重慶某暗挖地鐵站下半斷面開挖方案研究

王立新

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

1 工程概況

1.1 車站概況

重慶某暗挖地鐵車站位于北碚老城區(qū)天生路下大致呈南北向布置，車站西面緊鄰西南雅筑，東面為黃老邪大酒樓，南面為天生麗街和天生橋農(nóng)貿(mào)市場。車站總長190.85 m。車站為地下雙層島式暗挖車站，采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面。車站頂部覆土約16.5 m，主體最大開挖斷面寬20.590 m，高18.090 m，屬于超大斷面暗挖隧道，原設(shè)計采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。車站主體與周邊環(huán)境如圖1所示。

1.2 地質(zhì)概況

車站所處地層由上到下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、砂巖和泥質(zhì)砂巖的互層，車站洞頂中風(fēng)化圍巖厚15.8～21.5 m，為洞跨的0.8～1.0倍。圍巖主要發(fā)育兩組裂隙，呈塊狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性系數(shù)0.69～0.73，巖體較完整，圍巖級別判定為Ⅲ級，中風(fēng)化圍巖厚度為圍巖垂直壓力計算高度的3.4～4.7倍，屬深埋隧道。車站最不利斷面如圖2所示。根據(jù)地勘評價，車站上方的建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)按最不利的情況考慮(基礎(chǔ)底面距隧道頂取最小距離)，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DBJ50—047—2006)附錄D公式對隧道開挖后支護前的穩(wěn)定性進行驗算，結(jié)果表明:地面建構(gòu)筑物的地基反力在隧道頂部形成的附加荷載已在地層中進行了有效擴散，隧道施工對其上方建構(gòu)筑物基本無影響，隧道頂板圍巖整體穩(wěn)定，總體成洞條件較好。

圖1 車站主體與周邊環(huán)境總平面

圖2 車站地質(zhì)橫剖面

3 車站結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)狀

車站原開挖設(shè)計方案為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，而車站在施工過程中由于多方面原因未按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行施工。目前，整個車站的上半大跨斷面均已開挖完成卻未留設(shè)核心土，為降低上半斷面的施工風(fēng)險，車站施工中施作了“墻柱加固支撐體系”。車站施工現(xiàn)狀如圖3所示，車站上半斷面墻柱支護體系的平面布置如圖4所示，中間部分填充的矩形為現(xiàn)澆混凝土柱，未填充的矩形為型鋼燈籠架兩側(cè)噴混封閉墻。型鋼和噴射混凝土形成了墻柱支護體系，此體系對拱頂沉降能起到一定的作用，但是其作用機理與預(yù)留核心土還是存在著較大的差異。核心土的留設(shè)在保證施工安全方面明顯優(yōu)于墻柱支護體系。留設(shè)核心土不僅可以有效控制拱頂沉降，還可以顯著改善隧道掌子面的穩(wěn)定性、減小開挖洞室的水平位移、抑制掌子面前方地層垂直位移，使掌子面前方土體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，提高掌子面土體的穩(wěn)定性。

圖3 車站施工現(xiàn)狀

目前，車站上半斷面已經(jīng)開挖支護完成，車站下半斷面尚未開挖，雖然墻柱支護體系在施工安全及控制拱頂沉降方面均劣于車站上半斷面開挖后預(yù)留核心土，但根據(jù)監(jiān)控測量數(shù)據(jù)反饋，車站拱頂沉降、水平收斂及地表沉降均呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢。根據(jù)現(xiàn)狀分析，車站可以進行下一工序(車站下半斷面開挖)的施工，但下半斷面開挖勢必會對上部支撐體系產(chǎn)生一定影響，造成車站應(yīng)力重分布，使下半斷面施工風(fēng)險増大，為降低施工風(fēng)險，需對車站下半斷面開挖方案進行分析研究。

4 車站下半斷面開挖方案

4.1 下半斷面開挖方案

圖4 車站上半斷面墻柱支護體系平面布置(單位:m)

針對施工現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)專家意見并通過反復(fù)數(shù)值模擬計算，最終確定了如圖5所示的開挖方案。具體方案為:下半斷面左右導(dǎo)洞分上下臺階進行開挖，預(yù)留下半斷面核心土，并對核心土施作對拉錨桿。對拉錨桿可加強臨時支護對核心土巖柱的約束作用，從而提高巖體最小主應(yīng)力值，減小巖體的剪應(yīng)力，實現(xiàn)在不注漿的情況下提高巖體的強度和穩(wěn)定性。同時，由于對拉錨桿的桿體材料為鋼筋，其具有較好的延展性，在較小應(yīng)變情況下一般不會出現(xiàn)失效而導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。現(xiàn)開挖方案施工步序如圖6所示。

具體施工步驟如下:

(1)上半斷面開挖完成，并已施做墻柱加固支撐體系;

(2)開挖下半斷面右上臺階土體，并及時打設(shè)對拉錨桿、施做初期支護;

圖5 現(xiàn)開挖方案(單位:mm)

圖6 現(xiàn)開挖方案施工步序(單位:m)

(3)開挖下半斷面左上臺階土體，并及時張拉、鎖緊對拉錨桿，施做初期支護;

(4)開挖下半斷面右下臺階土體，并及時施做初期支護;

(5)開挖下半斷面左下臺階土體，并及時施做初期支護;

(6)施做拱腳及核心土兩側(cè)仰拱二襯;

(7)分段拆除臨時支撐(總長度不超過12 m)，保留下部核心土;拼裝9 m長整體臺車，進行襯砌作業(yè);

(8)分段解除核心土，進行仰拱二襯澆筑及仰拱素混凝土回填;

(9)施做車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

4.2 應(yīng)急動態(tài)處理開挖方案

為了讓施工方針對現(xiàn)場復(fù)雜情況做出快速的應(yīng)急措施，保證施工安全，提出了2種工況下的應(yīng)急處理方案，保證車站在下半斷面施工過程中結(jié)構(gòu)安全。

工況一:在車站下半斷面開挖過程中，如果車站拱頂、地表及建筑物沉降超過允許限值或墻柱支撐體系出現(xiàn)較大變形開裂，則需要對車站上半斷面進行加強支護措施。具體措施如下:立即停止下半斷面土石方開挖，及時架設(shè)上半斷面的I25b斜鋼架，形成空間框架支撐體系，并將各節(jié)點與原支撐體系(墻柱支撐體系)連接牢固，確保拱頂穩(wěn)定。架設(shè)I25b斜鋼架，形成空間框架支撐體系是本工況的關(guān)鍵步驟。保證各個節(jié)點焊接牢固，等強度連接是本工況施工中值得注意的問題。如圖7所示。

圖7 工況一(單位:mm)

工況二:在車站下半斷面開挖完成后，支撐加固體系拆除(二襯整體臺車施工)過程中，如拱頂、地表及建筑物沉降超過允許限值或墻柱支撐加固體系出現(xiàn)較大變形開裂，則需及時調(diào)整二襯施工方法，將原來的二襯整體臺車澆筑方式轉(zhuǎn)換為小模板分部拼裝澆筑方式，如圖8所示。2種澆筑方式的優(yōu)缺點如下:(1)采用二襯整體臺車澆筑方式的施工操作空間大，施工速度快，二襯結(jié)構(gòu)施工縫少，防水效果好，但是二襯澆筑的過程中需要拆除車站的臨時支撐體系，車站在澆筑準備階段一直處于無臨時支撐狀態(tài)，車站安全存在風(fēng)險;(2)采用小模板分部拼裝澆筑方式施工速度較慢，工序復(fù)雜，結(jié)構(gòu)施工縫較多，防水處理需要加強，但是，此方式的優(yōu)點在于可以實現(xiàn)臨時支撐的相互轉(zhuǎn)換，二襯澆筑過程中每一步都有臨時支撐參與受力，可保證車站結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。綜上所述，此工況的關(guān)鍵問題在于，二襯澆筑方式的轉(zhuǎn)換，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如拱頂、地表及建筑物沉降超過允許限值或墻柱支撐加固體系出現(xiàn)較大變形、開裂，必須進行二襯澆筑方式的轉(zhuǎn)換，確保結(jié)構(gòu)安全。二襯澆筑過程中預(yù)留下半斷面的核心土是本工況施工中值得注意的問題。

圖8 工況二(單位:mm)

5 數(shù)值模擬計算及分析

5.1 計算模型

對原開挖方案和現(xiàn)開挖方案分別進行了地層-結(jié)構(gòu)模型數(shù)值分析，針對兩方案的安全性分別進行驗算。計算采用Midas-GTS有限元分析軟件。其基本原理、算法與離散元法相似，它運用節(jié)點位移連續(xù)條件，可對連續(xù)介質(zhì)進行大變形分析，基于顯式差分法求解運動方程和動力方程，由于采用混合離散技術(shù)，從而使模擬塑性破壞與塑性流動更精確。計算模型的側(cè)面邊界分別受到X軸方向位移約束，模型的地層下部邊界受到z軸方向的位移約束。斷面最大開挖寬度23.160 m，最大開挖高度18.340 m，取地面以下90 m、寬度120 m范圍內(nèi)進行足尺計算。計算時路面荷載按20 kPa均布荷載考慮，周邊建筑物荷載按照20 kPa/層對樁基進行轉(zhuǎn)換。整個計算模型采用平面應(yīng)變建模，進行施工階段模擬。計算模型如圖9、圖10所示。

5.2 計算結(jié)果分析(圖11、圖12)

計算結(jié)果表明，現(xiàn)開挖方案上部開挖后解除核心土，采用加固支撐的方式增大了拱頂沉降，在臨時支撐拆除之前是1.9 mm(與監(jiān)測結(jié)果較為接近);在完全解除臨時支撐及核心土直到大斷面整體模板臺車澆筑二襯之前，車站拱頂下沉最大值達-7.5 mm，原方案為-4.7 mm，此結(jié)果表明，核心土的留設(shè)對控制沉降意義重大;通過計算可知，現(xiàn)方案能夠保證主體結(jié)構(gòu)及周邊建筑物穩(wěn)定，但在施工過程中必須加強監(jiān)控量測，嚴格按照設(shè)計要求進行動態(tài)施工，做好應(yīng)急方案準備。

圖9 原開挖方案計算模型

圖10 現(xiàn)開挖方案計算模型

圖11 原開挖方案Z方向位移

圖12 現(xiàn)開挖方案Z方向位移

6 監(jiān)測結(jié)果

目前，車站主體開挖已施工完成，現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，車站拱頂下沉、水平凈空收斂、地面沉降、鋼架及臨時鋼架的應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變、混凝土裂縫等均滿足《鐵路隧道施工規(guī)范》(TB10204—2002)中對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的要求，車站拱頂下沉與車站水平凈空收斂監(jiān)測如圖13、圖14所示，可見車站拱頂下沉及凈空收斂均處于收斂穩(wěn)定狀態(tài)。

圖13 車站拱頂下沉監(jiān)測

圖14 車站水平凈空收斂監(jiān)測

7 結(jié)論

以重慶某地鐵暗挖車站設(shè)計為背景，結(jié)合具體工程實例，得出結(jié)論如下。

(1)巖質(zhì)地層暗挖車站建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行施工，此工法成功范例較多，施工中需嚴格按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工序進行，不得任意省略;在實際施工中，暗挖車站上半斷面開挖完成并未留設(shè)核心土(已等效為“上下臺階法”施工)，施工安全難以保證需提出補救處理方案的情況下，類似地層采用文章所述的方案施工單拱大跨暗挖車站下半斷面是安全可行的。

(2)車站上半斷面開挖支護完成后，為降低施工風(fēng)險可采取墻柱支護體系對上半斷面進行加強;同時，下半斷面開挖時，下部核心土設(shè)置對拉錨桿并進行張拉，可有效增強下部核心土的承載力。

(3)根據(jù)有限元計算結(jié)果，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比上半斷面開挖完成+墻柱支護體系的方法，對控制拱頂沉降具有很大優(yōu)勢，核心土的留設(shè)對隧道控制沉降具有重大意義。

(4)地下工程施工風(fēng)險具有不可預(yù)測性，基于施工現(xiàn)狀(上半斷面開挖完成未留設(shè)核心土)，下半斷面開挖施工風(fēng)險較大，必須做好應(yīng)急動態(tài)處理開挖方案，以確保施工安全。

(5)通過易于操作的有限元分析，掌握車站洞室在開挖過程中引起的地層變形，通過監(jiān)控量測及實踐證明，有限元計算的結(jié)果對隧道施工具有一定的參考價值，為保證隧道施工安全和工程質(zhì)量起到重要作用。

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［5］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

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［7］施仲衡.地下鐵道設(shè)計與施工［M］.西安:陜西科技出版社，2006.

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