拱蓋法施工技術在城市軌道交通大跨度車站的應用研究

石浩男 程波 賈立民

摘 要：為滿足城市軌道交通客流量日益增長的需求，特大斷面車站因其跨度大、占地少等優點得到廣泛應用。因此，在具有特殊巖土組合性質地層的城市，具有更安全、更高效等優點的施工工藝才是特大斷面車站的研究方向。文章對城市軌道交通大跨度車站上部拱蓋法施工進行論述，著重對開挖過程中的難點及控制重點進行分析，在開挖過程中使用現場監控量測數據指導施工，并對施工過程進行動態風險綜合分析。

關鍵詞：城市軌道交通;大跨度車站;拱蓋法;施工技術;應用研究

中圖分類號：U231+.3

隨著國民經濟的不斷發展和城市人口的快速增加，城市交通擁堵問題越來越凸顯，并成為束縛城市經濟迅速發展的首要問題。地鐵憑借其安全性能好、環境污染少、運載容量大、能耗較低等優點而受到工程師的青睞。明挖法、暗挖法和蓋挖法是國內外地鐵車站修建的3種主要方法。目前，位于城市繁華地段的車站越來越多，為弱化施工帶來的影響，在一些地質條件允許的地方，暗挖法施工因具有結構形式靈活多變、對地面建筑和地下管線影響不大、征地拆遷少等優點而成為主流。在區域性施工經驗和理論研究的基礎上，大連、重慶等具有巖土組合性質地層的城市，推出了適合于當地的施工工藝，并獲得了良好的效益。其中，拱蓋法更能合理地利用巖土組合的地層性質，達到增加基底承載面積、提高承載能力、高效施工、節約成本和縮短工期的效果。拱蓋法包括3種施工方法：疊合初支拱蓋法、二襯拱蓋法和初支拱蓋法。疊合初支拱蓋法和初支拱蓋法只是在結構形式上有些微差別，相同點是均采用了初支加強的方法以提高拱蓋承載力。

1 車站工程概況及施工工藝

1.1 工程概況

重慶市軌道交通某車站地質縱剖面從上至下依次為第四系素填土、強風化砂巖、中風化砂巖及砂質泥巖。車站基本位于中風化砂巖、砂質泥巖與砂巖互層中。地下水主要為第四系松散層孔隙水、裂隙水。圍巖級別為Ⅳ級，地質條件為典型的上軟下硬地層，適合拱蓋法施工條件。斷面開挖寬度為25.7～30.053 m，開挖高度為30.053 m，車站開挖斷面面積為675 m2。

1.2 施工工藝

1.2.1 施工總體思路

車站主體開挖按照拱蓋法施作。首先施工車站拱蓋部分，采用雙側壁導坑法進行，具體分為以下6步。

（1）車站上部左上導坑開挖支護。

（2）車站上部右上導坑開挖支護;其開挖形式、參數同左上導洞，左右上導洞掌子面開挖相互錯開10 m。

（3）車站上部左下、右下導坑開挖支護。

（4）中導坑開挖支護。

（5）分段（分段長度以滿足一模二襯澆筑為準）拆除斷面上部臨時支護，并加強施工監控量測。澆筑臺車行走軌道支撐C40混凝土臨時底板結構，并鋪設雙層8 mm @200 mm×200 mm鋼筋網。

（6）分段施作上部防水層，根據監控量測數據，適時施作上部拱蓋二襯結構。拱蓋二襯混凝土采用全液壓式定型臺車澆筑，按照6 m每模施工，采用有軌定型臺架進行防水層鋪設及鋼筋綁扎工作，二襯與上部中導坑核心土的距離須控制在安全間距范圍內。

通過車站施工通道接入車站主體負一層，進行拱蓋施工工序轉換，采用雙側壁導坑法分別往車站大里程和小里程方向開挖車站上部拱蓋，以及附屬結構出入口、風道開挖至變形縫位置。拱蓋側導洞開挖支護完成后，需分別在大小里程各拆除40 m核心土（避開風道和出入口范圍）作為拱蓋襯砌臺車組拼裝區。

拱蓋二襯施工完成后，再進入車站下部施工。

1.2.2 工藝流程

（1）車站施工流程如圖1所示。

（2）車站拱蓋上下部分層施工順序斷面如圖2所示。

車站拱蓋部分采用雙側壁導坑法進行開挖，開挖寬度為30.053 m，高度為12.115 m，面積為301.541 m2，要求采用短進尺（單步開挖進尺應根據圍巖級別及完整性確定）開挖，及時施作初支和二襯，并要求左右導洞掌子面應相互錯開10 m。待左右導洞開挖完成后，中間核心土根據施作二襯需要進行開挖，核心土與二襯工作面保持30 m間距。大拱腳位置開挖輪廓2.5 m范圍內為保證大拱腳處圍巖的完整性，采用機械開挖、人工配合方式施工，其他區域采用控制爆破，需嚴格控制爆破振速。導洞開挖完成后，及時進行初期支護及臨時支護，并加強施工過程中監控量測，記錄、統計、分析監控量測數據，根據監測數據及圍巖變化情況，及時調整施工工藝及初支參數。

2 拱蓋法開挖過程中的難點及風險控制

2.1 超大斷面隧道開挖

車站開挖斷面面積屬于超大隧道斷面。車站隧道施工采用拱蓋洞內逆作法，針對該工法，工程的重難點和風險控制描述如下。

（1）大跨度隧道拱部開挖。車站采用拱蓋法施工，為滿足設置大拱腳需要，車站斷面拱部的開挖寬度進一步增加，相應增加了工程風險。為控制工程風險，隧道拱部采用雙側壁導坑法施工，斷面按照前文所述的6步進行開挖。以新奧法基本原理為依據，初支采用格柵鋼架，掛鋼筋網片、噴混凝土柔性支護體系，及時施作，使斷面及早閉合，以充分利用圍巖的自承載能力，控制圍巖變形。

（2）拱腳位置圍巖穩定性。車站雖然采用拱蓋法施工，但其屬于深埋隧道，隧道拱部的圍巖非松散體具有良好的自穩能力，拱部施工以新奧法基本原理為依據，施工期間采用圍巖和支護聯合作用，以圍巖為主要的承載體，拱部承載的主要荷載為拱蓋自重和少數圍巖形變荷載。保證拱腳部位的圍巖穩定性是采用拱蓋法的重點和難點，主要技術措施有：①如前文所述加強支護，保證隧道側墻穩定性;②拱腳部位設置縱向托梁（二襯暗梁），不僅能夠優化拱腳部位結構防水，而且能夠起到變形協調和受力傳遞作用，使得局部的變形突變或受力集中能夠縱深傳遞，從而保證隧道整體穩定;③拱蓋大拱腳部位采用人工開挖。

（3）施工監控量測。通過建立一套信息化施工管理監控量測系統，隨時動態掌握圍巖支護結構在施工過程中的變化，隨偏隨糾，及時調整設計參數和施工工藝，保證施工過程安全無誤。

2.2 施工對周邊環境影響及控制措施

車站為深埋隧道，從隧道與周邊環境空間關系上判斷，在保證隧道洞室穩定的前提下，隧道施工對周邊環境影響小，主要的影響是爆破施工帶來的震動。因此，要求在施工中應嚴格控制爆破振速（不應大于2 cm/s），以便減小施工過程中對地表建筑物的影響，同時要求加強對建筑物的監控量測。

2.3 拱蓋法施工控制重點

（1）拱蓋法屬于一種特殊的地下暗挖法，其理論可完全參照地下工程淺埋暗挖法。在淺埋條件下，以控制地表沉降為重點、改造地質條件為前提、錨噴和格柵等作為初支修建地下工程。設計和施工來自“十八字”原則——管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測。

（2）對地下水采取降水、堵水、排水或其相結合等措施，保證施工時工作面干燥無水，前期遵循雙側壁導坑法的施工原理，做好超前加固措施，嚴格控制協調開挖與支護，為控制沉降，初支背后應及時補注漿。

（3）要加強對冠梁下側巖層在主體土石方分層開挖時的保護，當局部地質條件較差時，可采取鋼管樁等圍護結構及小導管注漿等地層超前加固等措施，確保冠梁下側巖體的完整性。在施工過程中，要加強爆破控制，采用小藥量、短進尺、水壓爆破等方式方法，最大限度地降低對掌子面圍巖和初支結構的影響。

（4）采取相應措施對前期預留防水卷材進行保護，做好全包防水卷材的預留工作和施工工序銜接，避免在對混凝土進行破除時防水卷材遭到破壞。

（5）加強施工過程中的監控量測，特別是洞內拱頂和地表沉降及側墻收斂情況。將檢測采集到的測量結果與數值模擬的預測數值相比較，以此研判通過預測數值確定的支護參數和施工工藝是否達到預期效果，并以此為依據調整和確定下一步支護參數和施工工藝，以確保周邊建筑物、構筑物及道路和管線安全。

3 施工監控量測

監控量測是新奧法施工的重要組成部分，也是地鐵鉆爆施工中非常重要的工作之一，還是掌握工程施工中圍巖動態變化過程的手段，通過對監控數據的回歸分析可以預測圍巖的最終位移等，進而有效地指導隧道設計與施工。

同時，監控量測是掌握工程施工對周邊環境影響程度的重要手段。通過對周邊環境布設監測點的檢測數據結果分析，在保證周邊環境安全的前提下，工程施工前采取相應的加固措施，可為確定和修正初支采用的參數以及二次襯砌混凝土的支護時間提供依據，還可為今后類似的隧道工程設計與施工提供類比資料和依據。通過監控量測可達到以下目的：

（1）將檢測采集到的測量結果與數值模擬的預測數值相比較，以此判斷通過預測數值確定的支護參數和施工工藝是否達到預期的效果，并以此為依據調整和確定下一步的支護參數和施工工藝，以確保施工安全;

（2）及時將現場監控量測得到的信息、數據反饋給設計單位，以便設計單位根據現場實際情況，調整、修改完善設計內容，使設計更加經濟合理、優質安全;

（3）用反分析法對監控量測的數據與數值模擬演算出的理論預測值進行分析計算，使設計更加符合現場實際情況，并為以后的工程建設積累寶貴經驗;

（4）通過圍巖的變形情況和應力值的變化曲線，驗證支護及襯砌是否達到設計的要求，減小地表沉降，以保證周邊支護結構穩定及地表建筑和周邊管線的安全;

（5）研究圍巖和支護結構系統在不同力學狀態下的動態情況，通過對監控量測數據及其變化曲線的分析，為判斷其是否處于基本穩定狀態提供理論依據，方便今后的日常施工管理。

4 結語

拱蓋法遵循地下暗挖技術理論，并且汲取柱洞法（PBA）的優點，結合蓋挖法、明挖法等理論要點，適用于部分上軟下硬的特殊施工環境和地質條件。該工法既有蓋挖法有效控制周圍土體變形和地表沉降，有利于保護周圍建筑物及構筑物等特點，又有不影響上敷交通通行等優點;同時在拱蓋成形以后，對下部開挖起到了“掩護”的作用，取得了良好的經濟收益和社會效益。

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收稿日期 2020-02-12

責任編輯黨選麗