劉 濤，趙松壯，孫付峰

（1.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島，266100；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000）

1 引 言

正在修建的青島地鐵某車站采用單拱直墻暗挖斷面，大拱腳拱蓋法施工，鉆爆法開挖。斷面寬19.2 m，高16.2 m，拱頂埋深10～12 m，位于強(qiáng)風(fēng)化中、下亞帶，拱腳部分坐落于中風(fēng)化巖層，是典型的位于“上軟下硬”地質(zhì)類型的淺埋大跨度暗挖車站，設(shè)計斷面形式見圖1。

淺埋暗挖法中為保證二次襯砌結(jié)構(gòu)的完整性，不可避免地需要拆除臨時支撐，在拆除過程破壞了初期支護(hù)構(gòu)成的棚架體系[1]，是初期支護(hù)受力最危險的時期。國內(nèi)對拆撐安全施工技術(shù)的研究多以軟土地區(qū)工程為背景，雷震宇等[2]以南京地鐵鼓-玄區(qū)間渡線段隧道為例，數(shù)值計算得出眼睛工法施工時拆撐的合理順序及一次最佳拆撐長度。張建國等[3]以CRD 法施工的廈門翔安隧道為例，論證了縱向順序拆撐，一次拆撐10 m 的方案可行性，而對位于上軟下硬的“土巖組合”地層中，采用拱蓋法施工的暗挖工程拆撐技術(shù)的研究則尚未開展。

本文以青島地鐵某暗挖站為研究對象，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬的方法，對比研究拆撐前后的地表沉降、拱頂沉降的變化情況，論證了本工程拆撐方案的安全性及可行性，為實(shí)現(xiàn)信息化施工提供了依據(jù)，并為今后類似工程積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

圖1 某車站典型斷面Fig.1 Cross-section of station

2 拆撐方案

車站上覆軟弱土層形成的應(yīng)力全部作用在拱部初支上，一部分傳遞到拱腳，一部分傳遞給臨時豎撐。拱腳處與臨時支撐的底部地層多為花崗巖中風(fēng)化層或加固的強(qiáng)風(fēng)化層，其承載能力足以承受傳遞來的荷載。這種拱蓋法設(shè)計巧妙地利用了“上軟下硬”的地層條件，但當(dāng)臨時支撐拆除時，會造成圍巖的二次擾動，因此應(yīng)特別注意拆撐方案的合理性。

綜合考慮安全性、進(jìn)度、質(zhì)量及工作空間的因素，擬定了“6 m 范圍內(nèi)交替拆撐，以6 m為工作單元間隔拆撐”的施工方案。拆撐流程圖見圖2。

圖2 拆撐方案流程圖Fig.2 Flow chart of dismantling temporary supports

3 現(xiàn)場監(jiān)控量測

3.1 測點(diǎn)布設(shè)與監(jiān)測方法

選擇地表沉降、拱頂沉降和凈空收斂這些能夠最準(zhǔn)確、最直接反映結(jié)構(gòu)安全性[4]的監(jiān)測項(xiàng)目為本次研究的主要內(nèi)容，典型監(jiān)測斷面布置如圖3 所示。監(jiān)測儀器與方法見表1。

圖3 典型監(jiān)測斷面圖（單位：mm）Fig.3 Distribution of measurement points(unit:mm)

表1 監(jiān)測儀器及方法Table 1 Instruments and methods of monitoring

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

暗挖車站埋深10～12 m，其中土層厚3～7 m，強(qiáng)風(fēng)化巖層厚3～5 m，跨度為19.2 m，覆跨比約為0.57?？紤]硐室埋深、高度和跨度等空間因素，選取位于拆撐段中間（Ⅰ）及前后兩側(cè)（Ⅱ、Ⅲ）的間距為5 m 的3個斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，討論拆撐這一工序?qū)鲜页踔Ъ暗乇碜冃蔚呢暙I(xiàn)率。各監(jiān)測項(xiàng)目時程曲線如圖4 所示，具體監(jiān)測結(jié)果見表2～4。由表2～4 及圖4 可知，監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢具有一定的相似性，總體呈現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）經(jīng)歷微小變形期、急劇變形期、變形平穩(wěn)期后，監(jiān)測數(shù)據(jù)在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，變化幅度在±0.5 mm 之內(nèi)，滿足拆撐的前提條件。

（2）臨時支撐拆除前后，監(jiān)測數(shù)據(jù)均未發(fā)生超過±2 mm（報警值）的突變，而是比較平穩(wěn)的增長，并隨后趨于穩(wěn)。

（3）拆撐后地表沉降增長量均在5 mm 之內(nèi)，最終地表累計沉降量與埋深比值為0.95‰～4.29‰，其中拆撐造成的地表沉降占總沉降的 6.57%～10.35%。

圖4 位移監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Displacement results of in-situ measurement

（4）拱頂在拆撐后的沉降量為1.01～1.71 mm，拱頂?shù)淖罱K沉降量約為硐室高度的1.69‰～1.79‰，其中拆撐造成的變形量約占總值的3.48%～5.95%。

（5）拆撐后凈空收斂增長值很小，為0.20～0.47 mm，拆撐后的累計變化值與硐室跨度的比值約為0.14‰～0.22‰，其中拆撐的貢獻(xiàn)率達(dá)到7.12%～ 14.94%。

表2 地表沉降監(jiān)測結(jié)果Table 2 Measured settlement of ground

表3 拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果Table 3 Measured settlement of vault

表4 凈空收斂監(jiān)測結(jié)果Table 4 Measured convergence

由監(jiān)測結(jié)果判斷拆撐后結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，現(xiàn)場施工結(jié)果也證明了拆撐后結(jié)構(gòu)的安全性。

4 拆撐數(shù)值模擬

現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)受埋設(shè)方法和現(xiàn)場工況的限制可能出現(xiàn)一定的誤差，為更好地從理論上論證拆撐方案的合理性，進(jìn)一步對拆撐階段的安全性進(jìn)行分析，利用三維有限元軟件 Ansys，采用 Mohr-Coulomb 塑性本構(gòu)模型，對拆撐過程進(jìn)行模擬分析。

4.1 模型的建立

在三維有限元計算中邊界條件對計算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響很大，研究表明，硐室開挖的影響范圍為3～5 倍的隧道開挖跨度[5–6]，但對于拆撐的影響范圍未發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究。分析現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，拆除6 m 的臨時支撐對距離拆除段中心5 m 范圍內(nèi)的周邊地表及初期支護(hù)的影響較小，距離15 m 處的影響基本可以忽略，故本次計算范圍確定為：上邊界距拱頂11 m（車站埋深的平均值），下邊界距拱頂52 m（已進(jìn)入中風(fēng)化巖層），橫向方向兩側(cè)分別取距車站中軸的2 倍洞徑，縱向方向取5 倍的拆除長度范圍，即30 m。模型共劃分了13 800個單元，Solide 45單元15 780個，Shell 181 單元1 950個，采用拱蓋法開挖，計算模型網(wǎng)絡(luò)圖見圖5，圍巖及力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及地方經(jīng)驗(yàn)取值見表5。

圖5 計算模型網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 The FEM mesh for calculation

表5 巖層與支護(hù)體系力學(xué)參數(shù)Table 5 Mechanical parameters of the materials

4.2 計算結(jié)果分析

利用上述3 種有限元模型，根據(jù)車站實(shí)際拆撐方案進(jìn)行有限元動態(tài)施工模擬，得到拆撐前后的圍巖位移云圖和拱部初支位移云圖如圖6 所示。提取監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到地表沉降與拱頂沉降具體計算結(jié)果，見表6。由圖表可見，（1）圍巖位移云圖在拆撐前后的變化較小，只是在臨時支撐與拱頂、底部的連接處以及拱腳位置發(fā)生了變化，拱部初支位移云圖變化不明顯。（2）拆撐前后地表沉降與拱頂沉降的增長幅度均較小，地表沉降為-1.63～0.33 mm，增長率為2.6%～14.5%；拱頂沉降為-2.33 mm，增長率為7.3%，其中增長率與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好，二者均表明拆撐前后的圍巖變形與初支變形在可控范圍內(nèi)。

圖6 拆撐前后位移云圖對比（單位：m）Fig.6 Change of vertical displacement during dismantling(unit:m)

5 結(jié) 論

（1）拆撐前后地表沉降量均在5 mm 之內(nèi)，因拆撐造成的地表沉降占總沉降的6.57%～10.35%。拱頂沉降增長量為1.01～1.71 mm，其中拆撐貢獻(xiàn)率為3.48%～5.95%。凈空收斂增長量為0.20～0.47 mm，拆撐的貢獻(xiàn)率達(dá)到7.12%～14.94%。拆撐后，監(jiān)測數(shù)據(jù)并未發(fā)生突變，而是平穩(wěn)增長并逐漸趨于穩(wěn)定，拆撐后仍處于安全狀態(tài)。

表6 位移計算結(jié)果Table 6 Displacement results of numerical simulation

（2）拆撐前后圍巖與初支位移云圖變化均較小，僅臨時支撐與拱部、底部的連接處以及拱腳處有所變化。計算所得地表沉降、拱頂沉降拆撐前后的增長率與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好，說明采用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬相互補(bǔ)充、綜合分析的方法，對指導(dǎo)隧道或者車站的信息化施工可以取得較好的效果。

（3）拆撐前后的圍巖變形與初支變形在可控范圍之內(nèi)，在青島“上軟下硬”的地質(zhì)類型中，進(jìn)行拱蓋法施工淺埋大跨度車站施工時，采取“6 m范圍內(nèi)交替拆撐，以6 m為工作單元間隔拆撐”的施工方案是可行的，可為今后類似工程提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

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