一种新拱盖法——叠合初支拱盖法的特点与应用

王安东



一种新拱盖法
——叠合初支拱盖法的特点与应用

王安东

通过指出 2 种拱盖法（二衬拱盖法和初支拱盖法）的不足，提出了一种新的拱盖法——叠合初支拱盖法；然后详细阐述了叠合初支拱盖法的施工工序、关键施工技术和施工要点，最后通过比较 3 种拱盖法，明确了叠合初支拱盖法的优缺点。分析表明，叠合初支拱盖法采用的双层叠合初支整体受力体系，极大提高了拱盖的承载能力；其施工技术关键在于 2 层初支的良好叠合和大拱脚的加固与保护，以及下断面边墙部的爆破控制。叠合初支拱盖法在很大程度上提高了拱盖法对围岩条件的适应能力，施工更加安全，质量更有保障，使拱盖法可在大范围进行推广应用，但在施工进度和施工工艺上仍需进一步完善、提高。

隧道施工；二衬拱盖法；初支拱盖法；叠合初支拱盖法

0　引言

拱盖法是在明挖法、盖挖法和洞桩法（PBA）施工方法基础上创建的适用于围岩“上软下硬”条件的一种暗挖施工方法。其适用范围一般应用于围岩等级Ⅳ级以上、地质条件较好的市内主要干道和不允许采用盖挖法或明挖施工的地铁车站。拱盖法的核心是通过拱脚将拱盖上部荷载均匀地传递给周边围岩，从而充分利用岩石的承载能力。拱脚的稳定关系到整个拱盖结构的安全，决定拱脚稳定的前提条件是纵梁下围岩的强度及其承载能力满足设计要求。目前国内地铁工程中采用的拱盖法主要有二衬拱盖法和初支拱盖法 2 种，在大连、青岛、重庆等地铁建设中已经得到较为广泛的应用。

国内学者在二衬拱盖法和初支拱盖法的施工力学行为、施工关键技术及工艺等方面展开了较为深入的研究。如：详细介绍拱盖法的施工工艺及控制重点，通过结合实际工程，描述了“拱盖法”较其他施工工艺的优点[1]；结合某地铁站主体结构设计，探讨地铁隧道结构设计的主要计算与分析过程及其技术要点[2]；以青岛地铁2座车站为例，对矿山法大跨度隧道逆作拱盖法和顺作双侧壁导坑法进行分析[3]；对土岩复合地层拱盖法施工进行三维有限元数值模拟[4]；对青岛地铁采用拱盖法施工的隧道进行实测研究，通过监测分析，提出一系列控制对策[5]；针对“上软下硬”地层中大跨隧道拱盖法施工的地层沉降问题，通过数值计算，得到拱盖法不同施工工序下的沉降值，并对比分析地表沉降监测值[6]；根据大连地铁中山广场站的设计施工情况，阐述拱盖法的核心思想及其优缺点[7]；结合青岛地铁 3 号线一期工程暗挖车站建设，分析浅埋暗挖法在青岛地区土岩组合地层中应用存在的关键问题[8]；利用大尺寸模型试验，研究拱盖法隧道开挖过程中地表的发展模式和围岩受力情况[9]；以大连地铁 2 号线兴工街站隧道工程为背景，通过现场试验与数值模拟，分析双层支护的组合形式及支护的刚度对围岩压力及隧道上覆地层沉降的影响[10]。

虽然以上拱盖法研究取得了较为丰富的成果，但是我国岩质（或岩土组合）地区的地质情况差异较大，拱盖法在推广应用中，需结合不同城市的岩质特点，进一步发展、完善。由此，叠合初支拱盖法应运而生。本文在介绍二衬拱盖法和初支拱盖法的基础上，引入了叠合初支拱盖法，然后详细阐述其施工工序、要点及关键技术，并将 3 种拱盖法进行详细比较，以期丰富拱盖法的内涵和种类，拓展拱盖法的应用范围。

1　二衬拱盖法

二衬拱盖法又称为先拱后墙法，即先开挖拱部断面并及时浇筑顶拱，以支护顶部围岩，然后在顶拱保护下开挖下部断面和砌筑边墙。该施工方法处理拱、墙结合部位处施工缝渗漏水时难度较大，重庆轨道交通工程部分地下车站已应用。主要施工工序如下。

（1）施做超前支护，分步开挖上断面左右侧岩体，并架立格栅钢架及临时支撑。

（2）开挖上断面中部岩体，并架立格栅拱架及时施工临时支护。

（3）分段拆除临时支撑，施工拱部防水层及模筑二次衬砌，预埋边墙钢筋接驳器。

（4）采用控制爆破技术，按序开挖下半断面并及时施工初期支护。

（5）施工边墙防水层及模筑二次衬砌。

（6）施工车站内部结构及装修。

二衬拱盖法施工工序具体见图 1。

图1　二衬拱盖法施工工序图

2　初支拱盖法

初支拱盖法，又可以称为双层初支拱盖法，即先开挖上台阶两侧导洞与中导洞，然后施做拱部第 2 层初支，第 2 层初支充当临时二衬，以加大拱盖的整体强度。该施工方法具有拱盖强度偏低等缺点，在大连、厦门等地铁或市政工程已有一定应用。其主要施工工序如下。

（1）拱部侧导洞及冠梁施工。开挖拱部侧导洞 1、2并施做初期支护，在拱部导洞外侧打设砂浆锚杆与锁脚锚杆加固大拱脚处围岩，两导洞贯通后施做冠梁。

（2）拱部初支扣拱施工。开挖拱部中上导洞 3 并施做车站拱顶第 1 层初支扣拱，采用素混凝土回填拱部侧导洞 1、2 空余部分，然后施做拱部第 2 层初期支护。

（3）拱部中下导洞及车站下部中槽开挖。开挖拱部中下导洞后，拆除临时支撑，在车站下部中央逐层放槽开挖。

（4）车站下部两侧土方开挖及边墙支护施工。分层开挖车站下部两侧土方，边开挖边施作侧墙支护结构，以加强冠梁下岩层的稳定性。

（5）车站主体二衬施工。施做车站底板二衬混凝土及部分边墙混凝土，然后施做主体侧墙二衬混凝土及内部结构，最后分段施做拱顶二衬混凝土结构，完成车站主体施工。

（6）施工车站内部结构及装修。

叠合初支拱盖法施工工序具体见图 2。

3　叠合初支拱盖法

3.1产生背景

在拱盖法的实践运用时，也暴露了该方法施工与设计的部分不足之处。二衬拱盖法一般应用在拱部围岩条件较好、拱脚强度较高、地下水贫瘠的地铁车站。在实际工程中，利用二次衬砌的拱盖作为下部开挖的主要掩护体，下部开挖的爆破震动对大拱脚以及拱盖本身都有较大的影响，常常引起二衬拱盖的开裂、位移，甚至拱脚不稳定而导致的掉拱；与此同时，车站二次结构难以采用模板台车一次成型，车站全包防水层分部施做，施工质量和防水质量都大打折扣，容易引起远期结构的渗漏和开裂。因此，二衬拱盖法在使用过程中应充分考虑上覆围岩和地下水对永久二衬拱盖的影响，确保二衬的完好以及拱脚的稳定。

图2　初支拱盖法施工工序图

与此同时，初支拱盖法已在复杂地质或地面沉降控制要求较高的工程中得到了较多的运用。该施工方法一般是采用了双层初支甚至 3 层初支拱架结构的形式，以达到加强拱部强度或刚度的效果，能有效地控制拱部上方土体的沉降和变形。在 Ⅳ 级围岩条件及其以上的地质条件下的深埋大断面暗挖隧道运用初支拱盖法可以简化开挖布序，完成初支拱盖后即可按台阶法进行下部结构施工。初支拱盖法通过临时结构代替了二衬拱盖，大大方便了地下车站的开挖和施工进度，较好地保证了二衬和防水施工质量。但是在拱部围岩较薄或上软下硬的地质条件下，大断面暗挖车站往往判别为浅埋或超浅埋隧道，上部荷载较大，仅靠增加设置拱部初支结构还难以达到结构模拟计算的需求，尤其是对加强初支和拱脚的强度要求极高。

近年在重庆、大连、厦门、青岛等城市地铁建设工程中，在难以采用明挖法施工的地下车站，常常遇到拱部围岩较薄或上软下硬的情形，传统的二衬拱盖法和初支拱盖法都难以完全适应其施工安全和进度要求。通过相关设计和施工单位的研究，诞生了一种新的拱盖法——叠合初支拱盖法。该施工方法在拱部设置了双层叠合初支支护拱盖，在初支拱盖的掩护下施做隧洞下部；隧洞下部为中、微风化岩石，可以采用类似于明挖岩石基坑的方法开挖支护即可，即分层爆破开挖，侧壁及时喷锚支护或锚杆（索）挡墙支护直至开挖完毕；隧洞二衬衬砌自下而上顺筑施工，可确保防水和主体结构施工质量。其核心优势在于第 2 层叠合加强初支的设置，它通常以模筑混凝土形式与第 1 层初支结构进行叠合承载，大大提高了拱盖的安全度，克服了传统二衬拱盖法和初支拱盖法的诸多弊病，其适应性涵盖了既有拱盖法，尤其是在上软下硬的地质条件下的浅埋暗挖车站的工程中，优势明显。

3.2施工工序

叠合初支拱盖法主要施工工序如下。

（1）拱部分左、右两部分施工，中间设置临时隔墙，施做拱部第1层初期支护。

（2）拱部开挖完成后，短循环施做第 2 层加强初期支护，2 层初支间采用钢筋连接，加强初期支护采用大拱脚形式。

（3）待拱盖形成后逐步拆除中隔壁，在双层叠合初支拱盖的保护下，使用拉槽台阶法开下部中央土体。

（4）分层开挖车站下部两侧土方，边开挖边施作侧墙支护结构。

（5）自下而上顺筑车站二衬结构。

（6）施工车站内部结构及装修。

叠合初支拱盖法施工工序具体见图 3。

3.3关键施工技术

3.3.1叠合初支施工

第 1 层初支应严格按照“新奥法”理论，采取“管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤测量”的施工方法，每导坑循环开挖进尺不大于 2 榀拱架。为保证超前小导管打设角度，采用在拱架上按设计间距割孔的方式，小导管从拱架割孔的位置安装，尾部与拱架焊接牢固。

若车站主体围岩完整性较好，自稳能力强，为保证施工机械操作空间，左、右导坑 1、2 部可合并采用全断面的开挖方法，3、5 部采用微台阶开挖，6、7 部待拆除临时竖撑后再进行开挖。但是，开挖时应严格按照爆破设计的周边眼间距、打设角度和装药量，控制开挖成型质量，尽量减少对周边围岩的扰动，支护完成及时封闭。

图3　叠合初支拱盖法施工工序图

第 2 层初支（加强初支）应按照“纵梁浇筑→拱盖左部混凝土浇筑→拱盖右部混凝土浇筑→拱盖中部混凝土浇筑”的顺序施工。纵梁钢筋绑扎后在顶部预埋连接钢板，由于拱盖左、右部拱架施工时，中部未开挖完成，故在主体竖向支撑上设置临时工字钢横梁，防止拱架移位和变形，待中部施工完成并封闭成环后予以拆除，为防止爆模，拱盖左、右部均分成 2 次进行浇筑。

车站主体 5 部作为开挖 3 部和喷射拱盖IV部混凝土的操作平台，必须在拱部结构施工完成后开挖，施工时先拆除半边竖撑，开挖完5部土体后再拆除另一侧竖撑。

为保证 2 层初支连成整体，在第 1 层初支内预埋连接钢筋，并与其拱架焊接，锚入初支内长度不小于30 cm，预留长度不小于 35 cm。待第 2 层初支浇筑完成后，2 层初支将形成整体受力结构，降低掉拱风险，保证下断面施工安全。初期支护与叠合拱盖连接见图 4，图中 a 为叠合拱盖厚度。

图4　叠合初支施工示意图（单位：mm）

3.3.2大拱脚施工

车站主体拱盖拱脚落在大尺寸的钢筋混凝土纵梁之上，故保证大拱脚下围岩稳定是拱盖法成功与否的关键。为保证纵梁下地基有足够的承载能力，采用锚管和中空锚杆对大拱脚下围岩进行注浆加固，加固后的围岩需达到中风化岩层强度。大拱脚加强施工示意图见图 5。

图5　大拱脚施工示意图

3.3.3边墙部爆破施工

边墙部落底施工时，6、7 部的开挖成型对拱盖的稳定起至关重要的作用，所以，必须通过控制爆破震动来减少超挖和对拱脚围岩的破坏。施工时采用分台阶微差减震控制爆破，纵梁下边墙 2.5 m 范围内采用松动爆破。为减小一次爆破影响范围，以设计质点震动波速度为 1.5 cm/s 作为控制标准，计算各部分所需的单段用药量，并进行试爆，取得合理的爆破参数。同时采取分步爆破，即先开挖 6 部中槽以创造多临空面条件，每部分多段起爆，控制爆破规模和循环进尺，以达到控制质点震动速度的目的，并且在临近边墙周边眼间距均设密排减震空眼，减少爆破对围岩和结构的影响。边墙部爆破施工示意图见图 6。

图6　边墙部爆破施工示意图

3.4施工要点

作为一种新的施工方法，叠合初支拱盖法的施工要点除了与原有拱盖法类似的地方，也有自身特殊的要求，具体如下。

（1）叠合初支拱盖法对拱脚差异沉降及延车站纵向拱脚变形极为敏感，施工中必须严格控制；下部台阶法开挖的时候应根据围岩情况选择合理可靠的边墙支护系统，避免对拱脚造成差异沉降。

（2）严格按照“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的 18 字方针施工，第 2 层加强初支未达到设计强度前不得进行下部开挖。

（3）由于叠合初支拱盖法为较新施工工艺，对施工单位的水平要求较高。

（4）施工时应加强监测，尤其是对拱盖结构的监控量测，并根据监控量测数据及时调整支护措施。

（5）加强初支施工是该方法施工重难点，难以采用模板台车整体浇筑，一般采用支架模筑，因此，拱盖施工还需进一步研究方便高效的施工方式。

4　3种拱盖法比较

针对以上 3 种拱盖法，从施工方法的特点、适用范围、工程进度、造价等方面进行比较，见表 1。

由表 1 可知，与常见的二衬拱盖法和初支拱盖法相比，叠合初支拱盖法更能适应较差的围岩条件，达到更好的主体结构及防水施工质量，拱盖受后续施工影响更小，不足之处在于其多 1 道加强初支，也引起施工进度相比起来稍慢，施工工艺还不够成熟。

5　结论

通过对叠合初支拱盖法施工工序、关键施工技术和施工要点的阐述，以及 3 种拱盖法的比较，得到以下结论。

（1）叠合初支拱盖法采用模筑钢筋混凝土作为第2 层初支（加强初支），并利用锚固钢筋与第 1 层初支进行叠合，形成整体受力体系，从而大大提高了拱盖的承载能力，这是在初支拱盖法基础上的一大进步。

（2）叠合初支拱盖法的施工关键在于 2 层初支的良好叠合和大拱脚的加固与保护，而下断面边墙部的爆破控制也应当引起足够重视。

（3）叠合初支拱盖法在很大程度上提高了拱盖法对围岩条件的适应能力，施工更加安全，质量更有保障，使拱盖法可在大范围进行推广应用。

作为一种新的施工方法，叠合初支拱盖法在施工进度和施工工艺上仍需进一步完善、提高。

表1　3种拱盖法比较

[1] 贾贵宝. 拱盖法在地铁车站施工中的应用[J]. 合作经济与科技，2011（12）：126-127.

[2] 刘道亮. 地铁站主体结构设计及其技术要点[J]. 科技传播，2011（24）：28-29.

[3] 华福才，雷刚，郑广亮. 硬岩地区大跨度矿山法地铁隧道的沉降分析研究[J].现代隧道技术，2012，49（增刊）：68-74.

[4] 吴学锋. 土岩复合地层拱盖法施工三维有限元数值模拟[J]. 城市轨道交通研究，2012（8）：135-138.

[5] 张光权，杜子建，宋锦泉，等. 地铁车站拱盖法施工沉降监测分析及控制对策[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31（增1）：3413-3420.

[6] 杜子建. 大跨隧道拱盖法施工地层沉降分析[J]. 铁道标准设计，2014，58（3）：110-113，118.

[7] 吕波. 暗挖地铁车站拱盖法关键施工技术[J]. 现代隧道技术，2014，51（3）：181-187.

[8] 迟建平. 浅埋暗挖法在青岛地铁车站施工中的应用[J]. 城市轨道交通研究，2014（2）：129-133.

[9] 杨忠年，纪召启，刘泉维. 拱盖法隧道围岩稳定性模型试验研究[J]. 现代隧道技术，2014，51（5）：85-91.

[10] 宋超业，涂洪亮，乔春生. 大连地铁2号线兴工街站浅埋大跨隧道双层初期支护组合形式及合理参数分析[J]. 隧道建设，2015，35（6）：491-499.

Characteristics and Application of Laminated Primary Support Arch-Cover Method

Wang Andong

By pointing out shortcomings of 2 archcover methods (secondary lining arch cover method and primary support arch cover method), the paper puts forward a new method —— laminated primary support arch cover method. It also discusses the laminated primary support arch cover method including the construction process, key construction technology and key points of construction. Finally, through the comparison of 3 arch cover methods, it clearly defines advantages and disadvantages of the laminated primary support arch cover method. Analysis shows that double layered primary overall support force system greatly improves the bearing capacity of the arch cover. The key construction techniques in the double layered primary support have a good overlap and the protection and reinforcement of large arch foot, and also good blasting control of the lower section side wall. However it still needs to have a further improvement in the construction progress and process.

tunnel construction, secondary lining arch cover method, primary support arch cover method, secondary primary support arch cover method

U455

王安东：中铁二院工程集团有限责任公司，工程师，四川成都 610031

2015-11-16责任编辑 冒一平