拱蓋法在暗挖地鐵車站中的應用

馬占起

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 250022)

1 概述

《地鐵設計規范》(GB50157—2013)中規定:地下結構的施工方法應結合場地的工程地質、水文地質、環境條件、埋深、安全、交通條件、投資和工期等因素，進行技術經濟比較后確定[1]；《地下工程淺埋暗挖技術通論》認為:淺埋地下工程施工方法主要有明挖法(蓋挖法)和暗挖法兩大類[2]；《中國隧道及地下工程修建技術》論及:淺埋隧道開挖方法的選擇，應以地質條件為主要依據，結合工期、隧道長度、斷面大小、施工單位的機械設備能力和施工技術水平等因素綜合考慮[3]。

地鐵車站常用施工工法主要有:明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法等。祝勇通過FLAC3D分析方式對中洞法和側洞法施工引起的地表沉降進行了對比[4]，對中洞法和側洞法引起的沉降做了量化分析，其結論為這兩種工法都無法滿足城市中心區域的沉降要求；彭杰文對蓋挖法在淺埋地鐵車站的應用進行了論述[5]，認為蓋挖法雖然有其獨特優勢，但仍無法滿足城市主干道的沉降控制要求；劉石磊、張紹民對PBA法施工步序和關鍵技術進行了詳細的論述[6-7]，認為雖然PBA工法大大改善了沉降問題，但仍存在對特殊地層的適應性問題，并且無法解決拱頂防水問題；符剛等對淺埋暗挖地鐵車站的主要施工細節進行了研究與論述[8-11]，認為大面積大管棚施工、帷幕注漿會導致工期緩慢和造價過高等問題；楊會軍對淺埋暗挖大跨地鐵車站的監測數據進行了統計[12]，分析結果表明，PBA工法的工序轉換復雜，對地表沉降影響也較大；呂波等介紹了大連地鐵拱蓋法的應用[13-15]，但未對拱蓋法的沉降進行進一步論述，而沉降值無疑是工法選擇的一個重要指標；王莉莉等以青島地鐵中拱蓋法的應用為例，對拱蓋法進行了工法、步序等方面的研究和分析[16-19]。

基于先行者的理論與經驗，結合現場設計施工實際，對拱蓋法的施工工藝、關鍵施工技術等進行深入分析研究，并對其現有的不足之處提出改進建議，以供類似工程探討和研究。

2 工程概況及工法選擇

2.1 工程概況

大連地鐵2號線主要位于城市中心區，沿城市主干道布設，地面建筑物密集，周邊管線眾多。地下水主要賦存于基巖風化裂隙中，水量較豐富。地層由上至下依次為第四系人工堆積層(素填土)、第四系上更新統坡洪積層(粉質黏土)、震旦系長嶺子組板巖(全風化、強風化、中風化板巖)、中生代燕山期輝綠巖(中風化、微風化輝綠巖)，上部素填土和粉質黏土承載力差，全風化板巖和強風化板巖節理裂隙極發育，透水性強，遇水易軟化崩解，不能作為結構持力層；下部中風化板巖、中風化輝綠巖和微風化輝綠巖巖體局部較完整，地基承載力為1 000～1 500 kPa，屬于典型的“上軟下硬”地層。因此，選擇一種合適的施工方法，對于保證結構安全、減小沉降變形、縮短施工工期、降低工程造價具有十分重要的意義。

2.2 工法選擇

淺埋暗挖常用的雙側壁導坑法、PBA法、中洞法等，在國內各地有很多成功案例，不同工法有不同的使用范圍和適用條件。如側洞法適用于單層多跨的大斷面車站，中洞法適用于地質條件較好、跨度較小的單柱車站，PBA法一般適用于軟巖或土質地層。結合大連地區地層“上軟下硬”、地下水豐富等特征，將工藝成熟的明挖法、蓋挖法、PBA法結合并改進，最終形成了“拱蓋法”。相較于其它暗挖工法，拱蓋法的優點是更安全、高效(見表1)。

表1 暗挖工法比較

3 拱蓋法的應用

3.1 拱蓋法基本原理

拱蓋法是在明挖法、蓋挖法、PBA法基礎上，衍生創建的暗挖施工方法，主要適用于上軟下硬地層，其核心原理是充分利用下覆圍巖自身的承載能力和穩定性，在不爆破或弱爆破的條件下，采用PBA法的邊導洞形式進行初支扣拱，同時以大拱腳取代PBA法中的邊樁，將拱部初支和拱部二襯結構支撐于兩側穩定基巖的大冠梁上，形成大拱蓋結構，在大拱蓋結構的保護下分部下挖，并逆作或順作施工永久結構。

為使拱蓋上部荷載均勻傳遞給下伏基巖，保證大拱蓋結構的整體穩定性，在大拱腳下設置通長縱向冠梁；為保證下部高邊墻的穩定性和扣拱后大面積下挖作業的安全，邊墻初支采取預應力錨索+錨噴支護的方式；為保護已施工結構和控制地表沉降，采用弱爆、減震爆破或預裂爆破開挖，如有條件，可采用非爆破方式開挖，以減少擾動。拱蓋法結構斷面見圖1。

圖1 拱蓋法結構斷面(單位：mm)

3.2 拱蓋法施工工序

根據車站上部地層情況，分為逆作工序和順作工序，兩者在結構構造上最突出的區別就是有無二襯頂板兩側的大拱腳，施工工序也不相同。下面以工程實例對拱蓋法的逆作工序和順作工序進行介紹。

(1)逆作工序

在上部各導洞貫通后，施作兩側大冠梁，而后先扣初支拱蓋，再扣二襯拱蓋，在大拱蓋的保護下，大面積分部下挖土石方至底板下，最后澆筑底板、側墻和中板等永久結構。以大連地鐵一二九街站為例，逆作施工步序見圖2。

(2)順作工序

在上部各導洞貫通后，施作兩側大冠梁，而后先扣初支拱蓋，在初支拱蓋的保護下，大面積分部下挖土石方至底板下，最后澆筑底板、側墻、中板、頂板。以大連地鐵興工街站為例，順作施工步序見圖3。

(3)逆作工序與順作工序比較

逆作法和順作法在安全、質量、進度等方面各有優劣:逆作法相對安全可靠，但逆向水平接縫處施工質量難以保證，較易導致結構自防水問題；順作法依靠拱部初支承受上部荷載，風險較大，通長打設管棚會拖慢工期，提高造價，但后期二襯結構完整性較好，自防水效果好。綜上所述，作為一種新型暗挖工法，安全問題無疑是首要考慮的選項，故而逆作法是最優選擇。

3.3 地面沉降

地下結構設計應嚴格控制地面沉降量，應預測評估可能引起的臨近建、構筑物以及管線的沉降，依據相關規范、規程的要求或通過模擬計算確定其允許沉降量和次生應力，給出安全可靠、合理有效的技術措施。地鐵站的開挖打破了原巖的受力平衡，使原巖初始應力場發生變化，引起應力重分布。拱蓋法施工包含多道施工工序，每道工序都會對地層產生擾動并造成沉降，對拱蓋法的數值模擬分析和現場監測數據分析表明，其沉降情況有如下規律:

(1)依據修正Mohr-Coulomb準則建立3D模型(模擬區域:縱向173 m，橫向97 m，豎直向85 m)，各地層參數見表2，依據施工步序(逆作法)進行模擬，經運算得到模型的位移云圖(見圖4)。

圖2 逆作法施工步序

表2 地層參數

圖3 順作法施工步序

對比各道工序的沉降位移云圖，對沉降影響最大的工序為拱部中導洞的開挖和拱部臨時豎撐的拆除兩個步序；工作面超前變形范圍為2.5倍洞徑，拱蓋斷面開挖橫向影響范圍約為1.5倍洞徑。

(2)使用水準儀對地表沉降進行監測。通過對監測數據的分析(見圖5)，得到的沉降規律與數值模擬分析結果大致相同，但略大于數值模擬分析得出的沉降量。地表沉降大致分為初期沉降、快速沉降、沉降收斂三個階段，其中中導洞開挖和臨時豎撐拆除造成的二次擾動對地面沉降影響最大，為快速沉降階段。

(3)通過對監測數據的分析，發現地表沉降縱、橫向變化的規律服從常規暗挖車站的沉降變化規律，即沉降主要影響范圍為工作面位置的1.5倍洞徑范圍，最大沉降值位于導洞正上方。

4 拱蓋法重難點控制及細部優化

4.1 大拱腳施工

充分利用巖石自身的承載能力是拱蓋法的核心思想。拱部初支和拱部二襯形成大拱蓋結構支撐在兩側基巖上，通過大拱腳下的大冠梁將拱蓋上方荷載均勻傳遞給兩側圍巖，故而大拱腳(見圖6)的穩定性決定了整個結構的安全，所以要求冠梁下圍巖的強度和承載力必須滿足設計要求。根據詳勘報告和結構數值模擬分析，確定采用2.8 m寬、1 m+0.8 m高的梯形冠梁。為保證冠梁下地基的承載能力，需對冠梁的主受力方向進行加固，加固措施為:側向水平打設3排長3.7 m、直徑42 mm、壁厚3.25 mm、間距1 m的注漿錨管(尾部錨入冠梁0.7 m)，梅花形布置；按傾角為30°打設1排長3 m、直徑42 mm、壁厚3.25 mm、間距1 m的鎖腳錨管；注漿漿液采用1∶1水泥漿，注漿終壓為0.3～0.5 MPa，注漿終凝后取芯實驗，以確定注漿效果是否滿足設計要求。

圖4 斷面施工沉降云圖

圖5 地表監測沉降曲線

圖6 拱蓋法大拱腳

4.2 初支及二襯扣拱施工

初支及扣拱施工主要分為兩步，首先施工左右導洞內的拱部初期支護并在初期支護背后回填混凝土，而后施工兩導洞之間的拱頂初支以及豎向臨時初支。初支扣拱施工時，必須保證四段鋼格柵和冠梁上預埋鋼板在同一里程平面上，以確保各段格柵能準確連接受力(考慮到施工誤差，冠梁上的預埋鋼板宜通長布置，不宜分塊)。左右導洞內拱部格柵背后回填混凝土應分段一次性澆筑，并預留注漿鋼管，在回填結束后注漿填實，以免出現空洞。

在初支及扣拱施工完成后，從車站中間向兩端分段拆除兩側小導洞部分初支和臨時豎向初支，鋪設防水層并跟進施工二襯大拱。每次拆除格柵長度不大于一個柱跨(兩側同時進行)；襯砌模板采用6 m自行式液壓模板臺車，澆筑時應振搗密實，養護規范，確保混凝土質量。

4.3 爆破施工

地鐵站一般地處繁華市區，埋深較淺，周邊建、構筑物密集，管線密布，暗挖斷面較大且多處于中風化板巖中，需要多次爆破開挖，給圍巖、初支等結構造成多次擾動甚至破壞。故此要控制爆破震動以及影響范圍，降低爆破導致的超、欠挖，保證大拱腳下高邊墻的穩定和已施工結構的安全。為控制爆破震動，可采用微差減震控制爆破，兩側大冠梁下側墻2 m范圍內采用預裂爆破，用公式(1)計算各部分所需的炸藥量，并進行現場試驗，取得較貼合實際的爆破參數(v取2 cm/s作為控制標準)。

式中 Qm——炸藥量/kg；

R——爆源與保護對象之間的距離/m；

v——保護對象所在地質點振動安全允許速度/(cm/s)；

K、a——與地形、地質條件有關的系數和衰減指數，可按《爆破安全規程》(GB6722—2014)中表(3)選取，也可通過現場試驗確定。

4.4 防水施工

地鐵車站主體結構防水等級為一級，結構不允許滲水，表面無濕漬。因此，施工縫、變形縫、預埋件等接縫防水以及二襯混凝土自防水應嚴格按照設計要求施工，并在防水薄弱點采取加強措施，如二襯大拱腳處，應將混凝土銳角做成圓弧過渡，并加鋼板防護。

4.5 高邊墻支護

在大拱蓋扣拱完成后，進行下部圍巖的大面積開挖，使得大冠梁下方形成一個深約9 m的臨空面。為保證大冠梁下方高邊墻的穩定，給大拱蓋結構提供安全可靠的支撐基礎，采取了下列措施:

(1)在距離高邊墻2 m范圍內采用預裂爆破或非爆破方法開挖，以減少對大冠梁下方基巖的擾動，保證其完整性。

(2)側墻采用鋼格柵+網噴混凝土+砂漿錨桿初支體系。

(3)在巖層順層側設置3道預應力錨索，縱向間距1.5 m，以避免巖層順坡滑移破裂。

(4)及時施作閉合二襯結構，減少高邊墻外露受力時間。

4.6 地面沉降控制

拱蓋法施工涉及到多步序、多環節的銜接與轉換，工序較為復雜，可通過以下幾方面對沉降加以控制:

(1)建立拱蓋法分步開挖模型，對拱蓋法施工全過程進行分析，找出重要工序并制定合理的工序排布與施工工藝。

(2)應加強監控量測，對地面變形和洞內拱頂沉降及側墻收斂進行監測，并將監測數據與前期預測值作對比，分析判斷上步施工工藝和施工參數與預期要求的差異，適時調整施工參數和施工工藝，確保工程安全。

(3)應準確控制主體各導洞的施工進度，控制好左右導洞工作面的間距(一般為2～3倍洞徑)，減少相互擾動，使工序銜接緊湊。開挖時應盡量縮短循環進尺，結構盡早封閉成環，可有效減少地面沉降。

(4)影響沉降最主要的工序為開挖拱部中導洞和拱部臨時豎撐的拆除，所以在拱部上方應力較大或圍巖完整性較差時，可采用雙層疊合初支的形式。實踐證明，這種方式對減少沉降有良好的效果。

5 結束語

拱蓋法是在明挖法、蓋挖法、PBA法基礎上改良形成的一種新型暗挖工法，其遵循地下工程淺埋暗挖技術理論，可適應某些城市地區上軟下硬的特殊地質條件及施工環境，解決了傳統地鐵施工在此條件下的施工安全和變形控制難題。導洞少使得工序相對簡單，擾動次數少，單跨結構防水質量好，主體結構大面積下挖施工效率高，土建工期可縮短至13個月，工程造價相對較低。