賈世濤 張志勇 宋 波 張海龍

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

拱蓋法是一種典型的地下大空間結(jié)構(gòu)施工工法，結(jié)合了當(dāng)前地下工程常用明(蓋)挖工法和暗挖扣拱工法的特點(diǎn)，顧名思義就是“拱”和“蓋”的結(jié)合，主要思路是將蓋挖的理念引入地下，通過(guò)常用的大跨暗挖扣拱施工在上部軟土層形成“拱”形“蓋”，通過(guò)大拱腳將拱蓋上部荷載均勻傳遞給下部圍巖，充分利用下覆圍巖的高強(qiáng)度，發(fā)揮巖石承載能力，扣拱完成后在拱蓋的保護(hù)下向下開(kāi)挖，相當(dāng)于蓋挖方法的后續(xù)施工。經(jīng)過(guò)演變發(fā)展，拱蓋法多適用于“上軟下硬”的特殊地層，多為采用暗挖鉆爆法施工的地下工程。

相關(guān)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)人員對(duì)拱蓋法的研究多集中在工法在地層的適用、拱蓋施工步序探討等方面。鐘國(guó)[1]以大連地鐵一二九街站為研究對(duì)象，論述了車(chē)站施工方法的選擇與比較，介紹了拱蓋法施工的應(yīng)用，包括單拱單跨和雙拱單柱兩種形式，針對(duì)大連地區(qū)上軟下硬的地質(zhì)條件，拱蓋法較好地解決了大跨車(chē)站暗挖施工的安全和變形控制要求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；李強(qiáng)[2]針對(duì)青島地鐵11號(hào)線遼陽(yáng)東路站上軟下硬地質(zhì)情況，對(duì)暗挖拱蓋法在地鐵中的應(yīng)用進(jìn)行了分析；王磊等[3]就地鐵拱蓋法在上軟下硬地層中的應(yīng)用展開(kāi)論述，解決了傳統(tǒng)分部開(kāi)挖法受力轉(zhuǎn)換多、廢棄工程量大、爆破振動(dòng)影響大、作業(yè)空間狹小等問(wèn)題；常正儒[4]根據(jù)“上軟下硬”的地質(zhì)特點(diǎn)，提出了“上注下支”的拱蓋施工方法，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到不同開(kāi)挖順序?qū)κ┕み^(guò)程的影響，說(shuō)明施工應(yīng)采用先開(kāi)挖下導(dǎo)洞再開(kāi)挖上導(dǎo)洞的施工順序，并將得到的地表變形規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性；王安東[5]通過(guò)論述主要施工工序，將二襯拱蓋法、初支拱蓋法及疊合初支拱蓋法三種拱蓋法進(jìn)行了比較，詳細(xì)介紹了疊合初支拱蓋法的關(guān)鍵施工技術(shù)和施工要點(diǎn)，論證了疊合初支拱蓋法提高了拱蓋法對(duì)圍巖條件的適應(yīng)能力；鄧?yán)サ萚6]針對(duì)超大斷面車(chē)站拱蓋法破壞特征和力學(xué)機(jī)理，模擬鳳西路站全過(guò)程施工，分析施工過(guò)程中地表沉降、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移及大拱腳加固效果，同時(shí)對(duì)比青島地鐵拱蓋法施工變形規(guī)律，總結(jié)了兩者的異同。

與拱蓋法的理念相似，PBA工法也是將蓋挖的思路引入地下，出于對(duì)比的考慮，本文還收集了PBA工法相關(guān)案例進(jìn)行分析[7-11]，PBA工法施工安全度高但導(dǎo)洞多、工序復(fù)雜、進(jìn)度慢，一般適用于均勻的軟土地層中。

本文在既有眾多研究結(jié)論的基礎(chǔ)上開(kāi)展工作，以Midas Gts NX有限元分析軟件為主要工具，依托既有在施工程，建立地層結(jié)構(gòu)模型，對(duì)拱蓋法車(chē)站施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分析地層沉降及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，進(jìn)而應(yīng)用到本工程的沉降值預(yù)估中，指導(dǎo)完善設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案。

2 工程概況

2.1 車(chē)站概況

南昌路北站為青島地鐵8號(hào)線的第14座車(chē)站，車(chē)站位于長(zhǎng)沙路、周口路與南昌路交叉口處，沿南昌路南北方向布置。車(chē)站站址范圍內(nèi)地形較為平坦，地面標(biāo)高38.650～40.050 m，車(chē)站西北、西南象限均是水清溝二小區(qū)住宅樓，裙房為1層結(jié)構(gòu)，東北象限為中海寰宇天下樓盤(pán)小區(qū)，東南象限為70 m綠化帶，尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)劃，現(xiàn)狀為汽車(chē)專營(yíng)店。周口路規(guī)劃紅線30 m，現(xiàn)狀道路寬約12 m，雙向兩車(chē)道(路口三車(chē)道)；長(zhǎng)沙路規(guī)劃紅線40 m，現(xiàn)狀道路寬約22 m，雙向六車(chē)道，道路車(chē)流量較大。

車(chē)站為地下兩層暗挖車(chē)站，單拱大跨結(jié)構(gòu)型式，限量排放的半包防水。車(chē)站長(zhǎng)226.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.8 m，上部拱蓋開(kāi)挖跨度22.3 m，拱頂覆土約14.26～15.73 m，車(chē)站主體基本位于微風(fēng)化花崗巖中。主體結(jié)構(gòu)采用二襯拱蓋法施工，兩端風(fēng)井兼做1號(hào)、2號(hào)施工豎井，施工橫通道與風(fēng)道結(jié)合設(shè)置。車(chē)站兩端接礦山法+TBM施工區(qū)間，開(kāi)挖、初支、二襯拱墻及中板施工完成后提供TBM過(guò)站條件。

2.2 地質(zhì)條件

通過(guò)鉆探揭示，場(chǎng)區(qū)第四系厚度0.50～5.20 m，主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層()及上更新統(tǒng)洪沖積層粉質(zhì)黏土()組成?；鶐r為燕山晚期()粗?；◢弾r，花崗斑巖()及煌斑巖呈脈狀產(chǎn)出。受構(gòu)造破碎帶影響，部分地段揭露砂土狀碎裂巖、塊狀碎裂巖等構(gòu)造巖。

場(chǎng)區(qū)共揭示了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層及10個(gè)亞層，按地質(zhì)年代由新到老、青島市區(qū)第四系標(biāo)準(zhǔn)地層層序自上而下依次為:第四系(第①層素填土、第①1層雜填土、第[11]層粉質(zhì)黏土)；基巖(粗?；◢弾r:第[16]0-上層強(qiáng)風(fēng)化上亞帶、第[17]層中等風(fēng)化帶、第[18]層微風(fēng)化帶；煌斑巖:第[16]1層強(qiáng)風(fēng)化帶、第[18]1層微風(fēng)化帶；花崗斑巖:第[18]3層微風(fēng)化帶；構(gòu)造巖:第[16]0-2層花崗巖(砂土狀碎裂巖)、第[17]0-2層花崗巖(塊狀碎裂巖))。

場(chǎng)區(qū)地下水按賦存介質(zhì)及埋藏條件的差異，可劃分為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水兩大類。第四系孔隙潛水主要分布在剝蝕堆積緩坡地貌單元，賦存于第①層及第[11]層中，主要接受大氣降水補(bǔ)給，地下水穩(wěn)定水位埋深1.45～4.40 m；基巖裂隙水主要分布在剝蝕斜坡地貌單元，包括風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水，地下水穩(wěn)定水位埋深2.80～8.00 m。

3 施工方法及順序

車(chē)站主體結(jié)構(gòu)采用二襯拱蓋法施工，主要工序可分為以下幾個(gè)步驟:

(1)拱蓋開(kāi)挖及施作。車(chē)站拱蓋開(kāi)挖根據(jù)圍巖不同分別采用“CD”法或“雙側(cè)壁導(dǎo)坑”開(kāi)挖，導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后及時(shí)初噴，及時(shí)支護(hù)。

(2)二襯扣拱施工。主體上部貫通后進(jìn)行二襯扣拱施工。

(3)下部開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施作。由上而下分段開(kāi)挖車(chē)站主體結(jié)構(gòu)，施作中板、中柱及邊墻，側(cè)墻做到底板位置時(shí)甩出底板預(yù)留筋。

(4)過(guò)站后的底板及站臺(tái)結(jié)構(gòu)施作。在墊層位置修建導(dǎo)臺(tái)，待TBM通過(guò)本站后，回填底板下超挖區(qū)域，施作底板結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

4 車(chē)站施工過(guò)程模型計(jì)算及地層沉降分析

4.1 模型概況及參數(shù)取值

Midas Gts NX有限元分析軟件內(nèi)置多種單元類型庫(kù)和本構(gòu)模型，通過(guò)定義開(kāi)挖和施工階段功能模擬車(chē)站施工過(guò)程，并進(jìn)行施工階段分析。用Midas Gts NX有限元分析軟件建立車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)斷面和周?chē)馏w模型，模型寬100 m，高50 m，采用彈性模型模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬土層，單元類型均采用實(shí)體單元，模型網(wǎng)格劃分如圖1、圖2所示。

圖1 整體模型網(wǎng)格示意

圖2 車(chē)站結(jié)構(gòu)網(wǎng)格示意

初支的硬化過(guò)程通過(guò)建立邊界條件修改單元屬性實(shí)現(xiàn)，材料參數(shù)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]和勘察資料確定，見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件及土層材料參數(shù)

4.2 車(chē)站施工過(guò)程分析

對(duì)車(chē)站施工過(guò)程進(jìn)行模擬，定義施工階段，分步計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中讀取地表和車(chē)站結(jié)構(gòu)沉降最值作為分析的主要內(nèi)容，如圖3所示。

圖3 沉降值對(duì)比點(diǎn)示意

讀取施工過(guò)程中不同階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，按拱蓋開(kāi)挖、二襯扣拱、下部開(kāi)挖、結(jié)構(gòu)施作完成四個(gè)步驟，將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 各施工階段地表沉降及車(chē)站結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，總結(jié)不同階段地表沉降及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律如下:

(1)拱蓋開(kāi)挖階段的地面沉降在整個(gè)施工過(guò)程中占據(jù)了較大的比例，根據(jù)各地表點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，比例值在67.9%～90.4%之間，平均83.3%。

(2)結(jié)構(gòu)拱頂處對(duì)應(yīng)的地表沉降在各階段的占比均大于其他位置，沉降槽的規(guī)律與常規(guī)斷面相同工法開(kāi)挖類似，這也說(shuō)明了拱蓋開(kāi)挖方式應(yīng)與拱頂以上土層性質(zhì)相匹配。

(3)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與地面沉降規(guī)律基本一致，在每個(gè)施工階段中所占整體變形比例均略大于地面沉降。

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比及后期沉降預(yù)估分析

截止目前，車(chē)站施工已完成拱蓋開(kāi)挖階段，結(jié)合當(dāng)前收集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地面沉降及結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 拱蓋開(kāi)挖施工階段地表沉降及車(chē)站結(jié)構(gòu)變形對(duì)比情況

根據(jù)以上結(jié)果對(duì)比，對(duì)模型計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析，總結(jié)出以下特點(diǎn):

(1)計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值中，地表沉降值基本吻合，監(jiān)測(cè)值中沉降最大點(diǎn)位置比計(jì)算值更偏向于先行開(kāi)挖的導(dǎo)洞一側(cè)，初步判斷與導(dǎo)洞間開(kāi)挖步距及支護(hù)體系封閉時(shí)機(jī)有一定關(guān)系。

(2)計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值反映出結(jié)構(gòu)變形規(guī)律一致，個(gè)別變形值有一定差異，平均差值及最大差值分別為1.5 mm(約16.1%)及3.6 mm(約25.5%)。

基于車(chē)站各施工階段計(jì)算值得到的初步規(guī)律，結(jié)合具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析情況，通過(guò)等比例原則估算每處地面點(diǎn)沉降值，對(duì)本車(chē)站施工完成后的地面沉降進(jìn)行預(yù)估見(jiàn)圖6。

圖6 車(chē)站施工完成地面沉降預(yù)估

地面沉降預(yù)估值最大7.60 mm，平均值3.67 mm，滿足地面沉降限值要求，這也證明了本站采用二襯拱蓋法實(shí)施的合理性。

5 拱蓋法地層適用性分析

近些年來(lái)，隨著拱蓋法在地下工程施工中的不斷運(yùn)用和建筑施工水平的不斷提升，施工技術(shù)及理論得到了充分發(fā)展，在常用的初支拱蓋法、二襯拱蓋法基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)優(yōu)化改良還形成了疊合初支拱蓋法。

目前，青島、重慶、大連等地的在建地鐵，暗挖車(chē)站較多采用拱蓋法施工，一部分車(chē)站已順利完成，實(shí)踐證明，在以硬質(zhì)巖為主的地層尤其是上軟下硬的地層中，采用拱蓋法施工是合適的，體現(xiàn)出工序轉(zhuǎn)換少、地面沉降小、防水質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)。由于較大程度依賴基巖的完整保證拱腳受力穩(wěn)定，在軟巖、土質(zhì)地層中并不適用，這也是拱蓋法的局限性所在。

針對(duì)目前城市地下工程常用暗挖方法分部多、地層變形控制困難、施工風(fēng)險(xiǎn)高、施工工效低、結(jié)構(gòu)跨度小等問(wèn)題，拱蓋法在地下大空間工程中無(wú)疑是一種合理的解決思路，而如何將拱蓋法的適用性進(jìn)一步擴(kuò)展，并引入支護(hù)結(jié)構(gòu)一體化的概念，則是后續(xù)研究工作中的重點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的分析，得到了拱蓋法地鐵車(chē)站施工過(guò)程對(duì)地層沉降影響的基本規(guī)律，同時(shí)基于車(chē)站施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析和施工沉降預(yù)估分析，本次課題研究工作主要成果如下:

(1)拱蓋法施工期間沉降最大位置發(fā)生在拱蓋開(kāi)挖各導(dǎo)洞拱頂處，沉降變化最快發(fā)生在拱蓋開(kāi)挖及扣拱施工階段，與“上軟下硬”的地層條件相符，同時(shí)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與地面沉降規(guī)律一致。

(2)通過(guò)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比，一個(gè)特殊的現(xiàn)象是，沉降最大處隨開(kāi)挖步序轉(zhuǎn)移至當(dāng)前開(kāi)挖導(dǎo)洞處，初步判斷與導(dǎo)洞間開(kāi)挖步距及支護(hù)體系封閉時(shí)機(jī)有一定關(guān)系。

(3)基于模型計(jì)算工作和對(duì)監(jiān)測(cè)值的分析，對(duì)車(chē)站施工完成后的地面沉降值進(jìn)行了預(yù)估，預(yù)估值滿足地面沉降限值要求，證明了車(chē)站采用二襯拱蓋法實(shí)施的合理性。

在后續(xù)的工作中，將及時(shí)跟進(jìn)車(chē)站施工情況，進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)估值的準(zhǔn)確性，對(duì)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差異進(jìn)行細(xì)化分析，及時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，合理優(yōu)化施工期間工況約束，確保工程安全順利的實(shí)施。

本次工作還搜集了大部分拱蓋法工程相關(guān)案例，分析了拱蓋法施工的優(yōu)、缺點(diǎn)，論證了拱蓋法的適用性，希望借此引出對(duì)地下大空間結(jié)構(gòu)型式的探討，尋求空間利用率高、環(huán)境友好、施工便捷、安全高效的一體化結(jié)構(gòu)型式和相應(yīng)的施工方法。