鄒光炯，彭 輝，周 捷

（重慶市軌道交通設計研究院有限責任公司，重慶 401122）

1 研究背景

隨著社會經濟的高速發(fā)展，中國已進入城市軌道交通建設的蓬勃發(fā)展期。而隨著山地、丘陵地區(qū)城市軌道交通的大力發(fā)展，城市軌道交通暗挖車站的數量大幅增加。目前常見的軌道交通暗挖車站施工方法主要有三臺階七步開挖法、中隔墻開挖法和雙側壁導坑法[1]。為適應復雜圍巖條件和周邊環(huán)境，位于Ⅳ級圍巖中絕大部分大斷面暗挖車站選用技術相對成熟且保守的雙側壁導坑法施工[2-3]。但雙側壁導坑法等傳統(tǒng)大斷面暗挖隧道施工工法的施工步序較多、工效相對較低、洞內作業(yè)環(huán)境較差。因此，為進一步探索更加高效、經濟的大斷面暗挖隧道施工工法，在大連地鐵修建時，首次提出并采用了拱蓋法施工[4-5]。目前，拱蓋法已得到普遍認可，并逐漸發(fā)展為初支拱蓋法和二襯拱蓋法。一些新型拱蓋法，如疊合初支拱蓋法，也逐步在工程實踐中得到應用[6]。眾多學者和一線工程師也針對硬巖地層、上軟下硬地層、土巖組合地層、破碎巖層等不同圍巖條件下拱蓋法的適應性進行了研究[7-11]。

傳統(tǒng)的拱蓋法一般應用于抗壓強度較高的較硬巖或硬巖地層，尤其是上軟下硬的土巖復合地層[12]，主要利用其側墻巖層良好的自穩(wěn)能力和較高的強度來承擔上部荷載、抵抗側墻圍巖變形。在大連、青島等以較硬巖或硬巖地層為主的城市，部分軌道交通工程地下兩層暗挖車站采用傳統(tǒng)拱蓋法施工。而重慶主城地區(qū)巖層主要為砂巖與砂質泥巖互層，以砂質泥巖為主，完整性介于完整與較完整之間，圍巖等級一般為Ⅳ級。砂質泥巖的飽和抗壓強度普遍≤15 MPa，屬于軟巖，其承載能力較低，且隧道圍巖中多發(fā)育有裂隙、層面等不利結構面。針對重慶地區(qū)巖層特性，張國華等人對超大斷面暗挖地鐵車站施工工法進行了研究，認為對于常規(guī)兩層暗挖車站，可采用拱蓋法施工[13]。

但對于同臺換乘的地下 3層暗挖大斷面地鐵車站，相較于常規(guī)2層暗挖車站，其隧道開挖斷面更大、隧道邊墻更高，在軟質巖地區(qū)，更容易因隧道開挖導致邊墻失穩(wěn)。若采用常規(guī)的雙側壁導坑法，全斷面需分為12步進行開挖，且施工作業(yè)面沿縱向分布，作業(yè)面有限、工效低、工期長、臨時支護多、投資高。同時超大斷面隧道預留核心土高度較高，后期摘除核心土施工風險和工程難度均較大。而隧道二襯澆筑需采用全斷面襯砌臺車，臺車設計復雜，不易保證質量和剛度，由于臺車質量過大，其拼裝和行走也非常困難。因此，為解決軟質巖地區(qū)軌道交通地下3層暗挖超大斷面隧道的建設難題，降低工程風險、提高工效、節(jié)約投資，借鑒“明挖逆作”的理念，提出了軟質巖地區(qū)基于拱蓋法的超大斷面暗挖隧道洞內逆作工法。

2 基于拱蓋法的超大斷面暗挖隧道洞內逆作施工工法

2.1 概述

基于拱蓋法的超大斷面暗挖隧道洞內逆作施工工法是采用雙側壁導坑法或其他分部開挖工法完成隧道拱部開挖與二襯拱蓋施工，在拱蓋形成后，隧道中下部斷面通過永臨結合的支錨體系(臨時鋼支撐、長錨桿、隧道內部結構等)和合理的施工組織，通過開挖支護與襯砌結構的逆作法施工，使得初期支護自上而下隨挖隨支，二次襯砌自上而下分部分段澆筑，從而減小工程風險，降低施工難度。同時在隧道中下部斷面施工過程階段，沿隧道縱向、橫向、豎向進行三維空間施工組織，形成多作業(yè)面，為工程贏得了充足的作業(yè)空間，在節(jié)約施工工期的同時，有效改善洞內施工作業(yè)環(huán)境。目前，本工法已成功應用于重慶軌道交通環(huán)線一期工程民安大道站主體隧道工程建設。

2.2 工程概況

民安大道站為重慶軌道交通環(huán)線和4號線跨線同臺換乘地下三層暗挖島式車站，斷面開挖寬度25.7～29.9 m，開挖高度28.1 m，開挖斷面面積為675 m2，為中國城市軌道交通領域開挖斷面最大的暗挖隧道。民安大道站主體隧道長度約為242 m，土石方開挖量約為16.21萬m3。車站隧道埋深約為43.5 m，圍巖等級為Ⅳ級，巖層為砂質泥巖(其巖石飽和抗壓強度為7.6 MPa，天然抗壓強度為12.4 MPa，屬軟巖)。車站位于繁華城區(qū)，周邊環(huán)境復雜。

2.3 工法研究

依托重慶軌道交通環(huán)線一期工程民安大道站，本工法研究的主要內容包含以下3點。

2.3.1 拱部開挖及大拱腳拱蓋施工

拱部開挖設計以新奧法基本原理為依據，隧道斷面拱部分為六部，采用雙側壁導坑法進行開挖，摘除中部核心土之后，采用襯砌臺車施作拱部大拱腳襯砌拱蓋。同時在大拱腳部位內置暗梁，起到變形協(xié)調和受力傳遞作用，使得局部的變形突變或受力集中能沿隧道縱向傳遞，從而加強隧道整體穩(wěn)定性。由于設置大拱腳的需要，拱部隧道斷面開挖寬度達到了29.9 m，為城市軌道交通領域暗挖隧道最大開挖寬度。拱部開挖及拱蓋施工步序如圖1所示。

圖1 拱部開挖及拱蓋施工步序Figure 1 Excavation and construction steps of the arch of the tunnel area

2.3.2 永臨結合的高邊墻支錨體系

民安大道站埋深約為43.5 m，依據TB 10003-2016《鐵路隧道設計規(guī)范》判斷車站主體隧道為深埋隧道[14]。越來越多的工程研究和實踐表明，深埋隧道側墻塑性區(qū)發(fā)展范圍較大，深埋隧道的破壞往往表現(xiàn)為側墻失穩(wěn)，因此側墻的穩(wěn)定顯得非常重要。而民安大道站主體隧道側墻高度高，為高邊墻地下結構，由于采用拱蓋法施工，進一步增加了側墻工程的風險。同時，車站右側墻發(fā)育的構造裂隙為隧道側墻穩(wěn)定性帶來不利影響。如何確保上部拱蓋大拱腳巖體和高邊墻的穩(wěn)定，是本工法設計的重難點。

1) 為提高上部拱蓋大拱腳巖體穩(wěn)定性，提出了以下主要技術措施。

① 大拱腳部位小范圍巖土開挖采用非爆開挖以保證巖體完整性。

② 上部拱蓋澆筑完成后觀測大拱腳部位巖體基巖裂隙水滲漏情況，對于存在巖體基巖裂隙水滲漏的區(qū)域，采用導管將地下水引出，保證地下水不在拱腳部位匯集而降低巖體強度。

③ 大拱腳部位下部側墻設置臨時鋼支撐，將鋼支撐吊裝就位，同時采用千斤頂施加預應力，以將支撐頂緊，為防止支撐局部受力過大而失穩(wěn)，用細石混凝土填塞側墻與鋼支撐端頭間的縫隙，確保拱腳部位巖體呈三向受力狀態(tài)以增加巖體承載能力和穩(wěn)定性。中下部施工步序如圖2所示。

圖2 中下部施工步序圖Figure 2 Excavation and construction steps of the middle and bottom of the tunnel

2) 為提高高邊墻穩(wěn)定性，提出了以下主要技術措施。

① 側墻分區(qū)分段跳槽施工，隧道中下部豎向按照A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)3層進行分區(qū)，每層又按照中間縱向拉槽，兩側分段開挖進行施工組織。分段分區(qū)跳槽施工平面布置如圖3所示。

圖3 分段分區(qū)跳槽施工平面布置示意Figure 3 Schematic of segmental construction

② 初期支護結構按照逆作法施工，每一分區(qū)開挖自上而下，隨挖隨支，嚴格控制每步豎向開挖高度，及時支護。

③ 隧道邊墻錨桿采用長錨桿，錨桿通過潛在破壞區(qū)(塑性區(qū))后錨入穩(wěn)定巖層，同時密布的側墻錨桿起“插筋”作用，能夠提高圍巖的抗剪能力，并能加固因隧道開挖造成的隧道松動圈，從而利于側墻穩(wěn)定。

④ 每開挖一層后，施作一層側墻二襯，并在側墻端部預留鋼筋接駁器，由于存在部分超挖，側墻底端與開挖完成面存在一定間隙，因此，根據現(xiàn)場間隙大小，靈活選用臨時工字鋼設置于該間隙處，使得側墻與下部未開挖巖層楔緊，從而完全避免上部拱蓋塌落的風險，在開挖下一層時，將該臨時工字鋼拆除。

⑤ 第一段側墻施工完成后設置鋼支撐一道，并施加預應力，以控制圍巖變形，加強側墻和拱蓋拱腳的安全。

⑥ 按照逆作法開挖第二層巖土體后，對于第三層中部巖土進行拉槽開挖，開挖完成后，施作底板、內部結構(梁、板、柱)以及第二段側墻，使得全斷面開挖完成前，內部結構得以提前實施。內部結構可以作為支撐體系，從而減小側墻一次性開挖高度，加強了側墻穩(wěn)定性。

⑦ 洞內逆作法施工。隧道斷面中下部通過永臨結合的支錨體系，實現(xiàn)了開挖與襯砌結構的逆作法施工，初期支護自上而下隨挖隨支，二次襯砌自上而下分段澆筑，實現(xiàn)了洞內逆作法施工，降低了工程風險和施工難度。軌道行車板與隧道側墻實現(xiàn)了整體澆筑，避免了在行車板與隧道側墻之前設置施工縫，增加了結構安全度。施工現(xiàn)場如圖4～圖6所示。

圖4 拱蓋施作完成Figure 4 Arch lining completion

圖6 縱向分區(qū)分部施工站內結構Figure 6 Longitudinal segmental construction of the internal structure in the tunnel

圖5 中下部開挖Figure 5 Excavation of the middle and bottom of the tunnel

2.3.3 三維空間施工組織

傳統(tǒng)的隧道開挖工法，工作作業(yè)面(稱之為掌子面)沿縱向展開，作業(yè)面數量有限，作業(yè)空間狹小。本工法按照縱向、橫向、豎向進行三維空間施工組織，在拱部完成二襯拱蓋后，通過隧道內部縱向拉槽，分區(qū)施工，為施工贏得了充足的作業(yè)空間，極大地改善了洞內施工作業(yè)環(huán)境，同時能夠在主體結構澆筑完成之前，施作車站內部結構。隧道中下部斷面分區(qū)開挖如圖 7所示，分段分區(qū)跳槽施工平面布置如圖 8所示。

圖7 隧道中下部斷面分區(qū)開挖示意Figure 7 Schematic of segmental construction in the middle and bottom areas of the tunnel

圖8 分段分區(qū)跳槽施工平面布置示意Figure 8 Schematic of segmental construction

2.4 數值模擬

本工程采用地層結構模型對民安大道站主體隧道施工工況進行數值模擬。地層結構法計算應用MIDASGTS NX巖土有限元分析軟件建模分析，并結合工程類比確定噴錨支護參數。

2.4.1 計算模型

本工法采用分區(qū)分段跳槽開挖，二維模型弱化了跳槽開挖的有利空間效應，計算結果偏于保守，更有利于在設計階段評估該工法在施工過程中的可靠性，因此，采用二維有限元模型進行數值模擬。計算模型左右水平計算范圍大于隧道跨度的3倍；垂直計算范圍向上取至地表，向下計算范圍大于隧道高度的 2.5倍，隧道為深埋隧道。隧道斷面上部開挖采用雙側壁導坑法，下部采用分部開挖。其中初期支護采用梁單元模擬，二襯采用彈性二位平面應變單位模擬。計算模型如圖9所示。

圖9 計算模型Figure 9 Analysis model

2.4.2 計算結果分析

1) 位移分析。圍巖位移值計算結果見表1。

表1 圍巖位移值Table 1 Displacement of surrounding rock

從圍巖位移場分析，拱頂位移呈漏斗狀分布，拱部開挖支護完成后隧道沉降為24.83 mm，由于及時施作拱蓋以及側墻結構，拱頂位移對下部開挖并不敏感，待整個隧道封閉成環(huán)，拱頂沉降最大達到27.34 mm，施工下部 A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)，拱頂沉降僅增加約2.51 mm。拱部開挖過程中，洞周水平位移小，僅為4.40 mm。下部開挖過程中，開挖A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)邊墻臨空面分別為8.30、11.12、11.65 mm，由于隧道采用逆作法施工，及時支護，斷面下部開挖，造成上部水平位移進一步發(fā)展不多，側墻水平位移等值線呈波浪形，而非傳統(tǒng)工法的水平位移等值線呈凹凸狀，說明逆作法施工能有效控制高邊墻變形。

根據施工監(jiān)控量測，在民安大道站開挖過程中，其最大拱頂沉降為22.90 mm，小于數值計算結果中的拱頂最大沉降值27.34 mm，兩者均小于變形監(jiān)測控制值30.00 mm。由此可見，數值計算結果相對保守，該工法能滿足規(guī)范要求，安全可靠。

2) 應力分析。圍巖應力值計算結果見表2。

表2 圍巖應力值Table 2 Stress of surrounding rock

拱部左右導洞分步開挖時，隧道開挖應力釋放，洞周應力大部分較原巖應力減小，但拱腳部位作為上部拱行斷面的承載基礎，圍巖應力增大，斷面尖突部位存在著應力集中，最大值約為5.38 MPa；中巖柱作為承載結構應力增加。

取核心土巖柱后，拱部斷面形成，圍巖應力進一步釋放，拱腳部位作為上部拱形斷面的承載基礎，圍巖應力進一步增大，斷面尖突部位存在著應力集中，最大值約為6.68 MPa。

拱部中導洞下臺階開挖完成后，圍巖應力進一步釋放，拱腳部位作為上部拱形斷面的承載基礎，圍巖應力進一步增大，斷面尖突部位存在著應力集中，最大值約為6.70 MPa。

施作拱蓋后，拱腳應力增大區(qū)(承載體)范圍增加，說明拱蓋作為承載結構，將自重和豎向荷載傳遞于拱腳位置，雖然拱腳總的受力增加，但是大拱腳增加了受荷范圍，應力集中反而減小。拱腳部位作為承載體應加強該部位支護。

施作 A區(qū)時，由于上部荷載的傳遞，拱腳和側墻應力較原巖應力增加，但是該部位應力普遍小于6.00 MPa，斷面尖突部位存在著應力集中，最大值約為6.50 MPa。

施作C2區(qū)時，由于上部荷載的傳遞，拱腳和A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)側墻范圍應力較原巖應力增加。

C2區(qū)側墻施作完成后，隧道封閉成環(huán)，隧道開挖引起洞周圍巖應力重分布，圍巖應力以壓應力為主，隧道斷面尖突部位存在應力集中，最大應力約為6.71 MPa，洞周圍巖應力普遍小于6.00 MPa，小于砂質泥巖飽和抗壓強度7.60 MPa，因此圍巖基本保持穩(wěn)定，不會產生壓潰破壞。

同時，根據施工監(jiān)控量測數據，在民安大道站開挖過程中，其圍巖應力最大累計變化量為0.28 MPa，說明隧道開挖對圍巖的擾動較小，應力重分布不明顯。而由上述計算結果可知，圍巖最大主應力變化值為1.33 MPa，實測值明顯小于計算值。由此可見，隧道開挖過程中，空間效應顯著，計算偏保守，實際開挖風險可控。

3) 塑性區(qū)分布分析。隧道開挖塑性區(qū)分布如圖10所示。

圖10 隧道開挖塑性區(qū)分布Figure 10 Plastic zone distribution of tunnel excavation

隧道拱部開挖時，隧道塑性區(qū)主要分布在拱腳位置，該部位主要為上部拱圈的承載范圍，表現(xiàn)為最小主應力減小，最大主應力增加，從而產生塑性應力，形成塑性區(qū)，但是分布范圍不大，洞周徑向延伸長度約小于3 m；繼續(xù)開挖斷面A區(qū)，拱蓋下部側墻產生臨空面，圍巖由三向應力狀態(tài)變?yōu)榻咏诙S應力狀態(tài)，大拱腳以下圍巖塑性區(qū)進一步發(fā)展，分布范圍洞周徑向延伸長度約小于5 m；隨著B區(qū)及C1區(qū)的開挖，塑性區(qū)間進一步向下發(fā)展，但是A區(qū)由于側墻和鋼支撐的作用，改善了大拱腳圍巖受力條件，使得A區(qū)側墻塑性區(qū)未進一步發(fā)展。隧道塑性區(qū)主要分布在蓋拱的拱腳、側墻和仰拱的拱腳處，因此保證側墻的穩(wěn)定是本工程支護的重點。

從計算結果來看，圍巖的應力，包括應力集中區(qū)，均未大于巖石飽和抗壓強度，采用拱蓋法施工隧道不會因為巖石承載力不足而產生壓潰破壞；隧道因圍巖抗剪強度不夠而產生塑性破壞區(qū)(松動圈)，隧道的圍巖穩(wěn)定主要是受到圍巖的抗剪強度即黏聚力和內摩擦角控制，塑性區(qū)主要分布于拱腳圍巖和側墻處，因此，保證側墻的穩(wěn)定是本工程支護的重點。

同時，對比施工監(jiān)控量測數據可知，計算模型相對保守，其計算結果均大于實測值，并在可控范圍內，其計算分析具有較高的可靠性，能滿足工程實踐的需要。

2.5 主要創(chuàng)新點

綜上所述，基于拱蓋法的超大斷面暗挖隧道洞內逆作工法主要有以下創(chuàng)新點：

1) 超大斷面隧道上部開挖完成并形成二襯拱蓋后，為隧道中下部逆作法開挖提供了可能，有效提高了施工效率、節(jié)約工期和工程投資；

2) 通過永臨結合的支護措施，以及特殊部位的加強措施，結合暗挖隧道洞內逆作法施工，實現(xiàn)了軟質巖地區(qū)拱蓋法的首次成功應用；

3) 本工法通過在大拱腳下部設置臨時鋼支撐并施加預應力，使得大拱腳部位巖體處于三向約束狀態(tài)，加強了大拱腳部位巖體承載力，確保了拱腳巖體的穩(wěn)定；

4) 隧道斷面中下部開挖通過中部拉槽，兩側分區(qū)分部開挖實現(xiàn)了洞內三維空間的施工組織，相對于傳統(tǒng)的基于掌子面的開挖方式，為施工提供了充足的作業(yè)空間。

3 結論

基于拱蓋法的超大斷面暗挖隧道洞內逆作工法，對重慶地區(qū)大斷面暗挖深埋隧道具有普遍的適用性，本工法及時施作初期支護和模筑二襯結構，簡化了施工工序，減少了臨時支護、提供了多作業(yè)面和大空間作業(yè)區(qū)、增加了工程安全度、節(jié)約了工程投資、加快了施工進度、節(jié)約了工期，具有良好的推廣應用前景。尤其是針對于超大型斷面的暗挖地下3層車站，利用洞內逆作法施工，更能凸顯其優(yōu)勢。因此，對于軟質巖地區(qū)深埋大斷面隧道，推薦采用此工法施工。