重慶地區(qū)層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工工法比選*

張國(guó)華 陳海勇 鄧 昆 童建軍 馬興葉

(1. 中鐵開(kāi)發(fā)投資有限公司， 650118， 昆明； 2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 410008， 長(zhǎng)沙；3. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 610031， 成都//第一作者，高級(jí)工程師)

目前，城市地鐵暗挖車站施工主要采用的工法包括雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD(中隔墻)法、CRD(中隔墻加臺(tái)階)法、洞樁法和拱蓋法等。每種工法在開(kāi)挖原理、適用環(huán)境及車站結(jié)構(gòu)型式等方面的應(yīng)用不盡相同，且在環(huán)境影響、造價(jià)和工期上存在較大區(qū)別。針對(duì)重慶地區(qū)層狀巖地層，探索出一種經(jīng)濟(jì)適用的施工工法——雙層疊合初支拱蓋法。該施工工法作為全新的工法，在層狀巖地層中的適應(yīng)性仍未能明確，且各施工工法的關(guān)鍵性指標(biāo)差異亦很大。

本文根據(jù)重慶地區(qū)的地質(zhì)條件，并依托工程實(shí)際情況，著重分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙層疊合初支拱蓋法的適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性。為方便對(duì)比分析不同施工工法的效果，對(duì)雙層疊合初支拱蓋法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及CRD法進(jìn)行了數(shù)值模擬及工程實(shí)際對(duì)比分析。結(jié)論可為重慶地區(qū)層狀巖地層暗挖車站施工工法的合理選擇提供參考。

1 層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站的施工工法

基于重慶地區(qū)層狀巖地層的特殊地質(zhì)條件、車站結(jié)構(gòu)型式和受力特點(diǎn)，依托工程實(shí)際情況，統(tǒng)計(jì)分析了該地區(qū)在建及已建地鐵車站的施工工法，模擬計(jì)算了雙層疊合初支拱蓋法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法3種不同暗挖車站施工工法。各施工工法示意如圖1所示。

圖1 重慶地區(qū)層狀巖地層各施工工法示意圖

2 層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工工法數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

基于地層-結(jié)構(gòu)模型，采用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)斷面如圖2～3所示。依據(jù)重慶地區(qū)層狀巖地層地勘和設(shè)計(jì)資料，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量進(jìn)行等效處理，對(duì)錨桿加固區(qū)圍巖的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化提高。圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 雙層疊合初支拱蓋法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法計(jì)算模型

圖3 CRD法計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)斷面示意圖

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 位移分析

圖4～6為3種施工工法下的位移云圖。由圖4～6可知，雙層疊合初支拱蓋法中隧道的最大豎向位移位于拱頂部位，拱頂向下沉降值為7.75 mm，地表最大沉降值為5.18 m；隧道水平位移最大值位于大拱腳位置，位移呈洞周向外擴(kuò)張趨勢(shì)，最大擴(kuò)張值為4.01 mm。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與雙層疊合初支拱蓋法的豎向位移變化形態(tài)類似，最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂，其沉降值為6.63 mm，地表沉降值為4.37 mm；而在水平位移方面，雙層疊合初支拱蓋法則呈現(xiàn)與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法不同的位移形態(tài)，洞周出現(xiàn)向內(nèi)收斂的位移，最大值位于右側(cè)墻角位置，洞周最大收斂值為5.18 mm；而CRD法拱頂最大豎向位移為11.4 mm，地表沉降最大值為7.98 mm，其洞周亦呈現(xiàn)收斂形態(tài)，但其收斂值大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，最大位移收斂值達(dá)到8.42 mm，邊墻處向內(nèi)收斂趨勢(shì)最為劇烈。3種工法的位移曲線示意如圖7所示。

圖4 雙層疊合初支拱蓋法位移云圖

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法位移云圖

圖6 CRD法位移云圖

2.2.2 受力分析

通過(guò)提取監(jiān)測(cè)斷面初期支護(hù)內(nèi)力的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到3種施工工法下的內(nèi)力及相應(yīng)截面安全系數(shù)如表2所示。由表2可知，雙層疊合初支拱蓋法安全系數(shù)最小值主要位于墻角部位，其次為拱腰部位；由于雙層疊合初支拱蓋法針對(duì)大拱腳區(qū)域?qū)嵤┐蛟O(shè)注漿管注漿及設(shè)置加強(qiáng)型縱梁的措施，其大拱腳處位置內(nèi)力及安全系數(shù)都處于較安全值，安全系數(shù)最小值為 5.55。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱腰及拱頂處安全性較高，安全系數(shù)明顯高于其他截面；安全系數(shù)最小值同樣位于墻角位置，最小值為4.84。而從安全系數(shù)分析結(jié)果上看，CRD法最小安全系數(shù)僅為2.40，因此在安全性方面，采用CRD法進(jìn)行層狀巖地層超大斷面暗挖車站施工較為危險(xiǎn)。

圖7 三種工法的位移曲線圖

2.2.3 圍巖穩(wěn)定性分析

圖8為3種工法下圍巖的塑性區(qū)。由圖8可知，雙層疊合初支拱蓋法圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)在砂巖和砂質(zhì)泥巖互層處，其中，大拱腳及下部邊墻兩側(cè)圍巖出現(xiàn)較大塑性區(qū)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工條件下，圍巖塑性區(qū)主要出現(xiàn)在墻腳、兩側(cè)邊墻及拱腳位置，其中墻角出現(xiàn)了較大塑性區(qū)。CRD法在同樣的地質(zhì)條件及支護(hù)參數(shù)下，其塑性區(qū)較前兩種工法范圍更大，塑性區(qū)的位置在洞周分布也更寬，表現(xiàn)為拱腰一直到下側(cè)邊墻及墻腳都產(chǎn)生了較為明顯的塑性區(qū)范圍。因此，在層狀巖地層超大斷面暗挖車站的施工條件下，CRD法的適應(yīng)性較雙層疊合初支拱蓋法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法要弱。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)表

表2 三種施工工法的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖8 三種工法下圍巖的塑性區(qū)圖

2.3 結(jié)果對(duì)比

雙層疊合初支拱蓋法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示。由表3可知，不同的施工工法對(duì)車站的影響程度不同，常規(guī)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在對(duì)拱頂沉降、地表沉降及圍巖穩(wěn)定性等方面都表現(xiàn)出較高的安全性。首次運(yùn)用于重慶地區(qū)的雙層疊合初支拱蓋法的計(jì)算結(jié)果與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法較為接近，各項(xiàng)考查指標(biāo)均能很好地滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，且在洞周收斂形態(tài)方面控制較好，襯砌結(jié)構(gòu)的安全性亦較高。而CRD法施工相對(duì)偏危險(xiǎn)，各項(xiàng)考查指標(biāo)均明顯差于其他兩種工法，且在重慶地區(qū)層狀巖地層超大斷面暗挖車站施工中適應(yīng)性較差。

表3 三種施工工法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

3 層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工工法經(jīng)濟(jì)性分析

由于CRD法在重慶地區(qū)層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工中的適應(yīng)性較差，本文著重針對(duì)雙層疊合初支拱蓋法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。以重慶軌道交通5號(hào)線為工程背景，其相鄰車站鳳西路站和華巖寺站，分別采用雙層疊合初支拱蓋法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。兩個(gè)車站的地質(zhì)情況、斷面大小和車站功能定位均具有高度的一致性。且兩車站可從施工便捷性、工期、經(jīng)濟(jì)性及安全性等方面進(jìn)行對(duì)比分析，亦具有高度的可信度。研究結(jié)論可為重慶地區(qū)層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工工法的綜合比選提供參考。

3.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

統(tǒng)計(jì)重慶軌道交通5號(hào)線鳳西路站和華巖寺站的工法經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(見(jiàn)表4)可知，雙層疊合初支拱蓋法每延米的工程造價(jià)比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法節(jié)約投資2 856元。因此對(duì)于超大斷面暗挖地鐵車站，采用雙層疊合初支拱蓋法施工比采用傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，整個(gè)工程可節(jié)約投資近60萬(wàn)元。

表4 雙層疊合初支拱蓋法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

3.2 施工進(jìn)度

以華巖寺站為例，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，其主體結(jié)構(gòu)及開(kāi)挖支護(hù)的施工進(jìn)度一般為18～24 m/月，主體結(jié)構(gòu)二襯的施工進(jìn)度每7 d為9 m，工期總計(jì)約18個(gè)月。而采用雙層疊合初支拱蓋法進(jìn)行施工時(shí)，上導(dǎo)洞開(kāi)挖及支護(hù)的施工進(jìn)度為2 m/d，歷時(shí)約4個(gè)月；加強(qiáng)初支扣拱模筑混凝土約4個(gè)月；以上兩部分施工作業(yè)考慮前后錯(cuò)開(kāi)2個(gè)月，總計(jì)約6個(gè)月；下部主體開(kāi)挖及支護(hù)每天按750 m3出土量計(jì)算，歷時(shí)約5個(gè)月； 二襯及防水施工預(yù)計(jì)5個(gè)月。因此，雙層疊合初支拱蓋法總工期約16個(gè)月，比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法節(jié)省工期2個(gè)月。

實(shí)際工程中，重慶軌道交通5號(hào)線鳳西路站采用雙層疊合初支拱蓋法施工。該車站于2015年1月20日開(kāi)始進(jìn)行車站主體施工，2015年6月25日完成上導(dǎo)洞開(kāi)挖及拱蓋施工，2015年7月11日—2015年12月15日完成車站主體下斷面開(kāi)挖支護(hù)施工，2016年4月完成二襯及防水施工。施工總歷時(shí)15個(gè)月，比預(yù)計(jì)工期提前1個(gè)月。

在施工進(jìn)度方面，雙層疊合初支拱蓋法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①下斷面開(kāi)挖時(shí)可通過(guò)拉中槽、馬口跳槽等方式形成多個(gè)開(kāi)挖面同時(shí)施工；②大大減少了拆除臨時(shí)支撐體系的工作量；③開(kāi)挖掌子面與二襯間的步距較大，使得施工空間較大，操作亦相對(duì)便利；④拱墻襯砌可直接采用模板臺(tái)車施工，施工進(jìn)度較快。

綜上所述，雙層疊合初支拱蓋法施工的經(jīng)濟(jì)效益較為顯著。該工法節(jié)省投資近60萬(wàn)元，縮短工期3個(gè)月，間接效益可達(dá)200余萬(wàn)元。同時(shí)，為復(fù)合式隧道掘進(jìn)機(jī)過(guò)站提供了有利條件，對(duì)地表沉降控制效果較好，對(duì)成渝高速影響也較小，帶來(lái)了較為理想的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

4 結(jié)論

針對(duì)重慶地區(qū)層狀巖地層暗挖地鐵車站的特殊地質(zhì)條件、超大斷面及受施工工法影響顯著等特點(diǎn)，對(duì)該地區(qū)暗挖車站常見(jiàn)的3種施工方法的適應(yīng)性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，對(duì)重慶軌道交通5號(hào)線相鄰車站工程進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，得到3種施工工法的主要特點(diǎn)(見(jiàn)表5)及主要結(jié)論如下所述：

(1) 在適應(yīng)性方面，不同的施工方法對(duì)隧道的影響程度不同。常規(guī)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在對(duì)拱頂沉降、地表沉降及圍巖穩(wěn)定性等方面的控制均表現(xiàn)出良好的特性；CRD法施工相對(duì)偏危險(xiǎn)，各項(xiàng)考查指標(biāo)均明顯差于其他兩種工法。而在重慶地區(qū)首次運(yùn)用的雙層疊合初支拱蓋法的計(jì)算結(jié)果與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法較為接近，各項(xiàng)考查指標(biāo)均能很好地滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)洞周收斂形態(tài)控制較好，襯砌結(jié)構(gòu)的安全性亦較高，這說(shuō)明該施工工法在層狀巖地層中的運(yùn)用是安全的，且在重慶地區(qū)具有較強(qiáng)的適用性和可行性。

表5 三種施工工法的主要特點(diǎn)

(2) 從施工安全、施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)層狀巖超大斷面暗挖地鐵車站施工方法進(jìn)行綜合比選發(fā)現(xiàn)：雙層疊合初支拱蓋法每延米的造價(jià)比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法節(jié)約投資2 856元，直接效益達(dá)60余萬(wàn)元，縮短工期3個(gè)月，間接效益可達(dá)200余萬(wàn)元，帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益；能較好地適應(yīng)重慶地區(qū)的地質(zhì)條件及經(jīng)濟(jì)要求，具有工作面大、效率高、工序少和施工安全等顯著優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)適用性。因此，在重慶地區(qū)層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工中，建議采用雙層疊合初支拱蓋法施工。