淺埋暗挖大跨地鐵車站拆撐方案研究

張洪達(dá)

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401123)

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展，城市綜合癥[1]日益凸顯，如規(guī)劃紅線收緊、交通導(dǎo)改困難、房屋征遷制約等問題逐漸顯現(xiàn)。因此，對(duì)地面環(huán)境依賴程度低、影響小的隧道淺埋暗挖工法越來越受到工程界的青睞，采用該工法施工的隧道多埋深淺、跨度大、地質(zhì)差，為確保安全，修筑時(shí)常在隧道內(nèi)部設(shè)置多道支撐減跨，采用“化大為小、化整為零、分塊開挖、逐環(huán)封閉”的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[2]施工，確保隧道自身及周邊環(huán)境的安全。該類工法成敗的關(guān)鍵在于臨時(shí)支撐拆除后殘余的承載體系是否仍能夠維持二襯模筑期間隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3-4]，若能則可確保施工安全，否則會(huì)遭遇塌方、冒頂?shù)仁鹿蔥5]。

為探尋合理的拆撐方案，在深圳地鐵涼帽山站[6]、青島地鐵江西路站[7]、六沾鐵路烏蒙山2號(hào)出口車站[8]等大跨暗挖車站隧道施工中對(duì)拆撐設(shè)計(jì)進(jìn)行分析；青島地鐵某車站拱蓋法[9]開挖、廈門東通道翔安隧道CRD工法[10]及贛龍鐵路新考塘隧道雙層初期支護(hù)[11]工況下分別對(duì)臨時(shí)支撐拆除的安全性開展研究。由于具體工程的工況差異，洞身跨度、拱頂埋深、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)等條件的不同，拆撐方案各異。本文以青島地鐵4號(hào)線錯(cuò)埠嶺站工程為例，采用數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)相結(jié)合的方式，分析不同拆撐分區(qū)和單次拆撐長(zhǎng)度對(duì)暗挖結(jié)構(gòu)的影響，選定并驗(yàn)證最優(yōu)拆撐方案[12]。

1 工程概況

青島地鐵4號(hào)線錯(cuò)埠嶺站位于遼陽西路正下方，為13 m寬標(biāo)準(zhǔn)島式站臺(tái)換乘車站，開挖寬度為23.9 m，支護(hù)斷面設(shè)計(jì)為單拱直墻結(jié)構(gòu)形式，拱頂埋深約15 m，整個(gè)洞身的圍巖主要為軟弱、破碎、富水的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，僅仰拱局部為中風(fēng)化花崗巖，綜合圍巖等級(jí)判定為Ⅳ級(jí)，施工中遭遇不良地質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高。綜合比選采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，共分為3層9導(dǎo)坑，開挖順序?yàn)橄确謧?cè)后分層，同層水平導(dǎo)坑掌子面縱向錯(cuò)距控制為不低于15 m，同側(cè)上下導(dǎo)坑掌子面縱向錯(cuò)距控制不低于8 m，典型施工步序如圖1所示。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法典型施工步序示意

根據(jù)地質(zhì)圍巖條件，拱部采用Φ108 mm超前大管棚支護(hù)，以防開挖期間掌子面正前方圍巖塌方、冒頂，側(cè)墻采用Φ25 mm中空注漿錨桿支護(hù)，全環(huán)鋼架采用縱向間距0.5 m的“8字節(jié)”格柵鋼架，噴射混凝土為350 mm厚C25濕噴混凝土，臨時(shí)內(nèi)撐采用I25a型鋼，縱向間距同格柵鋼架，基面掛網(wǎng)噴混凝土厚度300 mm。

2 拆撐方案設(shè)計(jì)

暗挖隧道拆撐施工屬于典型的巖土非線性靜力問題，拆撐方案選擇不當(dāng)，極易引起支護(hù)體系失穩(wěn)、拱頂塌方等安全事故。目前，施工常用的拆撐方式為“跳倉法”拆撐，即將縱向貫通后的隧道劃分為若干個(gè)等間距的分區(qū)，同時(shí)拆除多個(gè)分區(qū)支撐，并置換為鋼筋混凝土二次襯砌結(jié)構(gòu)，待二襯達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行下一分區(qū)拆撐施工，如此循環(huán)直至縱向結(jié)構(gòu)通長(zhǎng)合龍。具體拆撐分區(qū)如圖2所示，其中相鄰2個(gè)拆撐分區(qū)之間的區(qū)段稱為隔倉分區(qū)，隔倉分區(qū)即為后續(xù)循環(huán)的拆撐分區(qū)，二者呈整數(shù)的倍數(shù)關(guān)系。

圖2 “跳倉法”拆撐分區(qū)示意

由圖2可知，從受力、變形、能量視角分析，拆撐前圍巖-支護(hù)承載體達(dá)到新的力學(xué)平衡、變形協(xié)調(diào)、能量穩(wěn)態(tài)，而拆撐施工將再次打破這種平衡、協(xié)調(diào)和穩(wěn)態(tài)。若拆撐分區(qū)殘余初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與隔倉分區(qū)二次襯砌結(jié)構(gòu)所形成的“空間棚護(hù)效應(yīng)”能夠代替拆撐分區(qū)的“內(nèi)撐減跨作用”，則表明圍巖-支護(hù)承載體能夠達(dá)到新的平衡狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞或變形失穩(wěn)。顯然，拆撐施工是否引起承載系統(tǒng)失穩(wěn)、破壞，與拆撐分區(qū)長(zhǎng)度密切相關(guān)。當(dāng)拆撐分區(qū)長(zhǎng)度超過某一定值時(shí)，“空間棚護(hù)效應(yīng)”難以等同代替“內(nèi)撐減跨作用”，拆撐分區(qū)殘余支護(hù)結(jié)構(gòu)接近或直接退化成為“平面應(yīng)變問題”則極易引起承載系統(tǒng)失穩(wěn)、破壞。針對(duì)本工程，拆撐設(shè)計(jì)方案如下：

1) 間隔若干個(gè)“隔倉分區(qū)”拆除多個(gè)“最優(yōu)拆撐分區(qū)”的臨時(shí)支撐，以期在保證隔倉分區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)隧道縱向多分區(qū)、多模板流水拆撐及模筑襯砌作業(yè)的目的。

2) 選擇某一拆撐分區(qū)作為首拆試驗(yàn)段，要求盡量選擇地質(zhì)條件相對(duì)較好、非交叉口區(qū)域，以免首拆試驗(yàn)失敗而引起冒頂、塌方事故。

3) 拆撐時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循“試拆、跳拆”的原則。跳拆即隔2拆1，試拆即在豎撐頂部切除約2 m～3 m寬缺口，觀察缺口閉合速率，若速率穩(wěn)定再行繼續(xù)拆除剩余支撐，直至形成縱向6 m長(zhǎng)的拆撐分區(qū)。

4) 待首拆分區(qū)順利模筑襯砌且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未見異常后，可將拆撐分區(qū)長(zhǎng)度擴(kuò)大至9 m，依次重復(fù)上述2)～3)步，直至摸索到既能保證拆撐施工安全，又能最大化施工作業(yè)效率的最優(yōu)拆撐分區(qū)長(zhǎng)度。

3 數(shù)值分析

采用Midas-GTS-NX有限元計(jì)算軟件，分別建立不同拆撐、隔倉分區(qū)長(zhǎng)度的地層-結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示，地層采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)關(guān)系，初支結(jié)構(gòu)采用植入式桁架+彈性本構(gòu)關(guān)系，模型四周設(shè)置水平約束，底邊采用固定邊界，頂部為自由地表。

圖3 地層-結(jié)構(gòu)荷載模型

數(shù)值模型巖土體計(jì)算參數(shù)均摘自地勘報(bào)告，自上而下揭露的地層分別為填土、粉質(zhì)粘土、粗礫砂、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖，各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)

復(fù)合式襯砌流水作業(yè)主要包括防水層施作、襯砌鋼筋安裝、模筑混凝土3個(gè)主要施工環(huán)節(jié)，考慮到相鄰拆撐分區(qū)之間防水板和縱向鋼筋搭接的空間需求，最小拆撐分區(qū)長(zhǎng)度設(shè)定為6 m，平均間隔3 m為一個(gè)計(jì)算步距，共分為H=6 m、9 m、12 m、15 m四種計(jì)算工況，約為1/4～5/8的開挖洞跨，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由于暗挖隧道塌方、冒頂?shù)葹?zāi)難性事故的發(fā)展歷程，主要是拱部初支變形加劇進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)破壞，因此本文以拱部豎向位移和圍巖塑性區(qū)作為穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用增量法[13]分析不同拆撐分區(qū)長(zhǎng)度時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

從圖4可知，最大豎向位移發(fā)生在豎撐節(jié)點(diǎn)處，其值隨著拆撐分區(qū)長(zhǎng)度的增加而增大。當(dāng)拆撐分區(qū)長(zhǎng)度H=6 m時(shí)，豎向位移為6.55 mm；當(dāng)拆撐分區(qū)長(zhǎng)度H=15 m時(shí)，豎向位移為12.24 mm，增幅可達(dá)86.9%。由此可見，拆撐分區(qū)長(zhǎng)度越大，拆撐引起的拱頂初支沉降量越大，越不利于殘余初支承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制。而且，隨著拆撐分區(qū)長(zhǎng)度的增加，拆撐引起的變形區(qū)域也在逐漸擴(kuò)大。當(dāng)拆撐分區(qū)長(zhǎng)度H=12 m時(shí)，左右兩側(cè)1#與4#導(dǎo)坑豎向位移影響范圍逐漸貫通并擴(kuò)展到7#導(dǎo)坑，并沿著7#導(dǎo)坑縱向延伸、發(fā)展，說明拆撐分區(qū)長(zhǎng)度越大，殘余承載體系的“空間棚護(hù)效應(yīng)”越弱，越難以維持拆撐后所形成大跨結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。不同拆撐分區(qū)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)分布云圖如圖5所示。

從圖5可以看出，臨時(shí)支撐拆除瞬間釋放支撐節(jié)點(diǎn)支反力，臨近區(qū)域圍巖失去支撐約束后發(fā)生應(yīng)力重組，部分圍巖進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，且隨著拆撐分區(qū)長(zhǎng)度的增加，塑性破壞區(qū)面積不斷增大，其平均破壞深度分別為2.3 m、2.7 m、3.4 m、3.7 m，并逐漸呈現(xiàn)出向7#導(dǎo)坑蔓延的趨勢(shì)，但兩側(cè)1#、4#導(dǎo)坑塑性破壞區(qū)始終沒有貫通，說明拆撐主要影響區(qū)域位于支撐節(jié)點(diǎn)附近一定區(qū)域，但拱頂7#導(dǎo)坑圍巖隨著拆撐分區(qū)的增加存在進(jìn)入塑性流動(dòng)破壞的潛在可能，這一點(diǎn)與豎向變形云圖分析結(jié)果相互印證、吻合。

(a) H=6 m

(b) H=9 m

(c) H=12 m

(d) H=15 m

(a) H=6 m

(b) H=9 m

(c) H=12 m

(d) H=15 m

基于上述數(shù)值分析結(jié)果，考慮到拱部?jī)蓚?cè)導(dǎo)坑初支豎向變形尚未貫通，且拆撐節(jié)點(diǎn)附近圍巖塑性區(qū)面積、破壞深度可控，選擇H=9 m作為最優(yōu)拆撐分區(qū)長(zhǎng)度，分別給出隔倉分區(qū)長(zhǎng)度K=2H、3H時(shí)的拱部初支豎向位移云圖，如圖6所示。

(a) K=2H

(b) K=3H

從圖6可以看出，當(dāng)隔倉分區(qū)長(zhǎng)度K=2H時(shí)，相鄰拆撐分區(qū)初支拱頂沉降范圍已經(jīng)貫通，隔倉分區(qū)初支拱頂沉降值1.67 mm，僅占拆撐分區(qū)沉降量的18.65%；當(dāng)隔倉分區(qū)長(zhǎng)度K=3H時(shí)，相鄰拆撐分區(qū)初支拱頂沉降范圍尚未貫通，隔倉分區(qū)初支拱頂沉降也只有0.18 mm，說明相鄰拆撐分區(qū)施工互不影響，這一點(diǎn)從K=3H時(shí)，拆撐分區(qū)初支拱頂沉降數(shù)值略小于K=2H工況亦可看出。因此，基于上述數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果，綜合考慮到多模板、多區(qū)段同時(shí)模筑流水作業(yè)，隔倉分區(qū)長(zhǎng)度選擇K=2H工程性價(jià)比較高。

4 施工監(jiān)測(cè)

錯(cuò)埠嶺站隧道采用拆撐、隔倉分區(qū)長(zhǎng)度分別為H=9 m、K=2H=18 m的拆撐設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)格遵循“試拆、跳拆”的拆撐原則，已安全、順利、高效地完成了主體拆撐置換二襯的施工，拆撐關(guān)鍵步序的現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖7所示，“隔二拆一”方案中各導(dǎo)洞拱頂及支撐點(diǎn)處沉降曲線如圖8所示。

(a) 拆撐施工

(b) 二襯洞通

圖8 “隔二拆一”方案支護(hù)結(jié)構(gòu)拱部沉降曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)量控?cái)?shù)據(jù)[14-15]分析，兩側(cè)1#、4#邊導(dǎo)坑拱頂沉降約為3.7 m～5.6 mm，支撐節(jié)點(diǎn)拱頂沉降約為7.9 m～9.6 mm，7#導(dǎo)坑正拱頂沉降約為1.3 m～2.1 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果吻合度較高，拆撐期間洞頂變形平均收斂時(shí)間約為1.5 d～3.3 d，整個(gè)施工過程并未發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形、開裂或坍塌等險(xiǎn)情，支護(hù)承載體系受力安全、變形可控，充分說明本文所選擇的拆撐設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)可靠。

5 結(jié)束語

1) 錯(cuò)埠嶺站隧道采用拆撐分區(qū)長(zhǎng)度與隔倉分區(qū)長(zhǎng)度分別為H=9 m、K=18 m的拆撐方案，遵循“試拆、跳拆”的原則，通過了現(xiàn)場(chǎng)施工檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、快速的拆撐效果。

2) 有限元計(jì)算表明，拆撐影響范圍主要集中在各自拆撐分區(qū)長(zhǎng)度內(nèi)，整體呈“橢圓”狀分布，并隨著拆撐分區(qū)長(zhǎng)度的增加逐漸呈現(xiàn)出由拆撐分區(qū)向隔倉分區(qū)蔓延、由拱頂向地表發(fā)展的趨勢(shì)；隔倉分區(qū)越大越有利于改善豎撐結(jié)構(gòu)的受力、變形狀態(tài)，越有助于維持大跨結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)表明，拆撐時(shí)支撐節(jié)點(diǎn)拱頂沉降值大于導(dǎo)坑正拱頂處，各觀測(cè)點(diǎn)沉降值均小于10 mm，支撐承載體系變形可控。

4) 通過有限元計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，選擇H=9 m、K=18 m的拆撐方案，可保證本工程自身風(fēng)險(xiǎn)與周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)可控，實(shí)現(xiàn)安全、快速、高效地完成拆撐施工。但本文結(jié)論是在強(qiáng)風(fēng)化軟弱、破碎、富水超淺埋大跨隧道所得出的，該參數(shù)是否適應(yīng)于其他軟土地層仍需根據(jù)具體工程進(jìn)一步驗(yàn)證。