頭塘站施工工法研究思路

唐浩峰，米 偉

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 401121）

1 工程概況

頭塘站（原蝦子蝙站）為重慶市軌道交通4號線與9號線換乘車站，上下疊島設(shè)置，9號線在下，4號線在上。車站位于海爾路與內(nèi)環(huán)快速路交叉口蝦子蝙立交處，平行于海爾路路側(cè)地下敷設(shè)，總體呈東西走向。東北側(cè)為蘭溪社區(qū)，西北側(cè)為陽明山水高層住宅小區(qū)，西南側(cè)為江北區(qū)人民政府，東南側(cè)為荒地和加油站、加氣站。

頭塘站為地下3層島式暗挖車站，采用15m島式站臺，車站主體斷面為馬蹄形，凈寬23.10m，凈高25.34m，總長度237m。車站拱頂覆蓋層厚度為20.0～32.4m，圍巖級別為Ⅳ級，屬于淺埋隧道。該站為超大斷面地下暗挖車站，且水文地質(zhì)條件較差，周邊環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計和施工難度大。

2 地質(zhì)條件概述

車站所在區(qū)段的原始地貌為丘陵地帶，經(jīng)人工改造后地形整體較平坦。場地位于龍王洞背斜東翼，無不良現(xiàn)象，水文地質(zhì)條件較簡單。隧道圍巖主要為砂質(zhì)泥巖夾砂巖，圍巖基本分級為Ⅳ級；地下水狀態(tài)為Ⅰ級，修正后圍巖級別為Ⅳ級。本段隧道隧頂埋深20.0～32.4m，上覆素土層最大厚度約16.6m，隧頂中等風(fēng)化基巖厚11.1～25.7m，小于2.5倍圍巖壓力拱高度27.9m，屬于淺埋隧道。場地地層由上而下依次可分為第四系全新統(tǒng)填土層（Q4ml）、殘坡積層（Q4el+dl）和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）沉積巖層。場地地下水以其含水介質(zhì)可分為松散層孔隙水和基巖裂隙水2類。場地地下水主要為大氣降水和地下管網(wǎng)滲漏補(bǔ)給，水量總體較小。車站位于頭塘立交處，附近地上建（構(gòu)）筑物較多，絕大部分均位于車站拱頂，其基礎(chǔ)較為復(fù)雜，基礎(chǔ)深度均在車站塌落拱范圍內(nèi)。

勘察區(qū)位于龍王洞背斜東翼，無斷裂構(gòu)造發(fā)育。巖層產(chǎn)狀傾向105°～125°，傾角為30°～40°，其優(yōu)勢產(chǎn)狀約傾向120°傾角為35°，層間結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。J1傾向330°～340°，傾角為50°～65°，其優(yōu)勢產(chǎn)狀約傾向335°，傾角為55°。裂隙面平直，寬度1～3mm，局部由泥質(zhì)、巖屑碎石或方解石充填，裂隙間距為1～4m，延伸一般為5～8m；結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度好，結(jié)合差，屬硬性結(jié)構(gòu)面。J2傾向220°～230°，傾角為70°～85°，其優(yōu)勢產(chǎn)狀傾向約225°，傾角為75°。裂隙面較粗糙，寬1～3mm，局部由泥質(zhì)、巖屑碎石或方解石充填，裂隙間距為2～6m，延伸3～5m，結(jié)合一般，屬硬性結(jié)構(gòu)面。采用車站赤平投影圖分析隧道側(cè)壁穩(wěn)定性：左側(cè)壁與J1裂隙反向，與J2裂隙垂直，但巖層面順向臨空，因此左側(cè)壁存在偏壓，洞壁易沿巖層面產(chǎn)生滑塌破壞；右側(cè)壁與巖層面反向，與J2裂隙反向，J1裂隙順向臨空，右側(cè)壁有可能沿J1裂隙發(fā)生掉塊（見圖1）。

圖1 車站赤平投影

3 設(shè)計重難點(diǎn)分析

根據(jù)車站位置和規(guī)模、場地水文地質(zhì)條件和周邊環(huán)境情況，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)詳細(xì)分析研究，設(shè)計重難點(diǎn)梳理如下。

1）依據(jù)軌道線路設(shè)計和建筑布置，本站為地下3層島式暗挖車站，隧道為單拱超大斷面淺埋隧道?？v觀重慶地區(qū)及全國范圍的隧道案例，在類似地質(zhì)條件和圍巖等級下，僅有地鐵標(biāo)準(zhǔn)車站（開挖斷面約350m2）的設(shè)計和施工成熟案例。針對超大斷面淺埋隧道，現(xiàn)有施工工藝和機(jī)具均不具備。由此，需根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計和施工水平，獨(dú)創(chuàng)性地設(shè)計可靠安全的超大斷面隧道施工工法。

2）本站位于海爾路與內(nèi)環(huán)快速路交叉口蝦子蝙立交處，屬于交通繁忙區(qū)域，附近地上建（構(gòu)）筑物較多，絕大部分均位于車站拱頂，且局部不利地段的素土層最大厚度約16.6m，故在保證隧道開挖安全可靠的前提下，需嚴(yán)格控制隧道開挖引起的隧道圍巖變形和地表沉降。

3）根據(jù)地勘資料，隧道左側(cè)壁的穩(wěn)定性由層面控制，右側(cè)壁的穩(wěn)定性由J1裂隙結(jié)構(gòu)面控制，如無可靠的支護(hù)措施，隧道開挖時極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。經(jīng)調(diào)查，場地周邊的邊坡施工時發(fā)生邊坡失穩(wěn)的機(jī)率很大，故針對超大斷面隧道施工時的側(cè)壁穩(wěn)定性，需充分保障邊坡穩(wěn)定。

為克服以上重難點(diǎn)，擬訂新工法時應(yīng)考慮以下原則：把大洞分解為多個小洞。充分利用圍巖自身的自承能力；利用合理措施及時支護(hù)高側(cè)壁。

4 工法介紹

經(jīng)過反復(fù)推敲和研究，獨(dú)創(chuàng)性地提出“預(yù)留T型巖梁巖柱施工工法”（見圖2），該工法具體過程如下。

圖2 預(yù)留T字巖梁巖柱施工方法步驟

1）分段、分層開挖隧道兩側(cè)巖土體，及時施作錨桿+鋼拱架+鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝土的初期支護(hù)，采用預(yù)應(yīng)力錨索控制隧道左、右側(cè)壁的變形，形成穩(wěn)定的預(yù)留T形巖梁巖柱斷面形式。

2）施作左、右側(cè)壁的防水層及二襯結(jié)構(gòu)，及時分層回填并壓實(shí)土石料，在每層頂面設(shè)置300mm厚素混凝土，進(jìn)一步控制隧道水平變形。

3）待第二步基本施作完畢后，開挖T形巖梁巖柱的T形兩側(cè)區(qū)域，及時施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐。

4）分段間隔、跳槽開挖T形巖梁巖柱的T形頂部區(qū)域，及時施作初期支護(hù)和臨時鋼支撐。

5）拆除臨時鋼支撐，及時施作車站上部拱形大斷面的防水層和二襯結(jié)構(gòu)，使主體二襯結(jié)構(gòu)基本成形。

6）開挖T形巖梁巖柱的T形中部區(qū)域，清除回填土石料和素混凝土，施作防水層及二襯結(jié)構(gòu)。

7）施工車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)（梁板柱等）。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告和預(yù)留T型巖梁巖柱施工方法，采用三維有限元軟件Midas GTS，進(jìn)行車站開挖和支護(hù)的全過程模擬分析。開挖頂部T形兩側(cè)及拱頂巖土?xí)r為最不利時段，截取地質(zhì)條件最不利地段的變形（見圖3），其結(jié)果為拱頂最大豎向位移11mm，拱墻側(cè)壁最大水平位移6mm。通過工程類比法分析，地層結(jié)構(gòu)法計算出的圍巖變形處于可控狀態(tài)。

圖3 最不利時段圍巖變形

5 結(jié)語

經(jīng)過2年多快速有序的施工，本站順利完成車站主體的土建工程。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，拱頂最終沉降值為5.3mm，車站上方的地表最大沉降值為7.4mm，凈空收斂的最后穩(wěn)定值為-8mm。故由此認(rèn)為，獨(dú)創(chuàng)性的“預(yù)留T型巖梁巖柱施工工法”安全可靠、符合實(shí)際、施工便捷、經(jīng)濟(jì)合理。