南寧半成巖地層明暗挖地鐵車站關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)值分析

羅文靜， 鄒成路

(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510010)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵車站修建常常會遇到周邊環(huán)境復(fù)雜(下穿地面建筑物、河流、重要管線、城市主干道等)而無法采用全明挖或全蓋挖施工，采用大斷面暗挖方法又有可能面臨水文地質(zhì)條件差、工程風(fēng)險過高的問題。明暗挖地鐵車站具有靈活性高、對周邊環(huán)境適應(yīng)性好、風(fēng)險可控的優(yōu)點，在國內(nèi)已有較多的應(yīng)用實例。例如： 文獻(xiàn)[1]針對國內(nèi)各類型式的明暗挖地鐵車站提出了一些看法和體會；文獻(xiàn)[2]以廣州地鐵5號線小北站為例，對線路兩端或中間不具備明挖條件的地鐵車站施工，提出了“分離暗挖站廳隧道”的概念；文獻(xiàn)[3]針對廣州市軌道交通6號線首期工程的復(fù)雜地段，因地制宜、創(chuàng)新地提出了有9種不同形式的明暗結(jié)合方式；文獻(xiàn)[4]針對地鐵明暗挖施工車站過程控制要點及措施進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[5]以廣州地鐵6號線一德路站、海珠廣場站為工程背景，對2個車站進(jìn)行了設(shè)計分析，采用站臺與站廳分離的建筑布置方式解決了復(fù)雜條件下的地鐵設(shè)站問題。從以上研究可知，目前大多研究是從建筑使用功能的角度對明暗挖地鐵車站各類設(shè)計形式進(jìn)行探討，對于從結(jié)構(gòu)專業(yè)角度深入分析的研究較少，因此，有必要對明暗挖地鐵車站中結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題進(jìn)行分析。

廣西南寧半成巖地層成巖時代較新，固結(jié)程度弱，其泥巖層大多含有親水礦物，具有一定的膨脹性，而粉砂巖層具有遇水軟化崩解的特性[6]。這容易引起隧道施工中的塌方、大變形和突水、涌砂等現(xiàn)象，給工程帶來了較大的風(fēng)險[7-8]。如何在半成巖地層中修建隧道是一個難題，在半成巖中修建明暗挖地鐵車站更是一項挑戰(zhàn)。本文依托南寧青秀山站對半成巖地層中明暗挖地鐵車站修建過程中遇到的關(guān)鍵問題進(jìn)行深入探討，并提出了解決問題的方法。以期研究結(jié)果為類似工程案例的設(shè)計和施工提供有益參考。

1 工程概況

青秀山站位于青山路與鳳嶺南路交叉路口以東，橫跨鳳嶺南路布置，中心里程處軌面埋深約為52 m。車站西南側(cè)為在建英華路—青山路立交，北側(cè)為八角樓(4層)及金匯如意坊(仿古牌坊)等低層餐飲商業(yè)建筑，西側(cè)為秀山花園小區(qū)(8層)，南側(cè)為青秀山風(fēng)景區(qū)(5A級風(fēng)景區(qū))。車站總平面見圖1。

綜合考慮地塊可實施條件、工程風(fēng)險、消防疏散、工程造價、對客流的吸引等因素的影響，最終確定采用明暗挖相結(jié)合的方案施工車站。站廳層采用明挖3層結(jié)構(gòu)(局部4層)，站臺層采用暗挖法，左右線站臺通過橫通道連接，站臺層與站廳層通過斜扶梯通道相連接，如圖2所示。站廳層與站臺層采用4個小豎井相連接。左、右線站臺隧道毛洞跨度為10.9 m，高度為10.05 m；橫通道毛洞跨度為11 m，高度為9.3 m；斜扶梯通道高度為13.8 m，跨度為11 m。斜扶梯通道與正線隧道的最小水平凈距為3.45 m，站臺層隧道與明挖站廳層豎向凈距約為18.7 m。

圖1 車站總平面圖

圖2 車站三維模型視圖

2 工程地質(zhì)與水文情況

2.1 工程地質(zhì)情況

根據(jù)南寧市軌道交通3號線青秀山站巖土工程詳細(xì)勘察報告，車站范圍內(nèi)巖土從上至下依次為： 表層為素填土①2；中部為硬塑土、堅硬土、半巖半土的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖⑦1-3；下部為粉砂巖以及粉細(xì)砂巖⑦2-3。工程地質(zhì)剖面如圖3所示。

圖3 工程地質(zhì)剖面圖

洞身地層泥質(zhì)粉砂巖層為第三紀(jì)古近系巖層，屬于極軟巖，具有風(fēng)干易散、開裂、局部地層遇水軟化崩解的特性，極易發(fā)生隧道施工坍塌，鉆孔深度40～50 m的巖石芯樣見圖4。

圖4 鉆孔深度40～50 m的巖石芯樣

2.2 水文情況

車站工程影響范圍內(nèi)的地下水主要為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水?？辈鞙y量穩(wěn)定水位埋深為36 m，建議承壓水頭標(biāo)高按高程82 m計算，位于隧道頂以上16 m，地下水水位年變化幅度為2～5 m。站臺層隧道均處于地下水位以下，洞身地層為弱透水地層，滲透系數(shù)為0.8～1.0 m/d。地下水將對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，給工程帶來較大風(fēng)險。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)問題

雖然國內(nèi)在明暗挖地鐵車站施工方面已經(jīng)積累了一些經(jīng)驗，但作為在半成巖地區(qū)首座明暗挖相結(jié)合、埋深最大、結(jié)構(gòu)體系最復(fù)雜的車站，本站建設(shè)依然面臨著諸多難題。

3.1 半成巖地層圍巖加固方案

車站所處地層主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖以及粉細(xì)砂巖。泥巖層(⑦1-3)主要礦物成分為伊利石、高嶺石和綠泥石等，水平層理構(gòu)造，沉積時代較新，固結(jié)程度弱，成巖作用差，具有一定的膨脹性。粉砂巖層(⑦2-3)呈半巖半土狀，局部含泥質(zhì)，厚層狀構(gòu)造，天然狀態(tài)下單軸抗壓強度為0.79～2.00 MPa，屬于極軟巖，且風(fēng)干易散、開裂，局部地層遇水軟化崩解。由此可見，隧道所處圍巖掌子面不能自穩(wěn)，容易發(fā)生松弛、坍塌。因此，開挖前需要提前對隧道圍巖進(jìn)行處理，可采用全斷面帷幕注漿、冷凍法、水平旋噴樁、降水等方法。合理有效的圍巖提前處理措施是車站施工能否順利實施的關(guān)鍵。

3.2 隧道群近接施工相互影響

車站站廳、站臺的分離式布設(shè)致使站臺層隧道結(jié)構(gòu)繁多，上下行線及其橫通道、站臺站廳聯(lián)絡(luò)通道共同形成了一個復(fù)雜的隧道群體系。左右線隧道、橫通道、斜扶梯通道、豎井均屬于近接工程，新建工程將引起近接結(jié)構(gòu)的圍巖應(yīng)力多次重分布，對前序已經(jīng)施工的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。因此，如何確定合適的施工工序，在整個建設(shè)過程中非常重要。

3.3 隧道三岔口的節(jié)點處理

本車站存在大量交叉口的節(jié)點，站臺主隧道與橫通道、橫通道與斜扶梯通道、站臺隧道與豎井均存在相貫的問題，如圖5所示。不論對于永久結(jié)構(gòu)受力，還是隧道開挖過程中，交叉節(jié)點都是尤為關(guān)鍵的問題。

圖5 暗挖結(jié)構(gòu)的交叉口節(jié)點示意圖

3.4 暗挖隧道與明挖車站的相互影響

本站左右線站臺隧道、橫通道及2#斜扶梯通道均位于明挖站廳層正下方，如圖2所示。施工順序有2種方案： 1)先施工暗挖隧道群，明挖基坑開挖(卸載)則可能引起主隧道產(chǎn)生偏壓效應(yīng)； 2)先施工明挖站廳結(jié)構(gòu)，則主隧道開挖有可能造成已建成明挖站廳結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降，造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫危及永久結(jié)構(gòu)的使用。根據(jù)工期和工程籌劃的合理性，并經(jīng)過計算分析最終確定選擇第2種方案。

4 解決方案

4.1 半成巖地層的群井降水技術(shù)

設(shè)計初期，評審專家對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行多次審查，認(rèn)為在第三系巖層中降水難度可能很大，容易出現(xiàn)成井困難、滲透性低、抽水困難、含砂率高等問題，建議將重點放在注漿加固上，例如全斷面WSS注漿等。但經(jīng)過后期對地層的深入認(rèn)識(遇水沒有瞬間崩解)及抽水試驗結(jié)果，并考慮到降水存在工效高、工程造價相對較低等優(yōu)點，項目組再次展開了半成巖地層降水技術(shù)的研究。

4.1.1 降水試驗

通過單井抽水及群井抽水2種試驗獲得地層的豎向和橫向水力聯(lián)系。根據(jù)群井抽水井及觀測井?dāng)?shù)據(jù)資料，采用三維滲流有限差分軟件Visual MODFLOW 4.2反演求取相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，保持抽水量和過濾器長度不變，反演得到儲水率S、滲透系數(shù)K，結(jié)果見表1。數(shù)值模擬群井抽水降深與實測得到的降深變化基本一致(見圖6)，滿足工程精度要求。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果

圖6數(shù)值模擬群井抽水降深與實測降深對比

Fig. 6 Comparison between simulated drawdown depth and measured one

4.1.2 降水方案

根據(jù)參數(shù)反演結(jié)果，采用MODFLOW建立有限差分模型對降水井的位置進(jìn)行反復(fù)演算。計算模型尺寸為3 000 m×3 000 m×80 m(長×寬×高)，見圖7。模擬期為3 d，將整個模擬期劃分為9個計算周期，在每個計算周期中，所有外部源匯項的強度保持不變。設(shè)計降深為25 m，將水位降至隧道拱頂以下0.5 m。

經(jīng)過反復(fù)模擬計算，最終確定的降水井平面間距為10～15 m，共布設(shè)79口降水井，其中，明挖站廳基坑內(nèi)降水井兼作基坑開挖所需降水井。

圖7 降水計算模型網(wǎng)格圖

另外，由單井及群井水位恢復(fù)試驗結(jié)果(見圖8)顯示： 在停止抽水后，短時期內(nèi)水位恢復(fù)較快，群井在390 min之內(nèi)可恢復(fù)10%，而單井則在40 min之內(nèi)即可恢復(fù)達(dá)14%。所以，工程現(xiàn)場需要確保連續(xù)供電，應(yīng)當(dāng)預(yù)備備用發(fā)電機(jī)，切換時間建議控制在4 h以內(nèi)。

(a) 單井抽水水位恢復(fù)比例

(b) 群井抽水水位恢復(fù)比例

Fig. 8 Recovery ratio of water level in single well pumping and group well pumping

4.1.3 降水效果

通過群井降水，隧道圍巖的穩(wěn)定性得到了大幅度提高。由圍巖物理力學(xué)參數(shù)試驗顯示，降水前粉砂巖⑦2-3摩擦角為30°，黏聚力為60 kPa； 降水后摩擦角提高為40°，黏聚力提高為600～1 000 kPa。降水后，隧道掌子面可自穩(wěn)(見圖9)，無需進(jìn)行超前帷幕注漿，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時可以適當(dāng)對隧道的開挖工法進(jìn)行優(yōu)化。另外，降水引起車站周邊建筑物的沉降均小于15 mm，滿足規(guī)范要求。

圖9 降水后隧道掌子面

4.2 隧道群洞效應(yīng)及交叉節(jié)點的處理措施

為了充分降低車站修建過程中的工程風(fēng)險，采用有限元數(shù)值分析的方法對隧道的開挖工序進(jìn)行了多方案比選，最終確定了相互影響最小的施工工序及支護(hù)參數(shù)。

4.2.1 參數(shù)反演

巖土體的彈性模量常常是影響數(shù)值計算的關(guān)鍵參數(shù)。在整體模型計算前，利用小斷面的施工橫通道監(jiān)測數(shù)據(jù)對彈性模量進(jìn)行反演(見圖10)，確定計算輸入的彈性模量為勘察報告中所提供的壓縮模量的70倍。

圖10 彈性模量參數(shù)反演

4.2.2 數(shù)值模擬分析

建立三維數(shù)值模擬計算模型(見圖11)，為避免邊界效應(yīng)，隧道周邊土體尺寸按4倍洞經(jīng)考慮，則建立的模型長150 m，寬140 m，高100 m。

(a) 整體模型(b) 隧道結(jié)構(gòu)模型

經(jīng)過多方案比選并結(jié)合現(xiàn)場的實際情況確定了開挖步序： ①明挖站廳層開挖并施工站廳結(jié)構(gòu)—②左線隧道開挖—③橫通道開挖—④右線隧道開挖—施作左右線隧道及橫通道的二次襯砌—⑤斜扶梯通道開挖—⑥小豎井開挖。隧道開挖方法采用CD法，開挖進(jìn)尺為1 m，臺階長度為4 m，初期支護(hù)閉合成環(huán)，距離掌子面16 m。

以圍巖位移為參考指標(biāo)對各工序進(jìn)行分析，各施工步序?qū)?yīng)的圍巖最大豎向位移如圖12所示。左線隧道開挖后隧道拱頂?shù)奈灰茷?.6 mm，橫通道進(jìn)洞后隧道拱頂位移增大為10.3 mm，增大了約124%，其影響范圍約為2倍的隧道洞徑；待橫通道開挖完成后，拱頂位移增大為13.4 mm，相對橫通道進(jìn)洞時又增大了約30%；右線隧道開挖完成后，最大位移增大為16.4 mm，相對上一工序增大了約22%；斜扶梯通道和豎井開挖完成后，位移為18.4 mm，相對上一工序增大了約12%，增加幅度較小。雖然斜扶梯通道開挖對交叉口及左右線變形的絕對值影響較小，但對橫通道結(jié)構(gòu)影響較大，橫通道標(biāo)準(zhǔn)斷面的位移由9 mm增大至18 mm，使得3處交叉口引起的圍巖位移較大范圍相互聯(lián)結(jié)，導(dǎo)致整個橫通道上方處于變形較大的狀態(tài)。豎向位移云圖見圖13。

圖12 圍巖拱頂最大豎向位移

Fig. 12 Variation of maximum vertical displacement of surrounding rock

(a) 左右線隧道開挖完成后豎向位移云圖

(b) 豎井開挖完成后豎向位移云圖

從支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的角度進(jìn)行分析。在交叉口位置，支護(hù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)雙向受彎及雙向受拉壓三維空間受力狀態(tài)，尤其是拱頂和仰拱出現(xiàn)較大的拉力，初期支護(hù)最大拉力達(dá)到1 674 kN，站臺隧道初期支護(hù)受拉范圍約為2倍橫通道洞跨，見圖14(a)。其次，與斜扶梯通道和正線隧道交叉的橫通道二次襯砌結(jié)構(gòu)整個拱頂和仰拱均呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，最大拉力達(dá)到1 381 kN，見圖14(b)。因此，不論對于初期支護(hù)還是二次襯砌結(jié)構(gòu)，在隧道相貫的交叉口位置必須加強支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4.2.3 工程措施

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，針對車站暗挖站臺層隧道群的開挖時序設(shè)置了以下幾點原則： 1)橫通道距離左線隧道開挖面大于1倍隧道洞徑后方可開挖； 2)明挖站廳位置的斜扶梯通道需要待下方正線及橫通道二次襯砌完成后方可施工; 3)連接站廳與站臺的小豎井最后施工。最終確定的施工工序見圖15。

圖15 施工工序圖

針對隧道三岔口處圍巖變形大、支護(hù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)軸向受拉的情況，對隧道支護(hù)措施進(jìn)行加強設(shè)計，主要包括以下幾個方面：

1)加強正線隧道及橫通道的格柵鋼架主筋，其中橫通道主筋采用4E32鋼筋。同時，將格柵鋼架的縱向連接筋直徑由22 mm提高至28 mm，環(huán)向間距由1 m減小至0.5 m，增強鋼架的整體性。

2)對橫通道進(jìn)洞鋼架進(jìn)行密排，密排數(shù)量不少于4榀，間距為400 mm。

3)橫通道進(jìn)洞前需打設(shè)φ108 mm的超前大管棚。

4)為了保證永久結(jié)構(gòu)的安全，適當(dāng)加大橫通道的襯砌厚度及相應(yīng)的配筋，本站橫通道三岔口處襯砌厚度設(shè)計為900 mm。

4.3 暗挖隧道群對明挖結(jié)構(gòu)的影響分析

針對項目工期的需求，需要研究基坑開挖完成后明挖結(jié)構(gòu)與站臺隧道群是否可以同步施工的問題。本文采用三維數(shù)值模擬的方式，對實際工序條件下的結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行分析，計算時考慮明挖結(jié)構(gòu)施工時已搭設(shè)滿堂腳手架(采用臨時隔墻模擬)。

計算結(jié)果表明： 1)從位移角度來看，站臺層隧道群開挖引起的明挖結(jié)構(gòu)底板最大位移約為4.6 mm，見圖16，滿足規(guī)范要求。2)從結(jié)構(gòu)受力的角度來看，結(jié)構(gòu)底板的受力影響較小。開挖前后結(jié)構(gòu)底板彎矩云圖如圖17所示。暗挖隧道開挖前，底板最大外側(cè)彎矩為3 208 kN·m，最大內(nèi)側(cè)彎矩為2 211 kN·m，開挖后最大的外側(cè)彎矩為3 422 kN·m，最大內(nèi)側(cè)彎矩為2 143 kN·m，內(nèi)力變化小于10%。因此，在明挖結(jié)構(gòu)施工完成后再開挖下部結(jié)構(gòu)在理論上是可行的。

圖16 明挖結(jié)構(gòu)豎向位移云圖(單位： m)

Fig. 16 Nephogram of vertical displacement of open-cut structure (unit: m)

(a) 開挖前

(b) 開挖后

Fig. 17 Nephograms of bottom structure before and after the mined tunnel excavation (unit: kN·m)

5 監(jiān)測情況

施工過程中嚴(yán)格按照設(shè)計方案進(jìn)行施工，未出現(xiàn)安全事故，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)也在合理范圍內(nèi)，其中,橫通道與正線交叉口處拱頂沉降最大值為11.7 mm，橫通道與斜扶梯通道交叉口處最大豎向位移為12.9 mm，見圖18。雖然監(jiān)測得到的拱頂沉降位移與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定的差別(可能與實際監(jiān)測過程中監(jiān)測點的埋設(shè)稍晚，支護(hù)已經(jīng)發(fā)生了部分變形有關(guān))，但基本的變形規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

(a) 橫通道

(b) 斜扶梯通道

Fig. 18 Settlement monitoring curves of crown of transverse passage and ramp passage (in 2017)

6 結(jié)論與體會

本文結(jié)合南寧地鐵3號線青秀山站對半成巖地層明暗挖地鐵車站修建中的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析及研究，得到以下幾點結(jié)論：

1)半成巖地層隧道施工采用群井降水可以保證隧道順利開挖并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于地層存在較厚的泥巖層，降水對周邊建筑物的影響較小。降水的設(shè)計參數(shù)可根據(jù)設(shè)計降深、施工實際情況及降水效果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，本站采用的降水井平面間距為10～15 m。施工期間應(yīng)保證降水井連續(xù)抽水，間斷時長不宜小于4 h。

2)暗挖站臺隧道群的開挖需要嚴(yán)格控制施工時序。原則上，橫通道距離正線隧道開挖面大于1倍隧道洞徑后方可開挖，并建議在橫通道二次襯砌結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強度后開挖斜扶梯通道。

3)在隧道相貫的交叉口位置，應(yīng)適當(dāng)加強支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是在隧道縱向上。加強設(shè)計范圍為2倍橫通道洞徑，橫通道進(jìn)洞前應(yīng)進(jìn)行超前支護(hù)施工，必要時打設(shè)超前管棚。

4)先施工站廳層明挖結(jié)構(gòu)、后施工站臺層暗挖隧道群是可行的，但應(yīng)提前計算分析并加強相關(guān)監(jiān)測。

隧道三岔口問題屬于近接工程問題，當(dāng)在同一區(qū)域開挖多個隧道時，由于多個隧道的開挖引起圍巖應(yīng)力多次重新分布，隧道的圍巖壓力已不能再按常規(guī)的單洞隧道進(jìn)行計算。實際設(shè)計過程中，對于初期支護(hù)，可采用地層結(jié)構(gòu)法結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測的方式對支護(hù)的安全度進(jìn)行評價；然而對于二次襯砌結(jié)構(gòu)，規(guī)范只允許采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行分析，這時圍巖壓力的取值就很關(guān)鍵。因此，對群洞隧道的荷載，不能簡單照搬規(guī)范計算，需要綜合多種因素確定。建議結(jié)合工程類比法，采用地層結(jié)構(gòu)法對塌落拱高度進(jìn)行反算得到土壓力，同時考慮水土分算及合算2種工況。