暗挖車站施工中拱部預(yù)應(yīng)力錨桿不同支護(hù)方向的地層變形研究

孟令志

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京)

引言

在城市市區(qū)軌道交通建設(shè)過(guò)程中，受道路交通、周邊建構(gòu)筑物等地面條件限制，車站采用暗挖施工的占比越來(lái)越高。傳統(tǒng)的暗挖車站多采用洞樁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法等施工方法，通過(guò)將大斷面轉(zhuǎn)換成多個(gè)中小斷面，并在洞室之間設(shè)置臨時(shí)中隔壁和臨時(shí)仰拱的方式開(kāi)挖完成，往往存在工期長(zhǎng)、造價(jià)高、作業(yè)面小等特點(diǎn)。在圍巖條件較好地段的暗挖車站，工程建設(shè)人員也在嘗試采用主動(dòng)支護(hù)的方式，通過(guò)增大導(dǎo)洞斷面和減少臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)提高施工效率，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者做了相關(guān)的研究。尚懷帥等[1]通過(guò)試驗(yàn)的方式研究了NPR 鋼筋的力學(xué)性能，為預(yù)應(yīng)力錨桿的應(yīng)用提供了理論依據(jù)；羅基偉[2]研究了大跨隧道預(yù)應(yīng)力錨固體系協(xié)同支護(hù)機(jī)理，提出了預(yù)應(yīng)力錨桿-錨索復(fù)合錨桿單元體概念；田四明等[3]對(duì)軟弱圍巖隧道變形控制主動(dòng)支護(hù)進(jìn)行了研究，提出了主動(dòng)支護(hù)設(shè)計(jì)理念；殷小亮等[4]以實(shí)際工程為背景，對(duì)不同支護(hù)參數(shù)的隧道施工力學(xué)特征進(jìn)行了研究；馬行之等[5]以實(shí)際工程為背景，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方式研究了預(yù)應(yīng)力錨桿分部臺(tái)階法過(guò)破碎帶的沉降規(guī)律，得出預(yù)應(yīng)力錨桿-分部臺(tái)階法施工方案能有效控制圍巖變形；劉遠(yuǎn)建[6]以工程實(shí)例為背景研究了大跨度隧道主動(dòng)支護(hù)施工體系，得出預(yù)應(yīng)力錨桿等主動(dòng)支護(hù)可改善圍巖條件，降低對(duì)地面的擾動(dòng)；吳大偉、劉林勝、李建建等[7-9]通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)中空預(yù)應(yīng)力注漿錨桿的支護(hù)效果進(jìn)行了研究，得出中空預(yù)應(yīng)力注漿錨桿能主動(dòng)加固圍巖；陳國(guó)棟、寧凱飛、楊文東等[10-12]研究了預(yù)應(yīng)力錨桿主動(dòng)支護(hù)技術(shù)。綜上所述，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方向的研究尚比較少，本文以新建暗挖車站為工程背景，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法研究了分部臺(tái)階法施工下預(yù)應(yīng)力錨桿不同支護(hù)方向下的地層變形規(guī)律，研究成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

該暗挖車站位于兩城市主干道交叉口西側(cè)，沿城市主干道東西方向敷設(shè)。車站全長(zhǎng)約248 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬約19.5 m，車站大里程段設(shè)置單停車線，車站共設(shè)4 個(gè)出入口和2 組風(fēng)亭。車站小里程端接盾構(gòu)區(qū)間；車站大里程端右線接盾構(gòu)區(qū)間，左線接單洞雙線礦山法區(qū)間。車站總平面圖如圖1 所示。拱頂覆土埋深約13 m～20 m，車站拱頂自上而下地層主要為素填土、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，洞身均位于微風(fēng)化花崗巖地層（微風(fēng)化巖層最薄處約5 m），圍巖穩(wěn)定性較好。車站范圍內(nèi)存在3條破碎帶，破碎帶fhgl-1穿越車站小里程端，破碎帶fhgl-2和fhgl-3分別穿越車站小里程端和大里程端，受破碎帶及花崗斑巖巖脈影響地段圍巖破碎，圍巖多為Ⅳ1-Ⅳ2級(jí)，其余地段圍巖較完整，多為Ⅲ1-Ⅲ2級(jí)。車站范圍內(nèi)揭露地下水以基巖裂隙水為主，水量貧-中等。車站地質(zhì)縱斷面圖如圖2 所示。

圖2 暗挖車站地質(zhì)縱斷面圖

隧道開(kāi)挖跨度超過(guò)20 m，為自身Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)工程。

車站周邊存在多處環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源。車站側(cè)穿2 座高壓線塔，高壓線塔高約36.5 m，擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸約為9×9 m，埋深約3.8 m。1 號(hào)高壓線基礎(chǔ)距車站水平距離約2.8 m；2 號(hào)高壓線塔基礎(chǔ)距車站水平距離約12.3 m，距車站拱頂約16.8 m，為環(huán)境Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。

車站下穿多條重要管線，主要為2 m×1.8 m 電力管溝、3.8 m×2.1 m 暗渠、2 根DN200 中壓燃?xì)夤芫€、DN800 雨水管等，為環(huán)境Ⅰ、Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。

施工前應(yīng)制定隧道及風(fēng)險(xiǎn)源變形控制標(biāo)準(zhǔn)。隧道開(kāi)挖沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：地表沉降量≤30 mm，初支拱頂沉降量≤20 mm，初期支護(hù)凈空收斂≤10 mm。高壓線塔基礎(chǔ)沉降量≤10 mm，基礎(chǔ)傾斜≤0.005。管線累計(jì)沉降≤10 mm，管線差異沉降≤0.25%Lg。（Lg-管節(jié)長(zhǎng)度）。

2 施工方案設(shè)計(jì)

鑒于車站洞身及拱頂范圍工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件良好，車站內(nèi)不設(shè)置臨時(shí)中隔壁和臨時(shí)仰拱，采用臺(tái)階法開(kāi)挖。設(shè)計(jì)采用主動(dòng)支護(hù)理念，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，采用預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼筋網(wǎng)及格柵鋼架為主要支護(hù)手段；并以超前注漿小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)、局部周邊封閉注漿等為輔助措施。施工時(shí)首先開(kāi)挖車站上半斷面，對(duì)車站拱部進(jìn)行支護(hù)形成初支拱蓋，在圍巖和初支拱部聯(lián)合受力體系保護(hù)下繼續(xù)向下開(kāi)挖，完成車站施工。

2.1 隧道開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)

本車站開(kāi)挖斷面大（約289 m2），需對(duì)開(kāi)挖斷面進(jìn)行立體設(shè)計(jì)確保施工安全。根據(jù)本車站斷面，上下采用分部臺(tái)階法施工。

首先開(kāi)挖車站拱部①區(qū)域，并分上下臺(tái)階法開(kāi)挖，上下臺(tái)階縱向間距錯(cuò)開(kāi)不小于15 m，①-1 開(kāi)挖完成后，混凝土初噴、預(yù)應(yīng)力錨桿施工、架設(shè)格柵鋼架、安裝鋼筋網(wǎng)片、混凝土復(fù)噴。按照此施工步序依次完成②、③區(qū)域施工。①、②、③區(qū)域施工縱向錯(cuò)開(kāi)小于15 m。拱部拉通后形成初支拱蓋，初支拱蓋厚度約300 mm，格柵鋼架間距1.3 m，在初支拱蓋保護(hù)下繼續(xù)向下開(kāi)挖。按順序繼續(xù)向下分層分步開(kāi)挖下半斷面并施做初期支護(hù)，依次完成④、⑤、⑥，⑦、⑧、⑨，⑩、1 1 、1 2施工，相鄰臺(tái)階縱向錯(cuò)開(kāi)不小于15 m，上下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)不小于6 m；側(cè)墻3 m 范圍內(nèi)采用非鉆爆開(kāi)挖，保證拱腳下巖石完整性。

錨桿采用φ18 冷軋帶肋鋼筋，屈服強(qiáng)度不小于800 Mpa，最大力延伸率不小于20%；錨桿端頭設(shè)置墊板，材質(zhì)為Q235 鋼，尺寸不應(yīng)小于150 mm×150 mm×12 mm。錨桿安裝完畢后，桿體施加不小于100 kN 預(yù)應(yīng)力。

施工步序、格柵鋼架間距與初支厚度相同條件下，設(shè)計(jì)2 種不同預(yù)應(yīng)力錨桿布置方案，通過(guò)初期支護(hù)和周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源變形情況，研究不同預(yù)應(yīng)力錨桿布置下暗挖車站變形。

2.2 垂直預(yù)應(yīng)力錨桿布置方案

見(jiàn)圖3，拱部預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度約3.5 m，垂直拱部設(shè)置，環(huán)縱向間距約1.3 m×1.3 m，梅花型布置。拱腳處加強(qiáng)設(shè)置，預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度約4 m。側(cè)墻上半斷面預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度約4 m，下半斷面預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度約3.5 m，垂直側(cè)墻設(shè)置，豎縱向間距約1.5 m×1.3 m，梅花型布置。

圖3 垂直預(yù)應(yīng)力錨桿施工步序圖

2.3 豎向預(yù)應(yīng)力錨桿布置方案

拱部預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度約3.5 m，豎向設(shè)置，環(huán)縱向間距約1.3 m×1.3 m，梅花型布置。拱腳處加強(qiáng)設(shè)置，預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度約4 m。側(cè)墻預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度約4 m，垂直側(cè)墻設(shè)置，豎縱向間距約1.5 m×1.3 m，梅花型布置，見(jiàn)圖4。

圖4 豎向預(yù)應(yīng)力錨桿施工步序圖

3 方案比選研究

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)施工方案，Midas GTS 建立2 種施工方案的地層-結(jié)構(gòu)施工階段模型。模型兩側(cè)及下部取3 倍導(dǎo)洞開(kāi)挖寬度，上部取實(shí)際地面埋深，縱向取工程實(shí)際穿越寬度。數(shù)值計(jì)算本構(gòu)關(guān)系如下：地層采用實(shí)體單元，噴射混凝土（厚度為0.3 m）采用板單元，錨桿采用植入式桁架。模型地表面為自由面，兩側(cè)采用法向變形約束條件，底部采用全約束條件。計(jì)算中土體為摩爾-庫(kù)侖材料，初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮土體自重應(yīng)力場(chǎng)，地面超載20 kpa，不考慮地層的地層構(gòu)造應(yīng)力。隧道施工的分步開(kāi)挖過(guò)程通過(guò)軟件提供的“鈍化”來(lái)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖5。

圖5 模型整體網(wǎng)格圖

3.2 材料參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)資料，車站周邊巖土設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，初期支護(hù)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 巖土設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 初期支護(hù)計(jì)算參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)比較車站初支結(jié)構(gòu)及周邊建構(gòu)筑物變形大小，研究預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方向?qū)Φ貙幼冃蔚挠绊?。通過(guò)計(jì)算得出不同錨桿支護(hù)方向下初支結(jié)構(gòu)變形云圖，如圖6～圖7。

圖6 預(yù)應(yīng)力錨桿垂直布設(shè)隧道初支變形圖

圖7 預(yù)應(yīng)力錨桿豎向布設(shè)隧道初支變形圖

通過(guò)初期支護(hù)沉降云圖得知，不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方向下的隧道初支結(jié)構(gòu)最大沉降均在拱頂位置，隧道初支結(jié)構(gòu)最大隆起在側(cè)墻腳部位置。預(yù)應(yīng)力錨桿垂直布設(shè)時(shí)拱頂最大沉降為10.4 mm，預(yù)應(yīng)力錨桿豎向布設(shè)時(shí)拱頂最大沉降為7.7 mm，均滿足初支拱頂沉降量≤20 mm的控制要求，但預(yù)應(yīng)力錨桿豎向布置對(duì)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制更有利。

不同錨桿支護(hù)方向下施工步序沉降曲線如圖8 所示，拱部開(kāi)挖是地層沉降的主要原因，豎向錨桿布置拱部開(kāi)挖完成巖體沉降為7.18 mm；垂直錨桿布置拱部開(kāi)挖完成巖體沉降為8.62 mm。拱部開(kāi)挖巖層擾動(dòng)形成松動(dòng)圈，造成洞身周邊巖體應(yīng)力重分布，進(jìn)而引起拱部沉降；通過(guò)設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿，將錨桿打入穩(wěn)定巖體，通過(guò)錨桿與端部墊板的懸吊作用控制拱頂松動(dòng)巖體的進(jìn)一步沉降；對(duì)拱部錨桿施加預(yù)緊力，受力后的錨桿通過(guò)端部墊板擠壓松動(dòng)圈巖體，在錨桿主動(dòng)拉力和巖體被動(dòng)壓力作用下，巖體與預(yù)應(yīng)力錨桿共同組成受力體系，拱部區(qū)域形成壓縮拱，拱部受壓后形成穩(wěn)固的支護(hù)體。在拱部支護(hù)體形成后，繼續(xù)向下開(kāi)挖，拱部沉降微小可控。

圖8 不同錨桿支護(hù)方向下施工步序沉降曲線

通過(guò)分析不同支護(hù)方向的拱部錨桿，相比于垂直布置錨桿，豎向錨桿布置方向與拱部松動(dòng)巖體塌落方向一致，可對(duì)巖體提供更大的懸吊拉力。施加預(yù)緊力后，豎向錨桿預(yù)緊力作用方向沿著巖體塌落方向擠壓巖體，可減少穩(wěn)定巖體與擾動(dòng)巖體之間的裂隙，更有利于控制地層沉降；垂直錨桿預(yù)緊力作用方向與巖體塌落方向成一定角度，受破碎巖體之間擠壓摩擦作用，不利于減小穩(wěn)定巖體與擾動(dòng)巖體之間裂隙。在錨桿預(yù)緊力與巖體擠壓共同作用下，豎向布置錨桿和垂直布置錨桿均可在拱部形成拱形壓縮體，通過(guò)擠壓作用減少擾動(dòng)巖體之間的裂隙，成為穩(wěn)固支護(hù)結(jié)構(gòu)。

預(yù)應(yīng)力錨桿垂直布設(shè)開(kāi)挖完成后高壓線塔最大沉降為2.37 mm；管線最大沉降為5.7 mm，最大差異沉降4.08 mm。預(yù)應(yīng)力錨桿豎向布設(shè)開(kāi)挖完成后高壓線塔最大沉降為1.92 mm；管線最大沉降4.30 mm，最大差異沉降2.77 mm。均滿足高壓線塔和管線沉降控制要求，預(yù)應(yīng)力錨桿豎向布置對(duì)周邊風(fēng)險(xiǎn)源控制更有利。

4 結(jié)論

本文以某城市新建暗挖車站為工程背景，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法，研究了車站拱部不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方向的地層變形規(guī)律。得出如下結(jié)論：

（1） 車站拱頂沉降是車站沉降的主要方面，拱部支護(hù)完成后車站沉降基本趨于穩(wěn)定。不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方向下的隧道初支結(jié)構(gòu)最大沉降均在拱頂位置，隧道初支結(jié)構(gòu)最大隆起在側(cè)墻腳部位置。預(yù)應(yīng)力錨桿豎向布設(shè)時(shí)的拱頂沉降更小，預(yù)應(yīng)力錨桿豎向布置對(duì)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制更有利。

（2） 預(yù)應(yīng)力錨桿豎向布置時(shí)車站管線和建構(gòu)筑物的沉降及差異沉降更小。車站周邊存在較多對(duì)變形敏感的建構(gòu)筑物時(shí)，可通過(guò)豎向布置預(yù)應(yīng)力錨桿減小對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響。

（3） 豎向錨桿布置與拱部松動(dòng)巖體塌落方向一致，可對(duì)巖體提供更大的懸吊拉力。施加預(yù)緊力后，豎向錨桿預(yù)緊力作用方向沿著巖體塌落方向擠壓巖體，可減少穩(wěn)定巖體與擾動(dòng)巖體之間的裂隙，更有利于控制地層沉降。垂直錨桿預(yù)緊力作用方向與巖體塌落方向成一定角度，受破碎巖體之間擠壓摩擦作用，不利于減小穩(wěn)定巖體與擾動(dòng)巖體之間裂隙。

（4） 通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析，預(yù)應(yīng)力錨桿豎向布設(shè)比垂直布設(shè)對(duì)控制地層變形更有利。但豎向打設(shè)錨桿施工難度相對(duì)較高，且錨桿端部墊板與巖面貼合程度相對(duì)降低，易出現(xiàn)受力不均的情況，施工過(guò)程中需綜合考慮自身和周邊環(huán)境因素選擇適合本工程的錨桿布置方式。