拱蓋法施工技術(shù)在城市軌道交通大跨度車站的應(yīng)用研究

石浩男 程波 賈立民

摘 要：為滿足城市軌道交通客流量日益增長的需求，特大斷面車站因其跨度大、占地少等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。因此，在具有特殊巖土組合性質(zhì)地層的城市，具有更安全、更高效等優(yōu)點的施工工藝才是特大斷面車站的研究方向。文章對城市軌道交通大跨度車站上部拱蓋法施工進行論述，著重對開挖過程中的難點及控制重點進行分析，在開挖過程中使用現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導施工，并對施工過程進行動態(tài)風險綜合分析。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;大跨度車站;拱蓋法;施工技術(shù);應(yīng)用研究

中圖分類號：U231+.3

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市人口的快速增加，城市交通擁堵問題越來越凸顯，并成為束縛城市經(jīng)濟迅速發(fā)展的首要問題。地鐵憑借其安全性能好、環(huán)境污染少、運載容量大、能耗較低等優(yōu)點而受到工程師的青睞。明挖法、暗挖法和蓋挖法是國內(nèi)外地鐵車站修建的3種主要方法。目前，位于城市繁華地段的車站越來越多，為弱化施工帶來的影響，在一些地質(zhì)條件允許的地方，暗挖法施工因具有結(jié)構(gòu)形式靈活多變、對地面建筑和地下管線影響不大、征地拆遷少等優(yōu)點而成為主流。在區(qū)域性施工經(jīng)驗和理論研究的基礎(chǔ)上，大連、重慶等具有巖土組合性質(zhì)地層的城市，推出了適合于當?shù)氐氖┕すに?，并獲得了良好的效益。其中，拱蓋法更能合理地利用巖土組合的地層性質(zhì)，達到增加基底承載面積、提高承載能力、高效施工、節(jié)約成本和縮短工期的效果。拱蓋法包括3種施工方法：疊合初支拱蓋法、二襯拱蓋法和初支拱蓋法。疊合初支拱蓋法和初支拱蓋法只是在結(jié)構(gòu)形式上有些微差別，相同點是均采用了初支加強的方法以提高拱蓋承載力。

1 車站工程概況及施工工藝

1.1 工程概況

重慶市軌道交通某車站地質(zhì)縱剖面從上至下依次為第四系素填土、強風化砂巖、中風化砂巖及砂質(zhì)泥巖。車站基本位于中風化砂巖、砂質(zhì)泥巖與砂巖互層中。地下水主要為第四系松散層孔隙水、裂隙水。圍巖級別為Ⅳ級，地質(zhì)條件為典型的上軟下硬地層，適合拱蓋法施工條件。斷面開挖寬度為25.7～30.053 m，開挖高度為30.053 m，車站開挖斷面面積為675 m2。

1.2 施工工藝

1.2.1 施工總體思路

車站主體開挖按照拱蓋法施作。首先施工車站拱蓋部分，采用雙側(cè)壁導坑法進行，具體分為以下6步。

（1）車站上部左上導坑開挖支護。

（2）車站上部右上導坑開挖支護;其開挖形式、參數(shù)同左上導洞，左右上導洞掌子面開挖相互錯開10 m。

（3）車站上部左下、右下導坑開挖支護。

（4）中導坑開挖支護。

（5）分段（分段長度以滿足一模二襯澆筑為準）拆除斷面上部臨時支護，并加強施工監(jiān)控量測。澆筑臺車行走軌道支撐C40混凝土臨時底板結(jié)構(gòu)，并鋪設(shè)雙層8 mm @200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)。

（6）分段施作上部防水層，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，適時施作上部拱蓋二襯結(jié)構(gòu)。拱蓋二襯混凝土采用全液壓式定型臺車澆筑，按照6 m每模施工，采用有軌定型臺架進行防水層鋪設(shè)及鋼筋綁扎工作，二襯與上部中導坑核心土的距離須控制在安全間距范圍內(nèi)。

通過車站施工通道接入車站主體負一層，進行拱蓋施工工序轉(zhuǎn)換，采用雙側(cè)壁導坑法分別往車站大里程和小里程方向開挖車站上部拱蓋，以及附屬結(jié)構(gòu)出入口、風道開挖至變形縫位置。拱蓋側(cè)導洞開挖支護完成后，需分別在大小里程各拆除40 m核心土（避開風道和出入口范圍）作為拱蓋襯砌臺車組拼裝區(qū)。

拱蓋二襯施工完成后，再進入車站下部施工。

1.2.2 工藝流程

（1）車站施工流程如圖1所示。

（2）車站拱蓋上下部分層施工順序斷面如圖2所示。

車站拱蓋部分采用雙側(cè)壁導坑法進行開挖，開挖寬度為30.053 m，高度為12.115 m，面積為301.541 m2，要求采用短進尺（單步開挖進尺應(yīng)根據(jù)圍巖級別及完整性確定）開挖，及時施作初支和二襯，并要求左右導洞掌子面應(yīng)相互錯開10 m。待左右導洞開挖完成后，中間核心土根據(jù)施作二襯需要進行開挖，核心土與二襯工作面保持30 m間距。大拱腳位置開挖輪廓2.5 m范圍內(nèi)為保證大拱腳處圍巖的完整性，采用機械開挖、人工配合方式施工，其他區(qū)域采用控制爆破，需嚴格控制爆破振速。導洞開挖完成后，及時進行初期支護及臨時支護，并加強施工過程中監(jiān)控量測，記錄、統(tǒng)計、分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及圍巖變化情況，及時調(diào)整施工工藝及初支參數(shù)。

2 拱蓋法開挖過程中的難點及風險控制

2.1 超大斷面隧道開挖

車站開挖斷面面積屬于超大隧道斷面。車站隧道施工采用拱蓋洞內(nèi)逆作法，針對該工法，工程的重難點和風險控制描述如下。

（1）大跨度隧道拱部開挖。車站采用拱蓋法施工，為滿足設(shè)置大拱腳需要，車站斷面拱部的開挖寬度進一步增加，相應(yīng)增加了工程風險。為控制工程風險，隧道拱部采用雙側(cè)壁導坑法施工，斷面按照前文所述的6步進行開挖。以新奧法基本原理為依據(jù)，初支采用格柵鋼架，掛鋼筋網(wǎng)片、噴混凝土柔性支護體系，及時施作，使斷面及早閉合，以充分利用圍巖的自承載能力，控制圍巖變形。

（2）拱腳位置圍巖穩(wěn)定性。車站雖然采用拱蓋法施工，但其屬于深埋隧道，隧道拱部的圍巖非松散體具有良好的自穩(wěn)能力，拱部施工以新奧法基本原理為依據(jù)，施工期間采用圍巖和支護聯(lián)合作用，以圍巖為主要的承載體，拱部承載的主要荷載為拱蓋自重和少數(shù)圍巖形變荷載。保證拱腳部位的圍巖穩(wěn)定性是采用拱蓋法的重點和難點，主要技術(shù)措施有：①如前文所述加強支護，保證隧道側(cè)墻穩(wěn)定性;②拱腳部位設(shè)置縱向托梁（二襯暗梁），不僅能夠優(yōu)化拱腳部位結(jié)構(gòu)防水，而且能夠起到變形協(xié)調(diào)和受力傳遞作用，使得局部的變形突變或受力集中能夠縱深傳遞，從而保證隧道整體穩(wěn)定;③拱蓋大拱腳部位采用人工開挖。

（3）施工監(jiān)控量測。通過建立一套信息化施工管理監(jiān)控量測系統(tǒng)，隨時動態(tài)掌握圍巖支護結(jié)構(gòu)在施工過程中的變化，隨偏隨糾，及時調(diào)整設(shè)計參數(shù)和施工工藝，保證施工過程安全無誤。

2.2 施工對周邊環(huán)境影響及控制措施

車站為深埋隧道，從隧道與周邊環(huán)境空間關(guān)系上判斷，在保證隧道洞室穩(wěn)定的前提下，隧道施工對周邊環(huán)境影響小，主要的影響是爆破施工帶來的震動。因此，要求在施工中應(yīng)嚴格控制爆破振速（不應(yīng)大于2 cm/s），以便減小施工過程中對地表建筑物的影響，同時要求加強對建筑物的監(jiān)控量測。

2.3 拱蓋法施工控制重點

（1）拱蓋法屬于一種特殊的地下暗挖法，其理論可完全參照地下工程淺埋暗挖法。在淺埋條件下，以控制地表沉降為重點、改造地質(zhì)條件為前提、錨噴和格柵等作為初支修建地下工程。設(shè)計和施工來自“十八字”原則——管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測。

（2）對地下水采取降水、堵水、排水或其相結(jié)合等措施，保證施工時工作面干燥無水，前期遵循雙側(cè)壁導坑法的施工原理，做好超前加固措施，嚴格控制協(xié)調(diào)開挖與支護，為控制沉降，初支背后應(yīng)及時補注漿。

（3）要加強對冠梁下側(cè)巖層在主體土石方分層開挖時的保護，當局部地質(zhì)條件較差時，可采取鋼管樁等圍護結(jié)構(gòu)及小導管注漿等地層超前加固等措施，確保冠梁下側(cè)巖體的完整性。在施工過程中，要加強爆破控制，采用小藥量、短進尺、水壓爆破等方式方法，最大限度地降低對掌子面圍巖和初支結(jié)構(gòu)的影響。

（4）采取相應(yīng)措施對前期預(yù)留防水卷材進行保護，做好全包防水卷材的預(yù)留工作和施工工序銜接，避免在對混凝土進行破除時防水卷材遭到破壞。

（5）加強施工過程中的監(jiān)控量測，特別是洞內(nèi)拱頂和地表沉降及側(cè)墻收斂情況。將檢測采集到的測量結(jié)果與數(shù)值模擬的預(yù)測數(shù)值相比較，以此研判通過預(yù)測數(shù)值確定的支護參數(shù)和施工工藝是否達到預(yù)期效果，并以此為依據(jù)調(diào)整和確定下一步支護參數(shù)和施工工藝，以確保周邊建筑物、構(gòu)筑物及道路和管線安全。

3 施工監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是新奧法施工的重要組成部分，也是地鐵鉆爆施工中非常重要的工作之一，還是掌握工程施工中圍巖動態(tài)變化過程的手段，通過對監(jiān)控數(shù)據(jù)的回歸分析可以預(yù)測圍巖的最終位移等，進而有效地指導隧道設(shè)計與施工。

同時，監(jiān)控量測是掌握工程施工對周邊環(huán)境影響程度的重要手段。通過對周邊環(huán)境布設(shè)監(jiān)測點的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果分析，在保證周邊環(huán)境安全的前提下，工程施工前采取相應(yīng)的加固措施，可為確定和修正初支采用的參數(shù)以及二次襯砌混凝土的支護時間提供依據(jù)，還可為今后類似的隧道工程設(shè)計與施工提供類比資料和依據(jù)。通過監(jiān)控量測可達到以下目的：

（1）將檢測采集到的測量結(jié)果與數(shù)值模擬的預(yù)測數(shù)值相比較，以此判斷通過預(yù)測數(shù)值確定的支護參數(shù)和施工工藝是否達到預(yù)期的效果，并以此為依據(jù)調(diào)整和確定下一步的支護參數(shù)和施工工藝，以確保施工安全;

（2）及時將現(xiàn)場監(jiān)控量測得到的信息、數(shù)據(jù)反饋給設(shè)計單位，以便設(shè)計單位根據(jù)現(xiàn)場實際情況，調(diào)整、修改完善設(shè)計內(nèi)容，使設(shè)計更加經(jīng)濟合理、優(yōu)質(zhì)安全;

（3）用反分析法對監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬演算出的理論預(yù)測值進行分析計算，使設(shè)計更加符合現(xiàn)場實際情況，并為以后的工程建設(shè)積累寶貴經(jīng)驗;

（4）通過圍巖的變形情況和應(yīng)力值的變化曲線，驗證支護及襯砌是否達到設(shè)計的要求，減小地表沉降，以保證周邊支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及地表建筑和周邊管線的安全;

（5）研究圍巖和支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在不同力學狀態(tài)下的動態(tài)情況，通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及其變化曲線的分析，為判斷其是否處于基本穩(wěn)定狀態(tài)提供理論依據(jù)，方便今后的日常施工管理。

4 結(jié)語

拱蓋法遵循地下暗挖技術(shù)理論，并且汲取柱洞法（PBA）的優(yōu)點，結(jié)合蓋挖法、明挖法等理論要點，適用于部分上軟下硬的特殊施工環(huán)境和地質(zhì)條件。該工法既有蓋挖法有效控制周圍土體變形和地表沉降，有利于保護周圍建筑物及構(gòu)筑物等特點，又有不影響上敷交通通行等優(yōu)點;同時在拱蓋成形以后，對下部開挖起到了“掩護”的作用，取得了良好的經(jīng)濟收益和社會效益。

參考文獻

[1]晉學輝.紅旗河溝大型暗挖車站施工力學研究[D].重慶：重慶交通大學，2012.

[2]Keiichi Fujita. DEEP EXCAVATIONS IN SOFT GROUND[J]. 1994（499）：1-12.

[3]N. Loganathan. Analytical Prediction for Tunneling-Induced Ground Movements in Clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998（124）：9.

[4]Tan WL， Ranjith PG. Parameters and considerations in soft ground tunneling[J].Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2003（8）：1-15.

[5]鐘國.地鐵車站的一種新型暗挖施工工法——拱蓋法[J].城市軌道交通研究，2012，15（8）：145-148.

[6]王明年，何川，翁漢民，等. 3車道隧道模型試驗研究及有限元分析[J].公路，1995（9）：19-28.

[7]楊忠年，紀召啟，劉泉維.拱蓋法隧道圍巖穩(wěn)定性模型試驗研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014（5）：85-91.

[8]呂波.暗挖地鐵車站拱蓋法關(guān)鍵施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014（3）：187-193.

[9]周武.地鐵施工中拱蓋法大斷面開挖支護技術(shù)研究[J].中國住宅設(shè)施，2018（4）：141-142，140.

[10] 王安東.一種新拱蓋法——疊合初支拱蓋法的特點與應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2016（1）：48-52，57.

[11] 張國華，陳海勇，鄧昆，等重慶地區(qū)層狀巖地層超大斷面暗挖地鐵車站施工工法比選[J].城市軌道交通研究，2019，22（3）：137-141，173.

[12] 陳萬麗，張魯明，陳立鵬，等.硬巖地層中扁平大跨隧道拱蓋法施工優(yōu)化分析[J].鐵道建筑，2019，59（6）：51-54.

[13] 遲建平.淺埋暗挖法在青島地鐵車站施工中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2014，17（2）：129-133.

[14] 楊忠年.拱蓋法隧道圍巖穩(wěn)定性模型試驗研究[C]// 2014 中國隧道與地下工程大會（CTUC）暨中國土木工程學會隧道及地下工程分會第十八屆年會優(yōu)秀論文匯編.中國土木工程學會隧道及地下工程分會，2014：91-97.

[15] Roberto Kochen， José Carlos O. Andrade. Predicted behavior of a subway station in weathered rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mininge Sciences，1997，34（3-4）：160.e1-160.e13.

[16] 趙迎，霍奇，宋戰(zhàn)平，等.大跨暗挖車站疊合初支拱蓋法施工適應(yīng)性研究[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2019，51（5）：688-694.

[17] 姚再峰，郭小紅，晁峰，等.超大跨度暗挖地鐵車站單層初期支護拱蓋法技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019（S2）：631-637.

收稿日期 2020-02-12

責任編輯黨選麗