大型地铁车站拱盖法施工方案比选研究

鲁 彬, 曹兴隆

(中铁开发投资有限公司, 重庆 404100)

在地铁车长施工中，常常遇到“上软下硬”的地层条件，为应对这种情况，一种通过大拱脚下冠梁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的开挖工法逐渐得到应用，即拱盖法。随着拱盖法在地铁车站施工中的不断运用，其施工技术及理论也在不断发展。目前,如何在保证安全、质量的前提下，降低施工难度，加快施工进度，使其具有更高的经济性和实用性成为亟待解决的问题。本文通过数值模拟和工程实践对这一问题进行了研究。

贾贵宝[1]通过研究认为，拱盖法施工能适应大面积开挖，同时具有作业效率高，围岩扰动小的优点。吴学峰[2]通过数值模拟得出拱盖法能保证结构的稳定性和围岩的安全，其施工关键步序为上部中动开挖。李磊[3]采用有限元分析方法分析了拱盖法开挖的应力场和位移场，结果满足规范要求。毕福才[4]以青岛地铁为研究对象，研究了出沉降的主要原因并针对“上软下硬”地区施工提出了有力的解决措施。杜子健[5]针对“上软下硬”地层中拱盖法施工，建立二维分步开挖模型，以沉降值为控制标准，推断控制重要环节为中导洞开挖、拆撑和拱盖施做。

综上可知，上述关于拱盖法的研究主要集中于其特点和施工工艺的介绍和拱盖法安全性的数值模拟，并未进行拱盖法施工步序的优化分析。因此，本文采用FLAC3D软件对四种方案进行模拟分析，得到最优的施工步序方案，从而为相应工程提供借鉴。

1 工程概况

某地铁车站为单拱双层地下暗挖车站。车站埋深16.5～18.4 m，从上至下地层依次为第四系填土、强风化砂岩、中风化砂岩及泥岩。车站底板基本位于中风化砂岩及泥岩中，拱脚处为中风化砂岩、泥岩互层，最小覆岩厚度6.8 m。隧道围岩分级为Ⅳ级，采用双层叠合初支拱盖法施工，标准断面图及衬砌断面支护参数如图1 和表1所示。

2 开挖模拟分析

2.1 数值模拟假定

基于地层—结构模型，采用FLAC3D数值计算软件，对层状岩超大断面暗挖车站的开挖方法进行模拟。计算时主要基于以下假设：

图1 某地铁车站标准断面

表1 衬砌断面支护参数

(1)围岩的变形是各向同性的。

(2)由于隧道属浅埋状态，在计算时，岩体的初始应力仅考虑自重应力，而不考虑构造应力。

(3)通过提高围岩的力学参数来考虑围岩注浆加固的效果，加固范围依据锚杆长度和注浆范围综合考虑，而参数的提高值则依据设计锚杆用量和注浆效果以及力学参数进行分析考虑。

(4)分析隧道开挖的影响时，隧道支护只施作初期支护，二衬只作安全储备考虑，故模型中不考虑二衬受力。

本次计算选用“理想弹塑性”本构模型，以摩尔-库仑准则为屈服准则，并采用关联流动法则。

2.2 四种方案模拟

2.2.1 方案一

采用双层叠合初支拱盖法施工，步序：

(1)开挖左右上导洞1、2部土体，施做初期支护。

(2)开挖左右导洞3、4部土体，施做初期支护，大拱脚部位打设注浆管注浆，浇筑拱盖拱脚纵梁，浇筑拱盖模筑混凝土。

(3)开挖上部中导洞5部土体，施做初期支护(锚杆、钢架、喷混凝土、临时竖撑)。

(4)施做拱部中央部位加强拱盖，而后开挖中部中导洞6部土体，拆除临时竖撑。

(5)开挖下半部分中部土体7，面层喷混凝土。

(6)开挖下半部分左右两侧8、9部土体，施做侧墙部分初支。

(7)开挖下半部分左右两侧10、11部土体，施做侧墙部分初支。

(8)开挖下半部分中部土体12，施做仰拱部分初支。

(9)开挖下半部分左右两侧13、14部土体，施做侧墙部分初支。

(10)开挖下半部分左右两侧15、16部土体，施做侧墙部分初支，初支完全封闭。如图2所示。

2.2.2 方案二

该方案主要改变拱部施工步序，将原设计先两侧后中间改为先中间后两边。如图3所示。

图2 方案一施工步序示意

图3 方案二施工步序示意

2.2.3 方案三

该方案将拱部原分六部开挖改为拱部三部开挖。如图4所示。

2.2.4 方案四

在方案四的基础上，在下部土体施工中预留5 m施工出渣通道，同时将下部分三层开挖。如图5所示。

2.2.5 建立模型

采用三维有限差分法进行计算分析，单元类型选用八节点实体单元，模型的边界条件依据以往的隧道力学资料：水平方向取约3～5倍洞径，垂直方向取约2～3倍洞径。在考虑隧道开挖的影响范围及尽量减少“边界效应”的前提下，本

图4 方案三施工步序示意

图5 方案四施工步序示意

次模型147 m×78 m×1 m。其四周施加水平约束，底部施加竖直约束。计算模型如图6。

图6 双层叠合初支拱盖法计算模型示意(单位：m)

依据地勘和设计资料，并通过支护结构弹性模量的等效处理及锚杆加固区围岩力学参数的简化提高。其围岩和支护结构各物理力学参数如表2所示。

表2 岩土体物理力学及衬砌计算参数表

3 结果与分析

3.1 位移结果

四种方案位移曲线示意图见图7，方案一竖向最大位移位于拱顶部位，拱顶向下沉降7.75 mm，地表最大沉降5.18 m。其水平位移最大值位于大拱脚位置，位移趋势呈洞周向外扩张，最大扩张数值为4.01 mm。方案二在竖向位移方 面，与方案一变化形态类似，但各项位移值均大于方案一。最大竖向位移出现在拱顶，其沉降值为9.32 mm，地表沉降为5.18 mm。水平扩张值为4.32 mm。方案三拱顶沉降值与方案二相同，为9.32 mm，地表沉降稍大于方案二，值为6.27 mm，水平扩张4.24 mm。方案四拱顶沉降9.07 mm，地表沉降5.87 mm，水平扩张3.03 mm。

3.2 内力结果及分析

通过提取内力监测断面初支数据，监测断面示意图见图8。四种方案条件下内力及相应截面安全系数如表3所示；可以看到，方案二条件下各项内力指标均优于其他方案。轴力、弯矩小于其他值，安全系数为四种方案最高。这是由于先开挖拱部中导洞，应力释放较充分，衬砌的内力值较小，从而衬砌的安全系数较高。但其变形值较难控制，拱顶及地表沉降均为四种方案条件下最大值，易造成围岩失稳等施工事故的发生。其余三种方案内力指标接近，原设计安全系数最小，其次为方案四和方案三。

图7 四种方案位移曲线

图8 内力提取监测断面示意

表3 四种方案条件下内力计算结果

3.3 各方案综合分析

从上述结果可以看出，四种方案均安全可行，具体而言：

(1)方案一引起拱顶及地表沉降最小，安全系数也满足最小控制标准，在四种工况中最安全，但其施工工作面狭窄，各项施工步序较其他工况复杂，开挖面较多，不利于大规模机械施工，影响施工的进度及施工的经济性。

(2)方案二先开挖拱部中导洞，虽各项内力指标小，安全系数高，但其沉降指标不易控制，沉降值较大，位移指标不易控制，且施工步序多，施工空间小。因此，在实际施工因避免采取此种施工步序。

(3)方案三内力指标较小于方案二，安全系数高。施工空间较大且能较好满足施工进度，其各项位移指标也均在控制值之内，符合安全稳定的施工要求，但对比于方案四在下部开挖的区别，直接拉槽开挖，不便于出渣运输及后续施工的开展。

(4)方案四各项指标均处于四种方案的中间值，且洞周水平位移值最小。不易造成拱脚失稳的产生，同时，拥有方案三的各项优点，施工空间大，施工经济性好，而且在出渣过程中，由于左右侧之间预留一条5 m宽的出渣通道，施工便捷性大大提高，下断面分三层开挖减少对拱盖支撑土体的扰动同时减小了爆破对纵梁的破坏。

因此，在层状岩超大断面暗挖车站双层叠合初支拱盖法施工中建议优先考虑方案四。当围岩条件较差时，为了便于控制拱顶及地表沉降，可采用方案一，从而保证隧道的安全稳定。

4 结论

本文采用数值模拟的研究方法，分析了四种方案条件下的位移和内力数据，得到以下结论：

(1)四种方案均安全可行。

(2)从拱顶沉降、地表沉降、水平位移及安全系数等方面对四种方案进行了对比分析。综合考虑，在满足质量和安全的前提下，方案四洞周水平位移值最小，不易造成拱脚失稳的产生，施工空间大，经济性好，扰动小且预留5 m宽出渣通道，能够有效缩短施工工期，减少施工成本。因此，方案四为最优方案。