拱蓋法暗挖地鐵車(chē)站風(fēng)道接主體進(jìn)洞技術(shù)方案分析*

馬全武 雷 剛 劉明明 董亞男 楊沚蕙

(1. 青島地鐵集團(tuán)有限公司, 266011, 青島; 2. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司, 100037, 北京; 3. 中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 650051, 昆明∥第一作者, 高級(jí)工程師)

在地鐵建設(shè)中,車(chē)站站點(diǎn)通常選址在人流量較大的區(qū)域,為避免施工造成過(guò)多影響,一般采用地下施工。暗挖法能夠在不挖開(kāi)地面的情況下,采用地下挖洞的方式進(jìn)行施工。暗挖法主要有CD(中隔墻)法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及PBA(洞樁逆作)法等。近年來(lái),針對(duì)“上軟下硬”地層的特殊施工區(qū)域發(fā)展出了暗挖拱蓋法,該方法能夠充分發(fā)揮巖石地層的自承力。但在施工過(guò)程中,當(dāng)風(fēng)道等附屬結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)入車(chē)站主體施工時(shí),其連接處受力復(fù)雜,施工難度較大。因此,為附屬與主體結(jié)構(gòu)連接處選擇一個(gè)合理的接口形式可以保證施工工程的質(zhì)量與安全。

目前,已有專(zhuān)家學(xué)者對(duì)地鐵車(chē)站施工方面的問(wèn)題進(jìn)行了研究分析。文獻(xiàn)[1]對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁加臺(tái)階法及雙層疊合初支拱蓋法進(jìn)行適應(yīng)性研究,從安全性和經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)指標(biāo)比選出適用于層狀巖地層的施工方法。文獻(xiàn)[2]對(duì)拱蓋法施工的力學(xué)特性進(jìn)行了研究,并對(duì)施工工序進(jìn)行了優(yōu)化分析。文獻(xiàn)[3]研究了對(duì)巖層質(zhì)量較差的土層使用拱蓋法施工時(shí),其拱部的支護(hù)體系。文獻(xiàn)[4]研究了拱蓋法的施工工藝對(duì)施工周期的影響。文獻(xiàn)[5]以實(shí)際工程為例,對(duì)車(chē)站主體和附屬結(jié)構(gòu)接口的開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究,并分析了優(yōu)化后的接口形式,發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化后的接口形式能減少約70%的地面沉降和結(jié)構(gòu)變形。

1 工程概況

1.1 車(chē)站主體與風(fēng)道概況

車(chē)站為地下兩層標(biāo)準(zhǔn)島式站臺(tái),采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),車(chē)站全長(zhǎng)214.0 m,高為17.9 m,跨度為21.5 m,主體結(jié)構(gòu)采用暗挖拱蓋法施工。

風(fēng)道結(jié)構(gòu)段分為兩部分,第一部分為橫通道段,開(kāi)挖寬度為14.9 m,高為16.5 m,此段出豎井后直行4.0 m,再以中軸線半徑為12.3 m向西轉(zhuǎn)90°后接入第二部分的連接段,然后接入車(chē)站主體,采用臺(tái)階法施工。

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)地勘資料顯示,擬建場(chǎng)地地形起伏較小,上覆主要為第四系人工填土層,其下為全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土與中、粗砂層,下伏燕山晚期花崗巖。為方便模擬建模,將其簡(jiǎn)化為5層土體,從上往下依次為:人工填土層3 m、粉質(zhì)黏土層3 m、強(qiáng)風(fēng)化巖層5 m、中風(fēng)化巖層2 m、第5層為微風(fēng)化巖。結(jié)構(gòu)初期支護(hù)采用格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)和C35噴射混凝土等,二次襯砌采用C45鋼筋混凝土。結(jié)合地鐵工程實(shí)際勘察報(bào)告,土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)主要物理學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)主要物理學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型建立與分析點(diǎn)布置

2.1 方案設(shè)計(jì)與建模

地鐵車(chē)站主體與風(fēng)道結(jié)構(gòu)的接口形式多樣。根據(jù)相關(guān)研究,接口處采用弧形拱蓋時(shí),可以有效改善結(jié)構(gòu)的受力與變形,故考慮風(fēng)道原有拱頂形狀、車(chē)站主體高度及施工便捷等因素后,將進(jìn)洞時(shí)的風(fēng)道斷面設(shè)計(jì)為壓低與挑高兩種形式。同時(shí),考慮到施工斷面較大及工程成本等因素,將壓低和挑高斷面再細(xì)分為半斷面進(jìn)洞與全斷面進(jìn)洞,則本文共研究4種接口方案:風(fēng)道挑高半斷面進(jìn)洞方案、風(fēng)道挑高全斷面進(jìn)洞方案、風(fēng)道壓低半斷面進(jìn)洞方案和風(fēng)道壓低全斷面進(jìn)洞方案。風(fēng)道接口方案示意圖如圖1所示。

a) 挑高方案

采用MIDAS GTS軟件進(jìn)行三維有限元模擬,考慮邊界效應(yīng),有限元模型的整體尺寸取為150 m×90 m×50 m,結(jié)構(gòu)位于第5層微風(fēng)化巖中。邊界條件設(shè)置為:上邊界為自由面、側(cè)邊界為法向約束、底部為法向和水平約束。設(shè)定地面水平均勻,不受地形影響,沒(méi)有多余荷載,且不受地下水影響,土體材料選擇摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型模擬,混凝土等材料采用彈性材料模擬。施工階段設(shè)置與實(shí)際施工工序一致,風(fēng)道接口有限元模型如圖2所示。

a) 挑高方案

2.2 地面位移分析點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),沿著風(fēng)道段和車(chē)站主體連接處正上方設(shè)置分析斷面,記為A斷面。在A斷面上選取一系列的地面位移分析點(diǎn),每?jī)蓚€(gè)分析點(diǎn)間距為5 m,其位置示意圖如圖3所示。

圖3 地面位移分析點(diǎn)位置示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地面位移分析

各進(jìn)洞施工方案包括風(fēng)道與車(chē)站主體施工,兩者均分為上、中、下3層進(jìn)行開(kāi)挖施工。將風(fēng)道拱部、主體拱部、風(fēng)道中層、主體中層、風(fēng)道下層、主體下層、主體二次襯砌(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“二襯”)與風(fēng)道二襯施工完成這8個(gè)施工節(jié)點(diǎn)定為關(guān)鍵施工工序(工序1—工序8)。提取4種方案所有分析點(diǎn)在8個(gè)關(guān)鍵施工工序的地面豎向變形進(jìn)行分析,如圖4所示。

a) 風(fēng)道壓低半斷面方案

由圖4 a)和圖4 b)可知:在風(fēng)道開(kāi)始施工時(shí),對(duì)A斷面離風(fēng)道中軸線越近的分析點(diǎn)的豎向位移影響較大,風(fēng)道壓低半斷面與全斷面方案的最大沉降值分別為8.12 mm和8.53 mm;在主體下層開(kāi)挖結(jié)束后,地面隆起值達(dá)到最大,風(fēng)道壓低半斷面與全斷面方案的最大隆起值分別為9.19 mm和9.77 mm;施作二襯結(jié)構(gòu)時(shí),隆起變形有所減小,風(fēng)道壓低半斷面與全斷面方案的隆起變形最小值分別為1.24 mm和1.11 mm。

這是典型的民營(yíng)企業(yè)“離場(chǎng)論”，與此類(lèi)似的還有公私“合營(yíng)論”、黨建工會(huì)“控制論”等觀點(diǎn)在網(wǎng)上流行。可以說(shuō)，從下到上，都不同意這類(lèi)觀點(diǎn)。加之中美貿(mào)易戰(zhàn)的影響，民營(yíng)經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)了一些不安定的現(xiàn)象。

分析兩個(gè)方案隧道中軸線上的分析點(diǎn)可知:在風(fēng)道段中部開(kāi)挖結(jié)束前,半斷面接口方案的地面沉降值與全斷面接口方案的地面沉降值相差不大,因?yàn)樵诖穗A段,全斷面接口方案僅多開(kāi)挖了半個(gè)壓低面;主體中部開(kāi)挖階段,兩個(gè)方案的豎向位移變化均最大,風(fēng)道壓低半斷面與全斷面方案的豎向位移值分別變化了8.55 mm和8.31 mm,全斷面方案比半斷面方案的豎向位移變化小3%;在后續(xù)的施工階段,兩種方案的豎向位移變化基本一致。

由圖4 c)和圖4 d)可知:在主體拱部二襯施作完成后,大部分分析點(diǎn)的地面豎向變形達(dá)到了峰值,風(fēng)道壓低半斷面與全斷面方案的最大隆起值分別為17.75 mm、20.07 mm;在車(chē)站主體中層開(kāi)挖完后,遠(yuǎn)離車(chē)站主體一端的3個(gè)分析點(diǎn)(A1—A3)的隆起值逐漸穩(wěn)定;后續(xù)階段,所有分析點(diǎn)的豎向位移變化均較小,僅在最后施作風(fēng)道二襯結(jié)構(gòu)時(shí),豎向位移變化稍大。

風(fēng)道拱部開(kāi)挖結(jié)束后,風(fēng)道壓低全斷面方案的沉降值略小于風(fēng)道壓低半斷面方案。在主體拱部二襯施工階段,兩個(gè)方案的豎向位移變化均最大,全斷面方案比半斷面方案的隆起量變化小14%。主體拱部二襯結(jié)構(gòu)完成后,兩種方案的豎向位移變化基本一致,這是因?yàn)樵谥胁客馏w開(kāi)挖前,風(fēng)道壓低半斷面方案挑高段的剩余土體已經(jīng)開(kāi)挖結(jié)束,后續(xù)的施工工序在主體大拱蓋的保護(hù)下是一樣的,因此兩種方案的豎向位移變化相差較小。

3.2 典型斷面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

為分析4種方案初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況,選取風(fēng)道段、連接段與主體段典型斷面,分別提取拱頂、拱腳及直墻中段的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。

a) 風(fēng)道段斷面

由圖5 a)可知:在風(fēng)道段斷面處,風(fēng)道壓低和挑高斷面方案的應(yīng)力均相差較小,半斷面方案基本均略小于全斷面方案;與風(fēng)道壓低接口方案相比,風(fēng)道挑高方案在拱頂、拱腳和直墻中段位置處的應(yīng)力值平均減小了53.2%、14.2%和35.1%。

由圖5 b)可知:在接口斷面處,風(fēng)道壓低方案中,全斷面接口方案拱頂位置處的應(yīng)力比半斷面接口方案相同位置處的應(yīng)力減小了17.1%,其他位置處兩種方案的應(yīng)力均相差較小;風(fēng)道挑高方案中,兩種方案拱腳位置處的應(yīng)力均偏小,半斷面接口方案拱頂位置處的應(yīng)力較全斷面方案減小了9.4%;風(fēng)道挑高方案在拱腳位置處的應(yīng)力遠(yuǎn)小于風(fēng)道壓低方案相同位置處的應(yīng)力,風(fēng)道挑高方案在拱頂和直墻中段位置處的應(yīng)力值平均減小了33.0%和62.1%。

由圖5 c)可知:在主體結(jié)構(gòu)斷面處,各方案的應(yīng)力值相差不大,僅在拱頂位置處,風(fēng)道壓低全斷面方案比半斷面方案的應(yīng)力減小了約11.9%;相比于風(fēng)道挑高方案,風(fēng)道壓低方案的應(yīng)力值在直墻中段和拱腳位置處平均減小了61.1%、40.0%;相比于風(fēng)道壓低方案,風(fēng)道挑高方案在拱頂位置處的應(yīng)力減小了約38.5%。綜合考慮4種方案,風(fēng)道壓低全斷面接口方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏小且滿足強(qiáng)度要求,因此風(fēng)道壓低全斷面接口方案為最優(yōu)方案。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

在地鐵車(chē)站施工結(jié)束后,提取全施工過(guò)程中(所有施工工序)車(chē)站主體與風(fēng)道連接處正上方中軸線上監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC01的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并將其與模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。由圖6可知:模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的豎向位移變化規(guī)律基本一致;在車(chē)站全部施工結(jié)束后,豎向位移監(jiān)測(cè)值為3.21 mm,模擬值為2.99 mm,二者僅相差6.5%,由此驗(yàn)證了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖6 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)時(shí)程曲線對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托青島地鐵某拱蓋法施工車(chē)站工程,基于數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究了風(fēng)道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)入車(chē)站主體的進(jìn)洞施工方案,通過(guò)對(duì)比地面位移與結(jié)構(gòu)受力等指標(biāo),獲得以下結(jié)論:

1) 主體拱部和中層土體開(kāi)挖施工階段的地面豎向位移變化最大,故在實(shí)際施工中,此階段應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)與監(jiān)測(cè)頻率。

2) 車(chē)站結(jié)構(gòu)施工時(shí)比風(fēng)道結(jié)構(gòu)施工時(shí)的地面豎向位移變化大,說(shuō)明洞室開(kāi)挖跨度對(duì)地面位移有一定的影響。

3) 對(duì)比地面位移數(shù)據(jù)可知,風(fēng)道壓低全斷面接口方案的豎向位移變形控制效果最好。

4) 各方案支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均較小,綜合考慮4種方案,風(fēng)道壓低全斷面接口方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏小且滿足強(qiáng)度要求,因此風(fēng)道壓低全斷面接口方案為最優(yōu)方案。

計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)地面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均滿足或遠(yuǎn)小于控制要求,說(shuō)明拱蓋法在“上軟下硬”地層中有較好的適用性。此外,本文是根據(jù)實(shí)際的施工工序進(jìn)行開(kāi)挖模擬的,不同的開(kāi)挖工序和支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)各方案的影響還需進(jìn)一步研究。