超大斷面暗挖洞室臨時支撐拆除及二次襯砌結(jié)構(gòu)快速施工技術(shù)
——以深圳地鐵8號線深外站為例

王帥帥，蔡唐濤，伍 春，許前順，高 波

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065；2.西南交通大學，四川 成都 610031)

0 引言

地鐵在緩解地面交通、改善人類居住環(huán)境以及保持城市歷史文化景觀等方面都具有十分顯著的作用[1-3]。由于大斷面暗挖工程具有開挖斷面大、跨度大、埋深小等特點，因此暗挖法施工也面臨著風險大、施工難度高等問題[4-6]。為了控制地表沉降和隧道收斂變形，保障暗挖大斷面隧道施工安全，特大跨度超大斷面地鐵車站通常采用"分部開挖+加強支護+臨時支撐"的施工方法，如應(yīng)用側(cè)洞法、中洞法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等工法進行施工[4,7-12]。目前，大斷面二次襯砌往往采用分層作業(yè)的施工方法：先拆除一定長度的下部支撐，施作下部仰拱；然后滯后一定距離的安全長度，拆除中間臨時支撐，施作邊墻二次襯砌；最后，在滯后一定安全距離的條件下，拆除上部臨時支撐，施作拱部二次襯砌。

超大斷面暗挖工程往往采用了大量的臨時支撐系統(tǒng)，包括設(shè)置豎向支撐和橫向支撐，給二次襯砌防排水作業(yè)造成了極大困擾，特別是在狹小的導(dǎo)洞中施工工效慢、環(huán)境差、安全風險高，往往直接影響整體的施工進度。因此，對于超大斷面暗挖工程的二次襯砌作業(yè)，往往希望能制造較大的作業(yè)空間，減少工序交叉和提高混凝土的整體性[13]。但如果采用一次拆除全部內(nèi)部支撐的方案，可能會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)強度不足，造成拱頂下沉和塌方[5,14-15]。目前的研究主要集中在開挖工法及支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，而針對臨時支撐拆除及二次襯砌施作時機的研究還不多，特別是對于大斷面暗挖車站，由于圍巖條件、上部埋深、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，必須對這種超大斷面臨時支撐拆除及二次襯砌澆筑方法進行專項研究[13-15]，并確定適宜的施工方案。

本文依托深圳地鐵8號線深外站超大斷面暗挖工程，采用方案對比分析、有限元模擬等手段，優(yōu)化拆除臨時支撐的順序和二次襯砌作業(yè)的工法，以期為車站二次襯砌快速安全施工提供有力的支撐。

1 工程背景

深圳地鐵8號線深外站位于鹽田區(qū)望基湖水庫停車場旁，西北側(cè)為海桐居和云頂?shù)雷≌瑓^(qū)；東側(cè)為深圳外國語學校宿舍樓，距離車站基坑最近凈距為1.2 m；北側(cè)為鹽排高速和梧桐山大道，部分下穿中青一路。暗挖段起點里程為DK50+476.000，車站終點里程為DK50+621.000，暗挖段長145 m,圍巖綜合分級Ⅲ-Ⅴ級，分為A、B、C、D 4種斷面形式。

區(qū)間大斷面自DK50+380由單洞單線隧道接入，與車站暗挖段D斷面連接于DK50+476，全長96 m，其間設(shè)置豎井，大斷面與其橫通道連接于DK50+412，其中橫通道寬度為6.741 m，隧道圍巖綜合分級為Ⅱ-Ⅴ級。

1.1 工程地質(zhì)條件

深圳地鐵8號線深外站沿線范圍內(nèi)上覆第四系人工填堆填層、沖洪積層，下伏侏羅系凝灰?guī)r、燕山期中細粒花崗巖。圍巖等級為Ⅲ-Ⅵ級。暗挖車站縱斷面地質(zhì)剖面如圖1所示。深外站暗挖段結(jié)構(gòu)底板底面標高約20.2 m，位于微風化凝灰?guī)r中；深外站暗挖段結(jié)構(gòu)頂板頂面標高約38.1 m，主要位于微風化凝灰?guī)r中，部分位于中風化凝灰?guī)r中，上覆巖土層總厚度為14～45 m。近明挖段拱頂埋深淺，基巖出露厚度小，上部基本為回填層，施工風險大，進洞采用40 m長的φ108 mm大管棚支護措施。

圖1 暗挖車站縱斷面地質(zhì)剖面圖(單位：m)Fig.1 Geological profile of mined station (unit:m)

1.2 工程設(shè)計概況

車站設(shè)計為地下2層島式無柱單跨結(jié)構(gòu)，暗挖段長約143.1 m，跨度為21.56 m，分為A、B、C、D 4種斷面形式。車站與區(qū)間設(shè)置大斷面單洞雙線隧道連接線，與車站暗挖段相連于D斷面，全長95.3 m，分F、G 2種斷面形式，跨度分別為21.56 m和23.66 m。暗挖車站不同斷面縱向劃分如圖2所示，其暗挖段設(shè)計斷面相關(guān)參數(shù)見表1。

圖2 暗挖車站不同斷面縱向劃分Fig.2 Longitudinal division of different cross-sections of mined station

表1 暗挖段設(shè)計斷面相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of design cross-section of mined section

深外站暗挖段以及區(qū)間隧道暗挖段均是超大斷面大跨度隧道，深外站暗挖段采用雙側(cè)壁9部開挖法，連接線段采用雙側(cè)壁6部開挖法。初期支護鋼架采用Ⅰ25a鋼架支護，間距為0.5～0.75 m。

對于超大斷面的暗挖工程，特別是城市地鐵車站，往往周邊建筑環(huán)境復(fù)雜，地下埋深一般較淺，圍巖地質(zhì)條件較差。因此，合理選擇拆除臨時支撐的順序和二次襯砌澆筑方法直接關(guān)系到施工安全和進度[11,15]。

1.3 超大斷面暗挖工程二次襯砌施工方案

超大斷面暗挖工程的二次襯砌結(jié)構(gòu)施工多采用分段分層施工方法，可以通過合理的施工分段來控制結(jié)構(gòu)混凝土的收縮裂縫，提高結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能。施工分段應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)分段施工技術(shù)要求和構(gòu)造要求，而且應(yīng)結(jié)合施工能力和合同工期的要求。

1.3.1 原二次襯砌施工方案

深外站暗挖段及鹽深區(qū)間大斷面隧道全長238.1 m，考慮到工期緊張，為了加快進度，擬由深外站明挖段、2號風井及斜井、豎井分別進入施工二次襯砌，共分為4段7個作業(yè)面同時作業(yè)，如圖3所示。

圖3 原方案施工分段平面圖(單位：m)Fig.3 Plan of construction division of original scheme (unit:m)

為保證拆撐過程中的施工安全，底部仰拱施工時采用隔1榀拆除1榀臨時支撐的控制措施，控制單次拆撐的長度為6 m，并通過多層現(xiàn)澆來控制現(xiàn)澆模板高度。不同斷面類型二次襯砌施作采用分層拆撐和二次襯砌澆筑施工。

1)深外站暗挖段A-C型超大斷面二次襯砌分4層澆筑：仰拱及回填-邊墻-拱腰-拱頂。

隧道分層高度為：第1層仰拱高度及回填面以上1 m，第2層邊墻高度及中板頂面上0.5 m，第3層至第1道橫撐位置，第4層至拱頂全部完成。實際施工具體分層高度可根據(jù)現(xiàn)場條件做出相應(yīng)調(diào)整。

2)深外站暗挖段D-F斷面二次襯砌分3層澆筑：仰拱及回填-邊墻-拱頂。

隧道分層高度為：第1層仰拱高度及回填面以上1 m，第2層至中側(cè)壁位置，第3層至拱頂全部完成。實際施工具體分層高度可根據(jù)現(xiàn)場條件做出相應(yīng)調(diào)整。

根據(jù)原設(shè)計推薦方案的施工組織情況，暗挖洞內(nèi)最多時達到了7個作業(yè)面同時施工，其中A-C斷面采用4層施工，其他斷面采用3層施工，每個作業(yè)面存在多次工序交叉施工，洞內(nèi)施工組織難度大，工期計劃緊張，工效較低。特別是通過豎井橫通道向3、4段開辟2個工作面的施工組織難度大，豎井物料運輸組織條件極大地影響了洞內(nèi)施工進度。

1.3.2 優(yōu)化后的二次襯砌施工方案

在綜合對比和多次研討后，深外站超大斷面暗挖車站二次襯砌施工整體仍采用縱向分段和豎向分層的現(xiàn)澆施工作業(yè)，但對施工分段組織作業(yè)方式和二次襯砌豎向分層次數(shù)進行了優(yōu)化。

首先，根據(jù)圍巖地層情況，將底部拆除豎向支撐由原方案的"隔一拆一"改為"隔一拆二"，一次拆撐的長度也增至12 m，一次仰拱澆筑的長度增至12 m，提高了施工進度。

其次，優(yōu)化了豎向分層澆筑的次數(shù)。配合使用了大斷面二次襯砌臺車，有利于現(xiàn)場施工組織，加快施工進度[11,15]，具體如下：

1)車站暗挖段A-C斷面全長126.1 m，分3層(仰拱、邊墻及中板、拱部)澆筑施工。邊墻及中板采用支架模板現(xiàn)澆施工工藝，拱部二次襯砌采用6 m長的大斷面二次襯砌臺車施工96 m，近明挖淺埋段仍采用模板支架施工30.1 m。

2)連接線+車站暗挖段全長112.3 m，采用臺車施工段分2層(仰拱、拱墻)，支架施工段分3層(仰拱、邊墻、拱頂)。其中采用二次襯砌臺車施工60 m，采用模板支架式施工41.5 m，中間風井橫通道段10.8 m采用現(xiàn)澆支架施工。

最后，基于最新的施工工藝，優(yōu)化了洞內(nèi)施工組織模式，將原方案7個作業(yè)面優(yōu)化為4個作業(yè)面，有效減小了施工組織難度，提高了洞內(nèi)施工作業(yè)空間。優(yōu)化后的施工分段如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的施工分段平面圖Fig.4 Plan of construction division of optimized scheme

2 數(shù)值模擬分析

為了進一步驗證優(yōu)化后方案的結(jié)構(gòu)安全性，通過三維有限元建模計算，分析深外站暗挖段、區(qū)間隧道暗挖段在拆除臨時支撐及二次襯砌施工過程對隧道變形的影響。

2.1 計算模型

采用大型有限元軟件MIDAS，通過將模型巖土體、初期支護、二次襯砌、錨桿等車站支護結(jié)構(gòu)采用不同的單元模擬，并賦予不同的材料參數(shù)，分步激活與鈍化各個施工階段的相應(yīng)單元，動態(tài)模擬工程實際施工過程。

巖土體采用3D實體單元模擬，X方向(隧道軸向)長度取260 m，Y方向(橫斷面方向)長度取140 m，豎向高度取89.2～113 m，共54 272個三維單元，48 071個節(jié)點。隧道噴射混凝土和鋼架等采用剛度等效的2D板單元模擬；錨桿等采用1D植入式桁架單元模擬。三維有限元模型如圖5所示。

混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，重度γ為25 kN/m3，彈性模量E為32.5 GPa，泊松比μ為0.167。巖土體采用修正摩爾-庫侖模型，其物理力學參數(shù)見表2。

表2 巖土體物理力學參數(shù)表Table 2 Physico-mechanical parameters of rock and soil

2.2 計算方案

深外站暗挖段采用雙側(cè)壁9洞分部開挖法，連接線隧道采用雙側(cè)壁6洞分部開挖法，按實際施工工況，模擬暗挖洞室開挖支護和支護過程。

拆除臨時支撐和二次襯澆筑施工順序按實際優(yōu)化后的施工方案進行模擬，為了簡化計算流程，按最不利工況，在計算中對一次拆撐的長度進行了簡化，臨時豎撐和橫撐的拆除采用剛度折減等效方法模擬間隔拆撐施工。拆撐及二次襯砌施工工序見表3。

表3 拆撐及二次襯砌施工工序Table 3 Construction process of support demolition and secondary lining

2.3 計算結(jié)果分析

影響本工程安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是拆除臨時支撐及二次襯砌澆筑施工過程的結(jié)構(gòu)變形。因此需分析深外站暗挖段及連接線區(qū)間隧道的變形規(guī)律。深外站暗挖段和暗挖隧道段各工況豎向位移云圖分別如圖6和圖7所示。

2.3.1 深外站暗挖段變形特征分析

由圖6(a)可知，暗挖車站的開挖和支護引起斷面相接處的拱頂沉降最大，拱頂沉降最大值為10.55 mm，小于設(shè)計和規(guī)范允許變形量，說明采用雙側(cè)壁9部開挖法可以有效保證大斷面暗挖洞室施工的安全。結(jié)合實際施工揭露圍巖條件，車站基本全部位于微風化巖層中，圍巖穩(wěn)定性好，裂隙和地下水不發(fā)育，因此，開挖引起的結(jié)構(gòu)變形量較小。

(a) 整體三維模型

由圖6(b)-(e)可知，隨著拆撐長度和范圍的增加，暗挖段洞室的變形不斷增大，當二次襯砌施作完成后，最大拱頂沉降變形為14.21 mm，較未拆撐前增加了約40%，可見拆撐作業(yè)對洞室整體受力變形影響明顯。最終的結(jié)構(gòu)沉降變形量小于設(shè)計和規(guī)范允許值，說明優(yōu)化后的方案可以滿足結(jié)構(gòu)受力和變形的要求。

2.3.2 暗挖隧道段變形特征分析

由圖7(a)可知，暗挖隧道開挖引起變截面處沉降變形最大，達到沉降12.87 mm，滿足規(guī)范和設(shè)計要求，進一步說明深外站暗挖大斷面隧道采用雙側(cè)壁6部開挖法的工法可以有效控制對圍巖的擾動。

(a) 工況1

(a) 工況1

(a) 仰拱施作 (b) 澆筑邊墻和中隔板 (c) 上部二次襯砌臺車施作圖8 超大斷面暗挖車站二次襯砌施工現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.8 Construction site pictures of secondary lining in super large cross-section mined station

(a) 仰拱施作 (b) 上部二次襯砌臺車施作 (c) 小里程段上部支架施作圖9 超大斷面暗挖隧道二次襯砌施工現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.9 Construction site pictures of secondary lining in super large cross-section mined tunnel

由圖7(b)-(e)可知，隨著拆撐范圍和長度的不斷增加，區(qū)間隧道暗挖段變形不斷增大，最大變形出現(xiàn)在暗挖隧道變截面的位置，最大豎向沉降變形量為17.47 mm，增加了約35%，說明對于大斷面隧道，拆撐對結(jié)構(gòu)受力有顯著影響。但最終暗挖隧道的變形量小于設(shè)計和規(guī)范允許值，說明超大斷面連接線隧道采用"間隔拆除豎向支撐+澆筑仰拱"和"一次拆除拱部支撐+二次襯砌臺車澆筑拱部二次襯砌"的方案可以滿足結(jié)構(gòu)受力和變形要求。

3 現(xiàn)場施工效果分析

由于原設(shè)計推薦方案為采用分層支架現(xiàn)澆法，超大斷面深外站暗挖車站段最多需采用4層支架現(xiàn)澆，連接線采用3層支架現(xiàn)澆，施工工序繁雜，洞內(nèi)施工組織難度大，總工期計算要136 d，遠不能滿足節(jié)點工期要求。采用優(yōu)化后的方案，通過優(yōu)化施工組織、減少豎向分層數(shù)量、盡可能大斷面作業(yè)和二次襯砌臺車的應(yīng)用，極大地提高了施工進度，減少了施工組織和作業(yè)難度。優(yōu)化后的方案具有明顯的經(jīng)濟效益優(yōu)勢，如表4所示，優(yōu)化后的工期從136 d縮短至84 d，直接經(jīng)濟成本節(jié)約115.1萬元。

表4 優(yōu)化方案施工效果對比分析Table 4 Analysis of construction effect of optimizated scheme

為了能夠及時有效地反饋結(jié)構(gòu)動態(tài)變形信息，在深外站暗挖段施工中采用了動態(tài)信息化施工理念，通過加強監(jiān)控量測和結(jié)合理論分析技術(shù)，有效指導(dǎo)現(xiàn)場間隔拆撐的方案。從原方案的豎向支撐"隔一拆一"，變更為優(yōu)化后的"隔一拆二"方案，不僅方便了后續(xù)拆撐及中板施工組織，而且可以提高底板防水質(zhì)量；在位于仰拱范圍內(nèi)剩余段臨時中隔壁型鋼處設(shè)置止水鋼環(huán)(環(huán)長300 mm)，并設(shè)防水加強層(寬200 mm，通過寬100 mm雙面自粘膠條封縫)。

超大斷面暗挖車站整體上下從原設(shè)計的4層流水作業(yè)減少到3層流水作業(yè)，增大了洞內(nèi)的作業(yè)空間，提高了施工組織的工效。車站拱部采用二次襯砌臺車施工96 m，從原每支架現(xiàn)澆循環(huán)13 d縮短至二次襯砌臺車每循環(huán)3 d，有效加快了施工進度。超大斷面暗挖車站二次襯砌施工現(xiàn)場如圖8所示。

區(qū)間連接線由原設(shè)計的3層支架現(xiàn)澆方案優(yōu)化為：現(xiàn)澆小里程端41 m長度仍然采用3層模板支架現(xiàn)澆方案；在大里程端60 m(與車站相接段)主要采用2層現(xiàn)澆方案，仰拱以上采用二次襯砌臺車澆筑，有效加快了施工進度。超大斷面暗挖隧道二次襯砌施工現(xiàn)場如圖9所示。

4 結(jié)論與建議

本文通過分析優(yōu)化深圳地鐵8號線深外站超大斷面暗挖車站及連接線二次襯砌施工的技術(shù)方案，并基于有限元數(shù)值分析的方法，模擬了暗挖車站及連接線區(qū)間隧道的開挖、拆除臨時支撐以及施筑二次襯砌的全過程，得到以下主要結(jié)論：

1)根據(jù)理論分析、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗，將底部豎向支撐的單次拆撐長度從6 m動態(tài)調(diào)整為12 m，豎向支撐的拆除方式從原"隔一拆一"變更為"隔一拆二"，增大了作業(yè)空間，提高了循環(huán)作業(yè)的效率。

2)超大斷面暗挖車站段二次襯砌豎向分層從4層調(diào)整為3層，連接線段從3層調(diào)整為2層，上部采用大斷面二次襯砌臺車施工合計156 m，有效降低了施工組織難度，提高了施工進度。

3)將原方案的7個作業(yè)面進一步優(yōu)化調(diào)整為4個，極大減小了洞內(nèi)工序交叉，有效減輕了斜井和豎井施工組織的難度，提高了洞內(nèi)作業(yè)效率。

4)有限元分析結(jié)果表明，拆除臨時支撐對結(jié)構(gòu)變形有顯著影響，采用優(yōu)化后的方案，拆撐及二次襯砌施工引起超大斷面暗挖車站的最大拱頂沉降變形量為14.2 mm，連接線隧道段的最大拱頂沉降變形量為17.5 mm，均滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

對于深外站明暗相接的淺埋段，由于上覆土層只有10 m多，仍采用了原設(shè)計支架現(xiàn)澆的方案，下一步可研究對周邊圍巖采用徑向深孔注漿加固，形成一定厚度的加固承載圈，在此基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化拆撐方案及施工組織方式。