喀斯特地貌區(qū)超淺埋拱蓋法暗挖車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口優(yōu)化設(shè)計(jì)

齊少軒 王非 朱培 王安東

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

在城市軌道交通工程尤其是車站工程中常由于受外界條件影響只能暗挖施工。國內(nèi)暗挖車站常用工法主要有PBA（洞樁法）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法以及拱蓋法［1-2］。青島、重慶等城市的暗挖車站基本都采用拱蓋法。隨著近些年拱蓋法的應(yīng)用及發(fā)展出現(xiàn)了初支拱蓋法、二襯拱蓋法以及雙層疊合初支拱蓋法。

國內(nèi)對(duì)拱蓋法車站的研究主要集中在車站主體結(jié)構(gòu)部分。王圣濤等［3］詳細(xì)研究了拱蓋法的施工工法，對(duì)拱蓋法的施工步驟進(jìn)行了優(yōu)化；朱曉雨［4］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)確定了拱蓋結(jié)構(gòu)承載力受拱腳處邊墻和仰拱的強(qiáng)度影響較大；王安東［5］詳細(xì)分析了雙層疊合初支整體受力特點(diǎn)，明確了雙層疊合初支拱蓋法的優(yōu)越性；李偉［6］采用有限元法計(jì)算分析了導(dǎo)洞開挖的相互影響并提出了支護(hù)優(yōu)化方案。拱蓋法車站主體結(jié)構(gòu)的整體安全固然重要，但工程的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)往往在結(jié)構(gòu)最薄弱處體現(xiàn)，如拱蓋法暗挖車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口處。實(shí)際工程證明，接口處施工時(shí)結(jié)構(gòu)自身有可能產(chǎn)生較大變形從而引起較大的地表沉降甚至導(dǎo)致地表塌陷。國內(nèi)對(duì)拱蓋法車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口的研究甚少。

本文依托貴陽地鐵2 號(hào)線車站工程，基于數(shù)值分析，對(duì)雙層疊合初支拱蓋法暗挖車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口形狀及初期支護(hù)措施進(jìn)行分析，給出最優(yōu)的接口設(shè)計(jì)方案并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其合理性。

1 工程概況

貴陽處于喀斯特地貌區(qū)。貴陽地鐵2號(hào)線油榨街站為地下二層島式車站，采用雙層疊合初支拱蓋法施工。車站標(biāo)準(zhǔn)段寬19.9 m，拱頂埋深9～11 m，拱蓋角部埋深15～18 m，車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口處埋深12～15 m，接口寬5.0～6.5 m，高5～6 m［7］。

車站地層從上至下依次為：〈1?2?1〉人工雜填土、〈4?1?3〉可塑狀紅黏土、〈14?5?b〉強(qiáng)風(fēng)化白云巖以及〈14?5?c〉中風(fēng)化白云巖［8］。

2 接口優(yōu)化

2.1 接口形狀優(yōu)化

城市軌道交通中雙層疊合初支拱蓋法車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口形式多樣，接口尺寸及大小受控于建筑功能需求，接口處初期支護(hù)受控于所處的地層。適合的接口形式及初期支護(hù)不僅可以降低開挖風(fēng)險(xiǎn)，也可以改善接口受力及變形，減少地表沉降。

根據(jù)建筑功能需求，車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口形成有“矩形”和“弧形拱頂+直墻+平直底板”2種。在上軟（紅黏土）下硬（中風(fēng)化白云巖）超淺埋地層中矩形接口可利用建筑空間較大，但初期支護(hù)剛度小，截面變形大，跨中和支座處彎矩大，結(jié)構(gòu)受力不合理且不安全。當(dāng)采用“弧形拱頂+直墻+平直底板”接口時(shí)拱腳處同樣存在上述問題。

根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，從2 個(gè)方面對(duì)接口進(jìn)行優(yōu)化：①保留弧形拱頂及直墻，增加拱蓋；②優(yōu)化底板外截面，減少開挖深度及范圍。形成優(yōu)化的接口形式“弧形拱頂+直墻+仰拱+拱蓋”，如圖1所示。

圖1 主體與附屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化接口形式

2.2 接口處初期支護(hù)優(yōu)化

由于車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口處埋深較淺，初期支護(hù)統(tǒng)一采用300 mm 厚C25 噴射混凝土+I20a@500 mm型鋼鋼架，輔以2.5 m 長(zhǎng)?25 中空注漿錨桿+3.5 m 長(zhǎng)?42 超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管間距0.35 m（環(huán)向）×2.0 m（縱向）。

貴州喀斯特地貌區(qū)接口處拱頂通常上覆第四系紅黏土。紅黏土具有遇水軟化、易剝落、顯著的吸水膨脹、失水收縮的變形特性，在荷載作用下仍能浸水膨脹產(chǎn)生膨脹壓力［8］，易使初期支護(hù)大變形，同時(shí)產(chǎn)生較大的地表沉降。此時(shí)增強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)或采用輔助措施效果并不明顯。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，結(jié)合拱蓋法車站的特點(diǎn)在接口處初期支護(hù)中增加拱蓋環(huán)框梁，并使其與車站主體結(jié)構(gòu)拱蓋相連，如圖2所示。

圖2 接口處初期支護(hù)優(yōu)化示意

3 數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

采用雙層疊合初支拱蓋法開挖時(shí)車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口處存在受力轉(zhuǎn)換的問題。不恰當(dāng)?shù)慕涌谛问郊爸ёo(hù)措施易造成結(jié)構(gòu)、地表大變形。現(xiàn)采用有限元分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式驗(yàn)證上述接口形式的合理性。

3.1 計(jì)算假定

1）假設(shè)車站周圍的土體均為各向同性的彈塑性體，結(jié)構(gòu)為線彈性體；接口之間相距2D以上（D為隧道洞徑），不考慮相互影響；每個(gè)接口處初期支護(hù)參數(shù)一致。

2）假設(shè)土層呈層狀分布。初始應(yīng)力場(chǎng)考慮土體的自重應(yīng)力及地下水的影響，且其變形與時(shí)間相關(guān)。

3）計(jì)算過程中不考慮土體的固結(jié)蠕變，不考慮地下水的滲透作用。

3.2 計(jì)算模型的建立

建立地層-結(jié)構(gòu)靜力三維計(jì)算模型。初期支護(hù)、拱蓋及二次襯砌采用殼單元模擬；小導(dǎo)管及系統(tǒng)錨桿采用梁?jiǎn)卧M，以上構(gòu)件均采用彈塑性模型。巖土體采用修正Mohr?Colomb 本構(gòu)模型，三維實(shí)體單元模擬。模型上邊界為地表，左、右、下邊界與隧道的凈距均≥3D。通過分段釋放應(yīng)力模擬隧道開挖后的變形狀態(tài)［9］，計(jì)算模型見圖3。

圖3 計(jì)算模型

模擬過程主要分為6 步：①主體結(jié)構(gòu)初期支護(hù)施工完成后位移清零，建立初始應(yīng)力場(chǎng)；②施作接口處初期支護(hù)，拆除主體初期支護(hù)；③開挖接口處上臺(tái)階施作初期支護(hù)，應(yīng)力釋放20%；④開挖接口處下臺(tái)階施作初期支護(hù)，應(yīng)力釋放10%；⑤激活接口處拱蓋環(huán)框梁，應(yīng)力釋放50%；⑥激活接口處二次襯砌，應(yīng)力釋放20%。

計(jì)算分4 種工況：工況1，矩形；工況2，弧形拱頂+直墻+平直底板；工況3，矩形+拱蓋；工況4，弧形拱頂+直墻+仰拱+拱蓋。

3.3 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)地勘報(bào)告［8］確定各層土體的參數(shù)，見表1。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)布置

地表沉降測(cè)點(diǎn)橫向以左右隧道中軸線為中心等間距布置，縱向沿接口中軸線布置。洞內(nèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為凈空水平收斂、拱頂沉降及底板豎向位移，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)剖面及測(cè)點(diǎn)布置按規(guī)范設(shè)置［10］。以主體結(jié)構(gòu)初期支護(hù)施工完成后的監(jiān)測(cè)值為基準(zhǔn)，進(jìn)行接口監(jiān)測(cè)，并持續(xù)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，更新基準(zhǔn)值以消除主體結(jié)構(gòu)變形干擾。

表1 土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

3.5.1 接口處地層最終沉降

4種工況接口處地層最終沉降云圖見圖4。工況1變形主要發(fā)生在頂部邊角及直墻，變形較大且變形影響線延伸至地表：工況2 變形主要發(fā)生在底部邊角及直墻，底部變形較大但拱頂以上變形較小；工況3底板有局部隆起，其余部位變形均勻且變形值較?。还r4整體變形均勻且變形值較小。

圖4 各工況接口處地層最終沉降云圖

3.5.2 地表沉降

對(duì)工況3 及工況4 地表沉降的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行擬合。監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值基本相符。拱頂紅黏土的地表沉降槽規(guī)律基本符合Peck公式。

開挖過程中擾動(dòng)周圍土體引起地表沉降。接口橫斷面累計(jì)地表沉降的計(jì)算值及監(jiān)測(cè)值對(duì)比見圖5?？梢姡旱乇沓两挡蹖挾燃s6D；累計(jì)地表沉降工況1 最大，工況4 最小，4 種工況累計(jì)地表沉降均小于規(guī)范限值（25 mm）［10］。其沉降規(guī)律與地層最終沉降規(guī)律一致。

圖5 接口橫斷面累計(jì)地表沉降的計(jì)算值及監(jiān)測(cè)值對(duì)比

各工況拱頂對(duì)應(yīng)的地表沉降隨開挖步變化曲線見圖6。開挖步1—步5 為初期支護(hù)階段。在初期支護(hù)參數(shù)一致的情況下，影響地表沉降的決定因素為接口形式。開挖步4 時(shí)工況4 地表累計(jì)沉降相較工況1—工況3 分別減少57%，64%，56%。在二次襯砌施工前如未增加拱蓋則變形繼續(xù)發(fā)展，地層應(yīng)力完全釋放，導(dǎo)致開挖步6 時(shí)工況1（矩形）及工況2（弧形拱頂+直墻+平直底板）拱頂?shù)乇沓两迪噍^開挖步4分別增加約185%，34%。若二次襯砌施工前增加拱蓋（工況3），開挖步6 時(shí)沉降僅增加約11%。開挖步6 時(shí)工況3相較工況1地表累計(jì)沉降減少57%。最終地表沉降工況4相較工況1—工況3分別減少83%，70%，61%。

圖6 各工況拱頂?shù)乇沓两惦S開挖步變化曲線

綜上所述，優(yōu)化后的接口形式工況4 可使初期支護(hù)階段（開挖步4）地表累計(jì)沉降減少56%～64%，最終地表沉降減少61%～83%。接口處增加拱蓋（工況3）能使地表累計(jì)沉降減少57%。

3.5.3 拱頂沉降

圖7 各工況拱頂沉降隨開挖步變化曲線

拱頂沉降為地表沉降的誘因。各工況拱頂沉降隨開挖步變化曲線見圖7。可見：①工況1（矩形）、工況2（弧形拱頂+直墻+平直底板）拱頂最終沉降計(jì)算值分別為17.2，11.8 mm，這2 種接口拱頂最終沉降值均大于規(guī)范限值（10 mm）。②工況3（矩形+拱蓋）拱頂最終沉降計(jì)算值為7.87 mm，監(jiān)測(cè)值為8.52 mm；工況4（弧形拱頂+直墻+仰拱+拱蓋）拱頂最終沉降計(jì)算值為3.11 mm，監(jiān)測(cè)值為4.68 mm。工況3 及工況4 拱頂最終沉降值均小于規(guī)范限值。③工況3 拱頂沉降趨于平穩(wěn)，與工況1 相比拱頂最終沉降計(jì)算值減少54%，滿足規(guī)范要求；優(yōu)化方案工況4拱頂最終沉降計(jì)算值及監(jiān)測(cè)值均最小，與工況1—工況3相比拱頂最終沉降計(jì)算值分別減少82%，74%，60%。

3.5.4 底板豎向位移

平直底板和曲面底板（仰拱）會(huì)導(dǎo)致底板變形有較大差異。各工況底板豎向位移隨開挖步變化曲線見圖8?？梢姡核泄r在各步序底板豎向位移計(jì)算值及監(jiān)測(cè)值均小于規(guī)范限值（10 mm）［10］，工況1—工況4 最大底板豎向位移計(jì)算值分別為3.72，3.01，3.61，2.54 mm，工況3、工況4 最大底板豎向位移監(jiān)測(cè)值分別為6.87，3.76 mm。由于數(shù)值計(jì)算中巖土體的本構(gòu)模型與實(shí)際地層存在差異，工況3 的監(jiān)測(cè)值遠(yuǎn)大于計(jì)算值。工況1—工況3 底板豎向位移均較工況4大。因此，采用優(yōu)化方案工況4，雖然增加了部分底板開挖量，但能有效控制底板豎向位移。

圖8 各工況底板豎向位移隨開挖步變化曲線

3.5.5 凈空水平收斂

由于車站主體與附屬結(jié)構(gòu)接口處的凈空要求，通常接口都采用直墻形式，直墻在圍巖壓力下跨中撓度較大。各工況凈空水平收斂隨開挖步變化曲線見圖9?？梢姡汗r1、工況2 最終凈空水平收斂計(jì)算值分別為15.64，12.67 mm，均大于規(guī)范限值（10 mm）［10］。同樣采用直墻的工況3 在開挖步1—步4 時(shí)凈空水平收斂計(jì)算值與工況1 基本一致，增加拱蓋后工況3 最終凈空水平收斂計(jì)算值為6.8 mm，相較工況1 減少57%。工況4 最終凈空水平收斂計(jì)算值為6.7 mm，在4 種工況中最小。由此可見，接口增加拱蓋能有效減少初期支護(hù)時(shí)直墻段的凈空水平收斂，保證其滿足規(guī)范要求。

圖9 各工況凈空水平收斂隨開挖步變化曲線

3.5.6 二次襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

按照準(zhǔn)永久組合計(jì)算得出工況4 的彎矩值，見圖10。其余工況同理計(jì)算后取彎矩最大值進(jìn)行配筋計(jì)算。根據(jù)裂縫寬度限值0.2 mm［11］，得出主體二次襯砌最小厚度及配筋，見表2。工況4（優(yōu)化方案）主體二次襯砌最小厚度僅為600 mm，相較工況1—工況3 分別減少約54%，50%，54%。鋼筋用量相較工況1—工況3分別減少6%，25%，6%。由此可見，優(yōu)化方案混凝土及鋼筋用量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。

圖10 工況4二次襯砌準(zhǔn)永久組合彎矩值

表2 各工況主體二次襯砌最小厚度、配筋及裂縫計(jì)算寬度

4 結(jié)語

1）初期支護(hù)階段接口形式影響著結(jié)構(gòu)變形及地表沉降。采用“弧形拱頂+直墻+仰拱+拱蓋”接口形式時(shí)接口結(jié)構(gòu)變形及最終地表沉降最小，相較其余接口形式，結(jié)構(gòu)變形減少60%～82%，最終地表沉降減少61%～83%。

2）上軟下硬地層中隧道施工地表沉降規(guī)律符合Peck 公式。在傳統(tǒng)初期支護(hù)基礎(chǔ)上增加拱蓋環(huán)框梁能抑制圍巖應(yīng)力釋放的后續(xù)變形。在增加拱蓋環(huán)框梁的情況下，采用空間利用率最高的矩形接口，拱頂沉降及凈空水平收斂可滿足規(guī)范要求。

3）與采用矩形、弧形拱頂+直墻+平直底板、矩形+拱蓋3 種接口相比，采用弧形拱頂+直墻+仰拱+拱蓋接口主體結(jié)構(gòu)二次襯砌最小厚度分別減少約54%，50%，54%，鋼筋用量分別減少約6%，25%，6%，優(yōu)勢(shì)明顯。