大跨暗挖地鐵車站初支拱蓋法優(yōu)化施工及模擬計算分析

王群

摘 要：以貴陽市軌道交通 2 號線陽明祠站為背景，在總結(jié)“初支拱蓋法”經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用車站臨時中隔墻作為大拱蓋支架體系的主要支撐點，優(yōu)化支架體系;各開挖導(dǎo)洞采用簡易支架體系代替滿堂支架體系，保障物流通道通暢，減少對前方掌子面開挖時間的影響;簡易支架代替滿堂支架或模板臺車，可減少資源浪費，節(jié)約物料及人工費。模擬計算和監(jiān)測表明，初支拱蓋法優(yōu)化施工滿足結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性要求。

關(guān)鍵詞：地鐵;車站;初支拱蓋法;支架體系;施工優(yōu)化;數(shù)值模擬

中圖分類號：U231+.3

目前國內(nèi)外地鐵車站的施工方法主要采用明挖法、暗挖法和蓋挖法。初支拱蓋法即是其中較具代表性的一種，可視為“扣拱技術(shù)”與“蓋挖技術(shù)”的結(jié)合，以拱蓋法為基礎(chǔ)，先分部開挖拱部并支護，通過圍巖與初支形成整體支撐體系，保證車站主體結(jié)構(gòu)開挖時的安全和穩(wěn)定。初支拱蓋挖法尤其適用于硬巖車站開挖，并且對地面交通產(chǎn)生影響較小，在地鐵車站施工中具有高度的應(yīng)用和推廣價值[1-10]。國內(nèi)學(xué)者賈貴寶[11]研究了拱蓋法施工的工藝以及控制重點，認為拱蓋法具有大面積作業(yè)、導(dǎo)洞少、效率高、圍巖擾動少、工序少、可有效加快施工進度等優(yōu)點;吳學(xué)峰[12]對土巖復(fù)合地層進行了數(shù)值模擬，認為在復(fù)雜地層中，拱蓋法施工能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和圍巖的安全。

本工程利用車站臨時中隔墻+優(yōu)化后支架體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)滿堂支架模板安裝與模板臺車施工方法，操作方便簡單，結(jié)構(gòu)輕巧，機動性強，節(jié)約物料，節(jié)約時間，效益高，可減少工作量，提高施工進度。

1 工程概況

貴陽市軌道交通2號線陽明祠站為一期土建的第21個車站，車站位于寶山北路與東山路的十字交叉路口北側(cè)道路下方，沿寶山北路呈南北向布置。車站起止里程為YCK34+371.496～YCK34+637.700，長266.204 m，軌面埋深24～27 m。

車站范圍內(nèi)上覆人工澆筑混凝土瀝青路面，層厚約40 cm，第四系人工填土層厚約0.2～3.7 m，紅黏土覆蓋層厚約1.4～14.7 m，紅黏土具有遇水軟化、失水強烈收縮、裂隙發(fā)育、易剝落的工程性質(zhì)。洞穴堆積，充填軟塑至流塑狀黏土，均為全充填，極個別為空洞，發(fā)育強烈，車站拱頂覆蓋層薄，開挖風(fēng)險極大。為此采用初支拱蓋法施工，拱蓋采用支架法現(xiàn)澆施工以加強初支穩(wěn)定性。

2 初支拱蓋施工

車站拱蓋開挖步序①～步序⑦如圖1所示。車站加強初支拱蓋分拱蓋縱梁、拱蓋2部分，均采用C30混凝土模筑。拱蓋縱梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拱蓋為鋼拱架混凝土結(jié)構(gòu)。拱蓋內(nèi)置I25b鋼拱架，鋼拱架間距50cm。鋼拱架緊貼拱蓋內(nèi)表面安裝，內(nèi)腹保護層不少于 40mm，相鄰鋼架間設(shè)25mm縱向連接筋，與鋼拱架焊接，環(huán)向間距 0.5m（內(nèi)外交錯布置）。初支與拱蓋二次初支的連接鋼筋錨入初支內(nèi)的長度不小于300mm，錨入疊合拱蓋部分不小于350mm。型鋼鋼架按相應(yīng)長度在鋼構(gòu)廠統(tǒng)一加工，現(xiàn)場拼裝。

2.1 縱梁施工

開挖拱部側(cè)導(dǎo)洞①～④（圖 1）并施做初支，在拱部導(dǎo)洞外側(cè)打設(shè)砂漿錨桿與鎖腳錨桿，以加固拱腳處圍巖。拱蓋縱梁緊隨車站上半部③步、④步開挖支護完成后施工，先綁扎鋼筋，再安裝小平板鋼模，加固牢靠后澆筑縱梁混凝土。拱蓋縱梁施工前，應(yīng)對基底進行勘察，看是否符合設(shè)計基巖基底要求，否則應(yīng)聯(lián)系相關(guān)單位確定換填加固處理方案。

2.2 初拱蓋施工

初支拱蓋鋼拱架安裝前，先用風(fēng)鎬人工鑿除臨時支撐頂部拱蓋范圍內(nèi)的噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)，完整保留臨時支護工字鋼，使大拱蓋鋼拱架能夠穿過并拼裝成型，鋼拱架拼裝完成后用縱向連接筋和拱架底腳錨固鋼筋將其加固;待加強初支施做完成、強度達到設(shè)計100%時，拆除臨時支撐。

在利用車站臨時中隔墻的基礎(chǔ)上，優(yōu)化支架體系，進行拱蓋施工。拱蓋支架體系如圖2所示，依次為，5cm厚平板組合鋼模、間距0.5 m的I20b鋼拱架拱圈、76 mm鋼管支撐體系。鋼拱架背帶拱肋間采用鋼筋連接成整體，拱蓋右側(cè)拱腳部分采用上下2排76mm鋼管斜向支撐，間距按0.5m布置，斜撐中部采用鋼管連接。

3 計算模型

采用Midas Civil進行建模分析，驗算支架體系的強度、剛度、穩(wěn)定性以及立桿地基承載力。支架體系模型如圖3所示，均采用梁單元建立。背帶拱肋與既有豎向隔墻采用節(jié)點彈性連接，背帶拱肋拱腳、立柱和斜撐根部按鉸接模擬， 邊界條件為對位移Dx、Dy、Dz進行約束。

計算中，恒載取最大斷面進行計算，拱部斷面面積23.25m2（拱蓋1.3m厚），鋼筋混凝土自重26kN/m3，澆筑長度6 m，計算得到鋼管架支模體系拱部模板承受混凝土灌注自重壓應(yīng)力p = 38.04kPa。支架自重由程序根據(jù)有限元模型設(shè)定的截面和尺寸自行計算施加，自重系數(shù)取-1?；钶d根據(jù)《路橋施工計算手冊》，在采用內(nèi)部振搗且混凝土澆筑速度在6 m/h以下時，作用于側(cè)模的最大壓力可以取以下較小值進行計算：模板側(cè)壓力pm = 39.6 kPa，混凝土沖擊及振搗對模板產(chǎn)生的側(cè)壓力q = 4 kPa。

4 計算結(jié)果分析

4.1 背帶拱肋

背帶拱肋計算分析中以強度、剛度進行控制，斜撐、立柱以強度、穩(wěn)定性進行控制。

4.1.1 背帶拱肋強度

圖4為背帶拱肋應(yīng)力計算云圖，由圖可知，最大組合應(yīng)力σz = 80.1 MPa<[σz ] = 215 MPa，最大彎曲應(yīng)力σw = 53.3 MPa<[σw ] = 215 MPa，最大剪應(yīng)力τ =19.8MPa<[τ] = 125 MPa?？梢?，背帶拱肋設(shè)計滿足強度要求。

4.1.2 背帶拱肋剛度

圖5為背帶拱肋位移云圖，由圖可知，背帶拱肋最大位移f= 1.1mm<[f ] = L/400 = 1970/400 = 4.93mm?？梢?，背帶拱肋剛度滿足剛度要求。

4.2 斜撐

4.2.1 斜撐強度

圖6為斜撐應(yīng)力計算云圖，由圖可知，最大組合應(yīng)力σz = 87.2 MPa<[σz ] = 215 MPa，最大彎曲應(yīng)力σw = 30.5 MPa<[σw ] = 215 MPa，最大軸力σ = 64.2 MPa<[ σ ] = 215 MPa?？梢姡睋螐姸仍O(shè)計滿足強度要求。

4.2.2 斜撐穩(wěn)定性

計算時，立柱自由高度取3 m，按兩端鉸接考慮。已知，最大鋼管樁反力N = 50.8 kN，計算長度l0 = 3m，截面面積A = 8.836cm2，回轉(zhuǎn)半徑i = 2.215cm。根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》長細比容許值[λ] = 150、穩(wěn)定系數(shù)容許值[] = 0.402，可計算得到：

4.3 立柱

4.3.1 立柱強度

圖7為立柱應(yīng)力計算云圖，由圖可知，最大組合應(yīng)力為σz = 51.2 MPa<[σz ] = 215 Mpa，最大彎曲應(yīng)力σw =37.8 MPa<[σw ]=215 Mpa，最大軸力σ = 51.2 MPa<[σ] = 215 MPa?？梢?，立柱強度設(shè)計滿足強度要求。

4.3.2 立柱穩(wěn)定性

計算時，立柱自由高度取3.6m，按兩端鉸接考慮。已知，最大鋼管樁反力N = 40.5 kN，計算長度l0 = 3.6m，截面面積A = 8.836cm2，回轉(zhuǎn)半徑i = 2.215 cm。根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》長細比容許值[λ] = 150、穩(wěn)定系數(shù)容許值[] = 0.268，可計算得到：

5 地表沉降監(jiān)測

由于車站監(jiān)測斷面較多，特選取具有代表性的DBC34590號斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表1所示。由表可以看出，有部分點位出現(xiàn)預(yù)警，但未超過極限強度，變形較小，無開裂現(xiàn)象，拱蓋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。但施工時應(yīng)加強監(jiān)測，尤其是對拱蓋結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整支護措施。

6 結(jié)論

貴陽市軌道交通2號線陽明祠站拱蓋施工中，通過初支拱蓋法優(yōu)化施工，在工作效率、施工安全以及經(jīng)濟效益等方面較以往施工模式均有較大提升。拱蓋襯砌改變了傳統(tǒng)的滿堂支架及模板臺車施工方式，操作簡便，工作量較少、工作效率高、支撐體系安全可靠。借助車站現(xiàn)有臨時鋼支撐，可大大減少施工人員的工作量，提高工作效率，減少人員需求量，減少對前方掌子面開挖時間的影響。對陽明祠站初支拱蓋的模擬計算分析和地表沉降監(jiān)測分析表明，初支拱蓋法優(yōu)化施工的陽明祠站拱蓋在結(jié)構(gòu)上滿足強度、穩(wěn)定性要求。

參考文獻

[1]王安東. 一種新拱蓋法——疊合初支拱蓋法的特點與應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2016（1）.

[2] 陳軍. 初支拱蓋法在地鐵車站施工中的應(yīng)用[J]. 城市建筑， 2014（36）.

[3]程韜，劉建偉，曹平. 硬巖大跨暗挖地鐵車站施工方案優(yōu)化分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報，2014，10（3）.

[4]張富明. 地鐵拱蓋法施工的適用性討論[J]. 山東交通科技，2016（5）.

[5]郭小紅，姚再峰，楊春英，等. 大跨度地鐵車站初支拱蓋法支護參數(shù)研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2019（5）.

[6]趙迎，高明生. 巖溶地區(qū)暗挖地鐵車站復(fù)合初支拱蓋法施工穩(wěn)定性研究[J]. 市政技術(shù)，2019，37（3）.

[7]陳立鵬，王利偉，袁興華，等. 拱蓋法在巖質(zhì)地區(qū)大跨隧道中的適應(yīng)性分析[J]. 工程建設(shè)，2018，50（9）.

[8]張婕. 初支拱蓋法地鐵車站開挖施工研究[J]. 低碳世界，2018（6）.

[9]湯慶樂. 初支拱蓋暗挖地鐵車站施工變形規(guī)律及控制研究[D]. 河北石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2018.

[10] 張世杰. 巖層地鐵車站初支拱蓋法開挖力學(xué)效應(yīng)與適用性研究[D]. 山東濟南：山東大學(xué)，2017.

[11] 賈貴寶. 拱蓋法在地鐵車站施工中的應(yīng)用[J]. 合作經(jīng)濟與科技，2011（12）.

[12] 吳學(xué)鋒. 土巖復(fù)合地層拱蓋法施工三維有限元數(shù)值模擬[J]. 城市軌道交通研究， 2012，15（8）.

收稿日期 2019-04-09

責(zé)任編輯 朱開明