施做初期支護并架設(shè)臨時支撐，以此向前循環(huán)施作。

4）架設(shè)加強初支鋼架并澆筑加強初支模筑混凝土，以此向前循環(huán)施作，最后拆除臨時支撐。

車站一般采用鉆爆法施工。車站拱部主要位于強風化、溶洞發(fā)育或可塑紅粘土中，圍巖較軟弱且開挖跨度大，因此上半斷面采用雙側(cè)壁導坑法施工，設(shè)四道豎向支撐起減跨作用，使初期支護結(jié)構(gòu)受力更合理。

下部圍巖為完整性較好的中風化白云巖，模筑加強初支拱蓋，將拱腳架設(shè)于完整的巖石上，形成可靠的支撐結(jié)構(gòu)。待疊合初支拱蓋混凝土達到設(shè)計強度拆除豎向支撐，進行下部開挖。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

計算采用ANSYS進行三維數(shù)值模擬分析，考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用、分步施工過程。計算模型左右水平計算范圍取不小于車站跨度的3倍，垂直計算范圍向上取至地表，向下取隧道高度的3倍，模型尺寸為101 m×48.5 m，隧道埋深為10.5 m。計算結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 三維有限元計算模型

2.2 參數(shù)選擇

隧道圍巖本構(gòu)模型采用Drucker－Prager(DP)模型，以考慮圍巖的非線性變形。初支拱蓋、加強拱蓋均采用彈塑性各向同性材料模擬。大管棚支護和超前小導管注漿采用實體單元，等效為注漿加固體。

土層參數(shù)見表2。

表2 土層參數(shù)

2.3 模擬過程

模擬拱部導洞開挖及拱蓋施工引起地面沉降情況，計算過程按照實際施工過程模擬，先施工拱部1～5號導洞及其初襯結(jié)構(gòu)，后施工加強拱蓋并拆除豎向臨時支撐。

計算不考慮地面荷載，只考慮車站初支拱蓋及加強拱蓋施工階段引起的附加位移。

主要分3個工況進行分析。

1）工況1：初始地應力計算，位移清零。

2）工況2：模擬打設(shè)超前支護加固地層，開挖導洞、架設(shè)格柵鋼架及臨時支撐并噴射混凝土形成初支拱蓋。

3）工況3：施工加強初支拱蓋，待加強拱蓋組裝后拆裝臨時支撐，初支拱蓋和加強拱蓋形成疊合結(jié)構(gòu)共同受力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 初支拱蓋開挖沉降分析

1）工況2：拱蓋導洞開挖、初支襯砌結(jié)構(gòu)施工完成后地層變形見圖5。

圖5 初支拱蓋施工引起周邊變形

初支拱蓋貫通并噴射混凝土后地表沉降值為42 mm。

2）工況3：加強拱蓋形成并支撐拆除后地層變形見圖6。

圖6 加強拱蓋施工引起周邊變形

加強拱蓋施工完成后地表附加沉降值為9mm。

3）地表沉降主要發(fā)生在初支拱蓋導洞開挖階段；待加強拱蓋施工完成并臨時支撐拆除后，新增地表沉降較小。在保證加強拱蓋施工質(zhì)量的前提下，初支拱蓋與加強拱蓋形成的疊合結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，可以確保支撐拆除后洞內(nèi)穩(wěn)定并有效地控制地面沉降的繼續(xù)發(fā)展。

3.2 初支拱蓋受力分析

拱蓋導洞開挖、初支襯砌結(jié)構(gòu)施工完成后初支結(jié)構(gòu)等效應力見圖7。

圖7 初支拱蓋等效應力

為研究初支拱蓋的力學特性，給出拱腳、拱腰、拱頂?shù)任恢贸踔ЫY(jié)構(gòu)的彎矩、軸力、截面厚度等計算結(jié)果，截面位置及編號見圖8。

圖8 初支拱蓋內(nèi)力分析截面位置

表3為初支拱蓋各位置每延米的彎矩、軸力計算結(jié)果。

表3 初支拱蓋截面內(nèi)力參數(shù)

①～⑤號導洞開挖，初支拱蓋選用格柵鋼架，間距500 mm，每榀鋼架內(nèi)外側(cè)均配置2根28 mm鋼筋，實際初支拱蓋襯砌每延米實配鋼筋As=As'=2 463 mm2。根據(jù)初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果，初支拱蓋襯砌結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。但初支拱蓋格柵接頭應盡量避開彎矩較大處，如圖 8 中位置 1、2、6、7、9 處。

大跨度初支拱蓋采用雙側(cè)壁導坑法施工。開挖前做好大管棚及小導管超前支護，拱部注漿隨挖隨注、支護及時跟進，各洞室封閉成環(huán)后風險可控。初支導洞數(shù)量可根據(jù)拱蓋所在圍巖條件適當調(diào)整，若上部圍巖強度較高、完整性好，可將導洞調(diào)整為4個，加快拱蓋施工進度。

3.3 疊合拱蓋受力分析

加強拱蓋施工完成并達到設(shè)計強度時，拆除豎向臨時支撐，上部荷載由疊合拱蓋承擔并將荷載由拱腳傳遞至下部圍巖，該工序為疊合初支拱蓋法成功與否的關(guān)鍵。

為研究疊合拱蓋的力學特性，給出拱腳、拱腰、拱頂?shù)任恢茂B合拱蓋的彎矩、軸力、截面厚度等計算結(jié)果參數(shù)，截面位置及編號見圖9。

圖9 疊合拱蓋內(nèi)力分析截面位置

表4為疊合拱蓋各位置每延米的彎矩、軸力計算結(jié)果。

表4 疊合拱蓋截面內(nèi)力參數(shù)

由表4可以看出，疊合初支拱蓋最不利斷面主要為拱腰（截面2）和拱頂（截面9）處。

疊合初支拱蓋法，初支拱蓋與模筑加強拱蓋共同受力。在拱蓋臨時支撐拆除后，截面2迎土側(cè)受拉，初支拱蓋襯砌每延米實配受拉鋼筋As=2×2 463=4 926 mm2（拱蓋初支格柵全部受拉），滿足設(shè)計要求。截面9背土側(cè)受拉，加強拱蓋設(shè)置工25b型鋼，型鋼間距500 mm，加強拱蓋實配受拉型鋼面積As=9 700 mm2，滿足設(shè)計要求。加強拱蓋型鋼鋼架接頭應盡量避開彎矩較大處，如圖 9 中位置 1、2、8、9 處。

初支拱蓋采用噴射混凝土，表面粗糙，可增加初支背后注漿管伸出長度，保證界面兩側(cè)混凝土共同承載。

3.4 疊合拱蓋拱腳處分析

根據(jù)詳勘報告可知，拱蓋及拱蓋下伏巖性為白云巖，地下巖溶形態(tài)主要為溶洞、溶孔，鉆孔遇洞率為50%，充填率為93.6%，充填物為流塑～軟塑狀粘土，多為半填充，局部為全填充，極個別為空洞，屬于巖溶強烈發(fā)育區(qū)。

圖10為疊合拱蓋施工完成，臨時支撐拆除后圍巖應力。

圖10 疊合拱蓋圍巖應力

疊合拱蓋拱腳下覆圍巖最大壓應力為1.14 MPa，中風化白云巖飽和抗壓強度為30.2～89.5 MPa，滿足設(shè)計要求。但開挖過程中應保護拱腳下方巖體，若開挖過程中拱腳處局部發(fā)現(xiàn)軟過巖層或出現(xiàn)溶洞，應及時進行注漿加固或混凝土換填，確保下部圍巖強度滿足設(shè)計要求。

出露于拱腳的溶洞，在拱腳施工前，應清除填充物，自下而上以干砌片石、C15片石混凝土回填，最后采用注漿小導管進行注漿加固處理。

4 結(jié)論

1）雙側(cè)壁導坑法施工拱蓋，施工常采用鉆爆法開挖，對周邊圍巖擾動較大，導致地面沉降往往比有限元計算結(jié)果大。實際施工過程中，應保證初支盡快封閉成環(huán)，減小地層應力釋放率，初支拱蓋施工過程中沉降可控。

2）車站初支拱蓋開挖跨度大，拱部采用雙側(cè)壁導坑法開挖，設(shè)置了四道豎向支撐，施工快封閉，初支拱蓋襯砌受力也更為合理。但拱蓋分導洞越多，導洞間錯開距離越多，大型機械施工空間小，相應降低了施工效率。

3）拆除支撐后，疊合拱蓋的剛度大，地面沉降量滿足設(shè)計要求。疊合拱蓋在拱腰和拱頂?shù)缺∪跷恢锰帒獪p少格柵及型鋼鋼架接頭。

4）減少拱腳處的圍巖擾動，若遇巖溶或圍巖破碎，需增設(shè)注漿錨桿注漿加固拱腳處圍巖。疊合拱蓋形成后拱腳底部圍巖塑性屈服范圍過大，導致拱蓋沉降過大，甚至危及整個拱蓋結(jié)構(gòu)的安全。

5）疊合初支拱蓋對施工單位的施工水平要求較高，加強初支拱蓋宜分導洞用模板臺車整體澆筑，方便高效的施工方法。