淺埋超大斷面地鐵車站拱蓋支柱法施工力學(xué)行為研究
——以貴陽(yáng)地鐵3號(hào)線北京路站為例

孔德禹，饒軍應(yīng)，梅世龍，王 勇，趙世新，佘玉華

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州大學(xué)城市與建筑規(guī)劃學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；4.中鐵五局集團(tuán)貴州工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

0 引言

地鐵作為民生工程，具有運(yùn)量大、速度快、不侵占地面空間等優(yōu)點(diǎn)，可有效緩解交通壓力[1-2]。但在地鐵車站建設(shè)中，因車站跨度大、埋深淺，又地處建筑、管線等密集區(qū)，而不得不采用淺埋暗挖技術(shù)施工。地鐵車站建設(shè)常用的淺埋暗挖工藝有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法、拱蓋法、洞樁法(PBA)等[3]，各施工方法均會(huì)對(duì)周圍環(huán)境、安全、居民生活等產(chǎn)生不同程度的影響，各工法選擇也因地質(zhì)而異，時(shí)常根據(jù)地質(zhì)條件及周邊環(huán)境而做出改進(jìn)，從而衍生出諸多地鐵車站施工的新工藝、新方法。

學(xué)者們對(duì)新工法的施工力學(xué)行為等相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展系列深入研究。例如：張子龍等[4]、孔超等[5]研究拱蓋法施工過(guò)程中地層變形規(guī)律和拱蓋結(jié)構(gòu)受力特征，針對(duì)各施工階段力學(xué)響應(yīng)的特點(diǎn)提出相應(yīng)的施工措施；隗志遠(yuǎn)等[6]對(duì)雙層初期支護(hù)拱蓋法施工過(guò)程的力學(xué)行為進(jìn)行研究，重點(diǎn)探究了臨時(shí)豎撐拆除時(shí)的力學(xué)效應(yīng)；高勝雷[7]對(duì)棚蓋法平頂暗挖地鐵車站施工力學(xué)行為進(jìn)行研究，得到管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下地鐵車站開(kāi)挖引起的地層沉降規(guī)律和管幕結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)；周穩(wěn)弟等[8]、劉加柱等[9]以洞樁法地鐵車站為工程背景，研究不同施工階段引起的地表沉降和車站結(jié)構(gòu)受力，得到擾動(dòng)地層較大的施工階段和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征；汪成兵等[10]對(duì)地面3層框架結(jié)構(gòu)建筑物下方地鐵車站中洞法施工的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究，得到地表及建筑物頂部沉降、地表水平位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的變化趨勢(shì)；劉罡[11]、晏啟祥等[12]等開(kāi)展了洞樁法施工力學(xué)行為模型試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬分析，揭示了洞樁法地鐵車站施工過(guò)程中車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力值變化特點(diǎn)。

綜上所述，地鐵車站施工力學(xué)行為的研究主要是施工過(guò)程對(duì)地層的擾動(dòng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力2方面。

本文依托貴陽(yáng)地鐵3號(hào)線北京路站在建工程，根據(jù)該工程所處特殊地質(zhì)條件與地面環(huán)境，研究提出一種新型施工工法——拱蓋支柱法。拱蓋支柱法利用了PBA法特點(diǎn)開(kāi)挖下部導(dǎo)洞并施作基礎(chǔ)，結(jié)合中洞法施作上部結(jié)構(gòu)，形成梁、拱、柱連接的頂部支承結(jié)構(gòu)，發(fā)揮拱蓋法[13]和拱柱法[14-15]的支承優(yōu)點(diǎn)，最后采用順作法或逆作法施工車站下部結(jié)構(gòu)。此法施工工序較為簡(jiǎn)單，臨時(shí)鋼支撐較少，可有效縮短工期，減少工程材料浪費(fèi)，目前學(xué)者們關(guān)于此法的施工力學(xué)特征方面研究較少，故開(kāi)展拱蓋支柱法地鐵車站施工力學(xué)行為研究很有必要。

基于此，本文利用有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)拱蓋支柱法施工過(guò)程中的圍巖變形、地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，探究拱蓋支柱法施工過(guò)程中的力學(xué)特性，以期為后續(xù)施工和類似工程提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

貴陽(yáng)地鐵3號(hào)線北京路站位于安云路與北京路十字交叉路口下方，與軌道交通1號(hào)線換乘，沿北京路呈東西方向布置，具體平面位置見(jiàn)圖1。車站范圍內(nèi)建構(gòu)筑物密集，地下和地上管網(wǎng)密集，交通環(huán)境特別復(fù)雜。

圖1 貴陽(yáng)地鐵3號(hào)線北京路站平面位置圖

車站為地下2層島式站臺(tái)，有效站臺(tái)寬15.5 m，有效站臺(tái)中心里程為YDK34+152.25。采用礦山法施工，主體總長(zhǎng)259.5 m，凈寬22.8 m，最大開(kāi)挖寬度為28.02 m，車站線路由大里程向小里程2‰下坡，大小里程端均接礦山法區(qū)間。主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面埋深為9.8～13.0 m，屬于超大斷面極淺埋地下工程；主體結(jié)構(gòu)采用拱蓋支柱法施工。

地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，場(chǎng)地范圍內(nèi)巖土層自上而下主要為雜填土、紅黏土、三疊系安順組白云巖；不良地質(zhì)主要為巖溶、地面塌陷、滑坡和崩塌；場(chǎng)區(qū)地下水位較淺，表層人工填土中地下水較豐富，紅黏土等黏性土中地下水較微弱，基巖中巖溶裂隙水較豐富。結(jié)合車站埋深、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，車站拱頂以上圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，車站拱頂以下圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)。北京路站地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖2，標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖3。

圖2 北京路站地質(zhì)縱斷面圖

圖3 北京路站標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖(單位：mm)

1.2 拱蓋支柱法施工工序

拱蓋支柱法是根據(jù)多種工法的特點(diǎn)探索出的一種新型施工工法。它利用洞樁法的特點(diǎn)先開(kāi)挖下部導(dǎo)洞并施作底部基礎(chǔ)，再運(yùn)用中洞法施作上部結(jié)構(gòu)，通過(guò)人工挖孔樁施作鋼管柱，形成梁、拱、柱連接的頂部支承結(jié)構(gòu)，最后采用逆作法或順作法施工下部結(jié)構(gòu)。理論上能加快施工進(jìn)度，減少工程材料浪費(fèi)，還能有效控制地層變形，但目前缺乏實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

貴陽(yáng)地鐵3號(hào)線北京路站工程在遵循理論計(jì)算與工程實(shí)踐類比相結(jié)合的原則上，運(yùn)用和引進(jìn)地下工程施工的新技術(shù)、新工藝和新材料，決定把施工方案由中洞法變更為拱蓋支柱法施工，具體施工步序可分為頂部支承結(jié)構(gòu)施工階段及車站下部結(jié)構(gòu)施工階段。

1.2.1 車站頂部支承結(jié)構(gòu)施工階段

1)中部結(jié)構(gòu)施工。先開(kāi)挖下部①、②號(hào)導(dǎo)洞，施作初期支護(hù)；然后開(kāi)挖上部③、④號(hào)中導(dǎo)洞，施作初期支護(hù)；最后施工車站底板防水、底部基礎(chǔ)(底縱梁及部分底板)，采用人工挖孔樁施工中柱，跳槽拆除豎向臨時(shí)中隔墻，施工頂板防水、頂縱梁和部分拱部結(jié)構(gòu)，具體步驟見(jiàn)圖4。

(a)開(kāi)挖導(dǎo)洞①、②，施作初期支護(hù)

2)兩側(cè)結(jié)構(gòu)施工。首先開(kāi)挖上部⑤、⑥號(hào)側(cè)導(dǎo)洞，施作初期支護(hù)；然后在大拱腳部位打設(shè)鎖腳錨桿，施作冠梁；最后跳槽拆除豎向臨時(shí)中隔墻，施工剩余拱部結(jié)構(gòu)，形成梁、拱、柱相連接的頂部支承結(jié)構(gòu)，具體步驟見(jiàn)圖5。

(a)導(dǎo)洞⑤、⑥開(kāi)挖，施作初期支護(hù)

1.2.2 車站下部結(jié)構(gòu)施工階段

1)中部巖體及中板施工。待頂部支承結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開(kāi)挖下部巖體⑦，面噴混凝土；然后開(kāi)挖左右兩側(cè)巖體⑧、⑨，施作側(cè)墻部分初期支護(hù)；最后施作中板及中板以上側(cè)墻。

2)下部巖體及下部結(jié)構(gòu)施工。與中部巖體開(kāi)挖相同，開(kāi)挖下部巖體，面噴混凝土，開(kāi)挖左右兩側(cè)巖體、，施作側(cè)墻部分初期支護(hù)；然后開(kāi)挖巖體，施作仰供部分防水、二次襯砌，開(kāi)挖左右兩側(cè)巖體、，鑿除下導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)，施作側(cè)墻部分初期支護(hù)；最后施作剩余底板、側(cè)墻防水及二次襯砌，完成車站結(jié)構(gòu)施工，具體步驟見(jiàn)圖6。

(a)開(kāi)挖中部巖體⑦

2 數(shù)值模型建立

2.1 模型概況

采用Abaqus有限元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，車站軸向?yàn)閆軸。根據(jù)圣維南原理，在滿足計(jì)算要求的前提下簡(jiǎn)化模型，減小模型尺寸和計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目，選取模型左右邊界為3～5倍車站跨度，車站軸向方向選取梁、拱、柱所在斷面單位長(zhǎng)度，高度方向取80 m，具體坐標(biāo)范圍：0 m≤X≤125 m，-0.5 m≤Z≤0.5 m，0 m≤Y≤80 m，隧道埋深取12 m，模型單元數(shù)21 822，節(jié)點(diǎn)數(shù)34 293，采用六面體單元。邊界條件為底部完全固定約束，四周邊界設(shè)置法向約束，上部邊界為自由面，具體模型見(jiàn)圖7。

(a)整體模型(單位：m)

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

地層參數(shù)采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb彈塑性模型，初期支護(hù)、二次襯砌、鋼管柱、混凝土回填均采用實(shí)體線彈性模型，鋼支撐采用Beam單元，超前注漿加固通過(guò)提高圍巖區(qū)參數(shù)來(lái)等效實(shí)現(xiàn)[16]，不考慮鋼筋網(wǎng)的作用，同時(shí)將格柵鋼架按等效剛度原則折算到噴射混凝土中，具體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料選取，見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)

進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，考慮到實(shí)際施工情況及數(shù)值軟件特點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：1)模型中所有材料均為連續(xù)、均一的；2)不考慮地下水的影響；3)不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為了更直觀地探究施工過(guò)程中圍巖變形、地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，在地表中心、導(dǎo)洞初期支護(hù)、鋼管柱底部及頂縱梁上布置應(yīng)力、位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖8所示。

(a)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)(單位：m)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 圍巖變形

根據(jù)拱蓋支柱法的施工特點(diǎn)，分別在導(dǎo)洞①、導(dǎo)洞②、上部中導(dǎo)洞(導(dǎo)洞③、④)和拱蓋的拱頂、拱腰及拱腳位置處布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖8(c)所示)，監(jiān)測(cè)拱頂位置的豎向(Y軸)變形、拱腰和拱腳位置的橫向(X軸)變形。

由于不同施工階段對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響不同，將整個(gè)施工分為以下13個(gè)階段進(jìn)行分析。1)導(dǎo)洞①開(kāi)挖；2)導(dǎo)洞②開(kāi)挖；3)導(dǎo)洞③開(kāi)挖；4)導(dǎo)洞④開(kāi)挖；5)梁、柱施工；6)拆除臨時(shí)中隔墻(中部)；7)導(dǎo)洞⑤、⑥開(kāi)挖；8)拱蓋施工；9)拆除臨時(shí)中隔墻(兩側(cè))；10)中部巖體開(kāi)挖；11)中板施工；12)下部巖體開(kāi)挖；13)下部結(jié)構(gòu)施工。

3.1.1 下部導(dǎo)洞圍巖變形

圖9為導(dǎo)洞①的圍巖變形曲線。由圖可知: 拱頂豎向變形(負(fù)數(shù)為下沉，正數(shù)為上移，下同)在導(dǎo)洞②開(kāi)挖后達(dá)到最小值-2.39 mm，之后隨著上部巖體的開(kāi)挖不斷上移，在中部巖體開(kāi)挖后變形達(dá)到最大值6.54 mm；左側(cè)拱腰和拱腳的橫向變形(負(fù)數(shù)為左移，正數(shù)為右移，下同)隨施工階段不斷增大，左拱腰變形稍大于左拱腳，最終分別達(dá)到5.41 mm和3.91 mm；右側(cè)拱腰和拱腳的橫向變形在導(dǎo)洞①開(kāi)挖后達(dá)到最小值，分別為-2.49 mm和-2.45 mm，在導(dǎo)洞②開(kāi)挖后變形有所減小，之后右拱腳處變形趨于穩(wěn)定，右拱腰處變形隨上部巖體的開(kāi)挖有所增大，最終分別為-1.01 mm和-2.17 mm；左側(cè)拱腰和拱腳的變形均大于右側(cè)。

圖9 導(dǎo)洞①圍巖變形曲線

圖10為導(dǎo)洞②的圍巖變形曲線。由圖可知：拱頂豎向變形在導(dǎo)洞②開(kāi)挖后達(dá)到最小值-2.44 mm，之后隨著上部巖體的開(kāi)挖不斷增大，與導(dǎo)洞①的變化相同；左側(cè)拱腰和拱腳的橫向變形在導(dǎo)洞①開(kāi)挖后達(dá)到最小值，分別為-1.23 mm和-1.15 mm，然后因?qū)Ф储诘拈_(kāi)挖變形增大，左拱腳在導(dǎo)洞④開(kāi)挖后趨于穩(wěn)定，在1 mm范圍內(nèi)，左拱腰隨上部巖體開(kāi)挖而增大，最終達(dá)到最大值1.75 mm；右側(cè)拱腰和拱腳的橫向變形隨施工階段不斷增大，其中右拱腰變形稍大于右拱腳，最小值分別為-5.44 mm和-3.88 mm；右側(cè)拱腰和拱腳的變形均大于左側(cè)。

圖10 導(dǎo)洞②圍巖變形曲線

綜上，分析可知，由于下部導(dǎo)洞埋深較大、開(kāi)挖面小、圍巖強(qiáng)度相對(duì)較好，故下部導(dǎo)洞①和導(dǎo)洞②開(kāi)挖后，圍巖變形較小；因車站上部巖體開(kāi)挖的應(yīng)力釋放作用，會(huì)造成下部導(dǎo)洞拱頂豎向變形出現(xiàn)上移，拱腰橫向變形增大，對(duì)拱腳變形影響較??；最后由于導(dǎo)洞①和導(dǎo)洞②左右相鄰且間距較小，兩導(dǎo)洞開(kāi)挖會(huì)相互影響，導(dǎo)致導(dǎo)洞①的右側(cè)圍巖變形小于左側(cè)，導(dǎo)洞②的左側(cè)圍巖變形小于右側(cè)。

3.1.2 上部中導(dǎo)洞圍巖變形

圖11為上部中導(dǎo)洞(導(dǎo)洞③、④)圍巖變形曲線。由圖可知：導(dǎo)洞①和導(dǎo)洞②開(kāi)挖對(duì)上部中導(dǎo)洞圍巖影響較??；導(dǎo)洞③開(kāi)挖后上部中導(dǎo)洞圍巖開(kāi)始發(fā)生較大變形，拱頂豎向變形達(dá)到-2.21 mm，左側(cè)拱腰和拱腳橫向變形達(dá)到1.95 mm和2.89 mm，右側(cè)拱腰和拱腳橫向變形為-1.71 mm和-1.64 mm；在導(dǎo)洞④開(kāi)挖后，拱頂豎向變形激增到-19.29 mm，左側(cè)拱腰和拱腳橫向變形稍有減小，分別為1.47 mm和2.57 mm，右側(cè)拱腰橫向變形減小較為明顯，達(dá)到-1.05 mm，右側(cè)拱腳橫向變形有所增大，達(dá)到-2.43 mm；隨后在上部中導(dǎo)洞破除前，拱頂豎向變形增大到-21.95 mm，拱腰和拱腳橫向變形都趨于相對(duì)穩(wěn)定。

由圖11分析可知：導(dǎo)洞①和導(dǎo)洞②開(kāi)挖時(shí)，上部中導(dǎo)洞巖體還未開(kāi)挖，故圍巖變形量較??；上部中導(dǎo)洞③開(kāi)挖后，圍巖變形開(kāi)始發(fā)生較大變化，因?qū)Ф储軒r體還未開(kāi)挖，故左側(cè)圍巖變形稍大于右側(cè)；導(dǎo)洞④開(kāi)挖后，形成高跨比較小的上部中導(dǎo)洞，拱頂豎向變形激增，導(dǎo)致拱腰處橫向變形發(fā)生回彈，右拱腳由于巖體開(kāi)挖的應(yīng)力釋放作用，橫向變形稍有增大；梁、柱施工后，拆除中部臨時(shí)中隔墻，圍巖變形量變化很小，說(shuō)明中部梁、柱受力體系發(fā)揮較大作用。

3.1.3 拱蓋圍巖變形

圖12為拱蓋圍巖變形曲線。由圖可知：在導(dǎo)洞⑤、⑥開(kāi)挖前，拱頂豎向變形與上部中導(dǎo)洞相同；左側(cè)拱腰和拱腳橫向變形在導(dǎo)洞③開(kāi)挖后變化較大，之后趨于穩(wěn)定在2 mm和1.5 mm；右側(cè)拱腰和拱腳橫向變形與左側(cè)相同，導(dǎo)洞③開(kāi)挖后趨于穩(wěn)定在-2 mm和-1.5 mm。導(dǎo)洞⑤、⑥開(kāi)挖后，拱頂豎向變形稍有增大，從-21.95 mm變?yōu)?24.45 mm，隨后趨于穩(wěn)定，最終達(dá)到-25.11 mm；兩側(cè)拱腰橫向變形隨施工階段稍有增大，左拱腰達(dá)到3.04 mm，右拱腰達(dá)到-3.03 mm；兩側(cè)拱腳橫向變形在中部巖體開(kāi)挖前稍有減小，左拱腳減小到-0.84 mm，右拱腳減小到-0.94 mm，之后變形量隨著施工階段逐漸增大，最終左拱腳達(dá)到3.17 mm，右拱腳達(dá)到-3.25 mm。

圖12 拱蓋圍巖變形曲線

由圖12分析可知：拱蓋拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)與上部中導(dǎo)洞相同，在導(dǎo)洞⑤、⑥開(kāi)挖前，拱頂豎向變形與上部中導(dǎo)洞相同，在導(dǎo)洞⑤、⑥開(kāi)挖后，拱頂豎向變形稍有增大，因?yàn)檐囌旧喜繉?dǎo)洞全部開(kāi)挖完成后，高跨比更小，拱頂受到的壓力增大，但由于梁、柱受力結(jié)構(gòu)的作用，拱頂豎向變形增量相對(duì)較?。辉诠吧w施工完成后，車站形成梁、拱、柱相連的頂部支撐結(jié)構(gòu)，拱頂豎向變形基本保持穩(wěn)定，后續(xù)施工對(duì)拱頂變形影響很??；由于上部導(dǎo)洞完全開(kāi)挖前已經(jīng)形成梁、柱受力結(jié)構(gòu)，故拱腰和拱腳的橫向變形都較小，其中拱腳的橫向變形出現(xiàn)先減小再增大的現(xiàn)象，原因是拱蓋拱頂下沉后，兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，拱腳位于最外側(cè)，在擠壓應(yīng)力的作用下向外側(cè)移動(dòng)，隨后開(kāi)挖拱蓋下部巖體，車站開(kāi)挖高度增加，側(cè)向壓力增大，拱腳向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，但由于頂部支撐結(jié)構(gòu)的作用，增量相對(duì)較小。

3.2 地表沉降分析

對(duì)于地鐵車站施工，地表沉降是判定施工安全性的重要指標(biāo)之一。根據(jù)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置繪制出地表沉降曲線，見(jiàn)圖13。各施工階段的地表最大沉降值和增量見(jiàn)表2。

圖13 各施工階段地表沉降曲線

表2 各施工階段地表沉降情況

地表沉降曲線基本符合Peck沉降分布規(guī)律[17]，沿車站中線位置呈對(duì)稱分布。從變化規(guī)律來(lái)看，導(dǎo)洞開(kāi)挖階段地表沉降變化最大，沉降增量占比高達(dá)83.69%，其中，下部導(dǎo)洞開(kāi)挖地表沉降變化最小，其次是上部側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖，最大為上部中導(dǎo)洞開(kāi)挖，地表沉降增量分別為0.91、4.44、9.12 mm；車站結(jié)構(gòu)各施工階段中，梁、柱施工地表沉降變化最大，其次是下部結(jié)構(gòu)施工，最小為拱蓋施工，地表沉降增量分別為1.55、0.71、0.56 mm；車站整體施工完成后，最終沉降量達(dá)到17.29 mm，處于允許沉降范圍內(nèi)，較為安全。分析可知，由上部中導(dǎo)洞和側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的地表沉降最多，施工時(shí)需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)；由下部結(jié)構(gòu)施工引起的地表沉降相對(duì)較小，說(shuō)明車站形成的拱頂支承結(jié)構(gòu)發(fā)揮很大作用，施工時(shí)可適當(dāng)增大下部巖體開(kāi)挖進(jìn)尺，加快施工速度，縮短工期。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

對(duì)于拱蓋支柱法地鐵車站施工，有2次受力轉(zhuǎn)換過(guò)程，分別是梁、柱施工完成后，以及拱蓋施工完成后。第1次受力轉(zhuǎn)換前，主要由初期支護(hù)和臨時(shí)中隔墻受力，轉(zhuǎn)換完成后，梁、柱成為主要受力體系；第2次受力轉(zhuǎn)換后，主要由梁、拱、柱形成的拱蓋體系受力。所以研究車站梁、拱、柱及初期支護(hù)在施工過(guò)程中的力學(xué)效應(yīng)，是判定施工安全性的重要指標(biāo)。

拱蓋支柱法車站施工完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖14所示。監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)(見(jiàn)圖8(b))各施工階段支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，見(jiàn)圖15。

由圖14分析可知：頂縱梁外側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，最大值為6.04 MPa，內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，最大值為3.01 MPa，其余部分應(yīng)力分布較為均勻，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要受到壓應(yīng)力，部分拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在頂拱外側(cè)、邊拱內(nèi)側(cè)和底板上側(cè)，分布較為合理。

圖14 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖15(a)和圖15(b)分析可知: 車站左右支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大致相同，梁、柱施作完成后受到了較大的壓應(yīng)力，分別為6.04 MPa和4.21 MPa，拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)SA、SE的壓應(yīng)力比拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)SC和拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)SB、SD的壓應(yīng)力大，但都遠(yuǎn)小于梁、柱的受力。從變化規(guī)律來(lái)看，梁、柱施作前，初期支護(hù)和臨時(shí)中隔墻是主要受力結(jié)構(gòu)，拱頂壓應(yīng)力為0.19 MPa，梁、柱施作后，承擔(dān)了絕大部分的圍巖壓力，拱頂壓應(yīng)力減小到0.11 MPa，中間臨時(shí)中隔墻的拆除影響很??；上部側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖后，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化較大，梁、柱所受壓應(yīng)力從0.82 MPa和0.51 MPa增加到4.56 MPa和3.52 MPa，拱頂應(yīng)力保持不變，拱腳和拱腰受到的壓應(yīng)力分別為0.18 MPa和0.1 MPa；拱蓋施工后，應(yīng)力變化較小，梁、柱的壓應(yīng)力分別增大0.44 MPa和0.2 MPa，拱頂和拱腰應(yīng)力變化很小，拱腳的壓應(yīng)力增大0.015 MPa，由于形成拱蓋受力體系，故兩側(cè)臨時(shí)中隔墻的拆除影響很小；直到車站下部結(jié)構(gòu)施工完成后，梁、柱壓應(yīng)力分別增加1.07 MPa和0.5 MPa達(dá)到最大值，拱頂和拱腰應(yīng)力變化不大，拱腳壓應(yīng)力增加0.01 MPa，達(dá)到最大值0.21 MPa。

(a)全監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析可知，鋼管柱結(jié)構(gòu)是主要的受力體系，其次是梁和拱結(jié)構(gòu)，故側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)鋼管柱的受力，拱部結(jié)構(gòu)安全富余較高，可適當(dāng)縮減拱部厚度，減小材料用量，降低成本；在拱蓋體系施工完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化較小，可加快下部結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度，達(dá)到縮短工期的目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

貴陽(yáng)地鐵3號(hào)線北京路站正處于拱蓋施工階段，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其圍巖變形及地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，針對(duì)已完成施工階段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

4.1 圍巖變形監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)斷面選取綜合測(cè)試斷面，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降、凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在隧道拱頂、拱腰、兩側(cè)拱腳處，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖16。根據(jù)拱蓋支柱法施工特點(diǎn)，本文針對(duì)各施工階段最大拱頂沉降變形進(jìn)行研究，選取車站斷面YDK34+210處監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)，得到變形時(shí)程曲線見(jiàn)圖17。

圖16 圍巖變形測(cè)點(diǎn)布置

圖17 拱頂沉降變形時(shí)程曲線圖

由圖17時(shí)程曲線可知：導(dǎo)洞①、②開(kāi)挖的拱頂沉降變形較小，導(dǎo)洞③、④開(kāi)挖導(dǎo)致的拱頂沉降變形最大，特別是當(dāng)導(dǎo)洞④開(kāi)挖后，由于形成高跨比較小的上部中導(dǎo)洞體系，導(dǎo)致拱頂沉降出現(xiàn)激增，梁、柱施工和中部臨時(shí)中隔墻的拆除對(duì)圍巖有一定的擾動(dòng)作用，導(dǎo)洞⑤、⑥開(kāi)挖也會(huì)導(dǎo)致拱頂沉降發(fā)生較大變化，但由于梁、柱體系的支撐作用，拱頂沉降變形相對(duì)導(dǎo)洞③、④開(kāi)挖小。

從變化規(guī)律來(lái)看，拱頂沉降變形的實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值有較高的一致性，可以利用數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)測(cè)后續(xù)施工所產(chǎn)生的影響。結(jié)合之前的計(jì)算結(jié)果，拱蓋施工完成后，拱頂沉降變形不會(huì)發(fā)生太大變化，預(yù)計(jì)施工完成后，拱頂沉降值將達(dá)到35～40 mm。

4.2 地表沉降監(jiān)測(cè)

車站周邊道路交通流量較大，圍擋內(nèi)場(chǎng)地狹小，車站地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)實(shí)施困難。根據(jù)北京路站工程監(jiān)測(cè)等級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)施可操作性綜合考慮，地表沉降點(diǎn)每斷面布設(shè)13個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)排距為2～5 m，沿車站走向斷面間距約為10 m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖18。選取第23排測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖19。

圖18 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖19 歷程曲線對(duì)比圖

由圖19歷程曲線可知，地表沉降實(shí)測(cè)值略大于計(jì)算值，原因在于：1)數(shù)值模擬計(jì)算沒(méi)有考慮地下水的因素，而實(shí)際工程中，由于開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致地下水水位降低，引起地表發(fā)生沉降[18]；2)數(shù)值模擬過(guò)程的導(dǎo)洞開(kāi)挖和初期支護(hù)同時(shí)施作，導(dǎo)致地表沉降值偏小。但地表沉降變化趨勢(shì)有較高的一致性，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定的借鑒意義，能為后續(xù)的施工提供參考價(jià)值。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，預(yù)計(jì)車站施工完成后，地表沉降值將達(dá)到19～23 mm。

5 結(jié)論與建議

本文通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，對(duì)拱蓋支柱法施工過(guò)程中的圍巖變形、地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1)下部導(dǎo)洞的圍巖變形受上部巖體開(kāi)挖影響，導(dǎo)致拱頂豎向變形上移，拱腰橫向變形增大，對(duì)拱腳影響較??；上部中導(dǎo)洞圍巖的拱腰和拱腳橫向變形在導(dǎo)洞③開(kāi)挖階段增量最大，拱頂豎向變形在導(dǎo)洞④開(kāi)挖階段增量最大；拱蓋圍巖變形在導(dǎo)洞⑤、⑥開(kāi)挖階段增量相對(duì)較小，說(shuō)明梁、柱支撐結(jié)構(gòu)有效控制了圍巖變形，拱腳橫向變形在導(dǎo)洞⑤、⑥開(kāi)挖到拆除兩側(cè)臨時(shí)中隔墻階段減小，隨后由于下部巖體的開(kāi)挖逐漸增大。

2)地表沉降在上部中導(dǎo)洞和上部側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖階段變化最大，增量占比達(dá)到78.43%；在拱蓋施工完成后，形成梁、拱、柱一體的頂部支撐結(jié)構(gòu)，車站下部結(jié)構(gòu)的施工對(duì)地表沉降影響較小，增量占比僅為4.11%。

3)車站支護(hù)結(jié)構(gòu)中，鋼管柱受到的應(yīng)力最大，其次是梁和拱結(jié)構(gòu)；上部側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖是導(dǎo)致梁和柱受力變化最大的施工階段，后續(xù)施工應(yīng)力變化相對(duì)較小。

4)地表沉降曲線符合Peck沉降槽原理，數(shù)值計(jì)算結(jié)果隨施工工序的變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的變化趨勢(shì)吻合度較好，可為類似工程提供參考。

拱蓋支柱法首次在實(shí)際工程中應(yīng)用，缺乏類似工程的參考資料和施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合以上結(jié)論，對(duì)地鐵車站拱蓋支柱法施工有以下建議：

1)由于上部中導(dǎo)洞開(kāi)挖是圍巖變形最大的施工階段，上部側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖是導(dǎo)致梁柱結(jié)構(gòu)受力激增的施工階段，地表沉降也是由以上2個(gè)施工階段造成，故針對(duì)上部導(dǎo)洞開(kāi)挖施工階段應(yīng)加設(shè)臨時(shí)支撐。

2)鋼管柱作為主要的受力結(jié)構(gòu)，應(yīng)在實(shí)際施工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握鋼管柱的受力情況，防止出現(xiàn)安全質(zhì)量問(wèn)題。

3)車站進(jìn)行下部巖體及結(jié)構(gòu)開(kāi)挖施工時(shí)，可適當(dāng)加快施工進(jìn)度，達(dá)到縮短工期的目的。