大跨地铁车站穿越断裂带段拱盖法施工变形控制分析

赵晨阳，彭立敏，帅建兵，施成华，雷明锋, 3

大跨地铁车站穿越断裂带段拱盖法施工变形控制分析

赵晨阳1，彭立敏1，帅建兵2，施成华1，雷明锋1, 3

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 中铁十二局集团 第二工程有限公司，山西 太原 030032；3. 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

某“拱盖法”施工的大跨地铁车站穿越断裂带时，拟采用管棚预支护和双侧壁导坑法开挖的施工方案。通过建立有限元模型，研究车站拱部支护结构变形随盖拱施工的变化过程。研究结果表明：盖拱形成后的拱顶累积沉降约8.7 mm，该方案能够满足地铁车站施工穿越断层破碎带期间20 mm的沉降控制要求。拱部施工4个环节的风险大小依次为：竖向支撑拆除与拱盖施作>中间洞室开挖>左侧导洞开挖>右侧导洞开挖，可差异设置各施工环节的风险控制方案。支护结构的沉降变形在掌子面后方约1.0~2.0倍开挖高度的位置处达到稳定状态，具有滞后性。施工期间应重视掌子面后方相应范围内支护结构的变形监测。最后，结合现场监测数据，对研究结果进行了验证。

隧道工程；断裂带；拱盖法；大跨隧道

随着城市地铁隧道建设的不断发展，不良地质现象越来越多，不可避免会出现隧道暗挖穿越断层破裂带的现象[1]。断层破裂带的地质情况复杂，施工期间极易产生涌水涌沙和掌子面失稳等现象，严重影响隧道施工的安全性[2]。对于隧道上部分位于断层破碎带，下部分位于良好岩层中的情况，由于拱盖法能有效利用一些地区“上软下硬”的地层性质，在工程中得到了广泛的应用[3-4]。隧道暗挖经过该种地层时，涌水涌沙、塌方等风险主要发生在上部软弱地层内施工阶段。下部坚硬地层内施工时，由于岩石完整性较好，施工安全性比在上部软弱地层内的高。拱盖法是将隧道分为上、下2部分依次进行开挖。上部洞室开挖完成后施作盖拱，拱脚位于下部坚硬岩体上，盖拱结构承担上覆地层的荷载作用。在盖拱的保护作用下，隧道下部的施工得以有序进行。此时由于隧道内部空间大，方便使用大型机械，施工具有低成本、高效率等特点。为了保证隧道掌子面的稳定性，施工过程中通常会采用管棚预支护措施[5-7]。该方法是在拱部开挖轮廓线外侧施作一排与隧道轴向近似平行的钢管，钢管两端分别嵌固于掌子面前方的围岩中和初期支护中(或处于悬空状态)，如图1所示。隧道开挖后，在未施作临时支护的状态下，管棚承担着土体的松动荷载，保证隧道掌子面的稳定性。为了分析隧道穿越软弱地层过程中的安全性，常用的方法有理论分析[8-9]、现场实测[10]、模型试验[11]与数值模拟[12。随着计算机技术的快速发展，数值模拟在隧道施工过程分析中的应用逐渐增多[13-15]。赵毅鑫等[16]结合数值分析模型，验证了超前管棚注浆预支护措施在断层等复杂地质条件下的作用效果。徐前卫等[17]以山区隧道IV 级围岩为对象，利用地质力学模型试验和数值模拟研究了跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。目前，关于浅埋大跨地铁车站暗挖穿过断层破碎带的研究仍然不多，隧道施工期间支护结构的变形发展状况和各施工环节风险大小以及掌子面后方支护结构的变形等仍有较大的研究空间。本文结合“拱盖法”施工的青岛地铁4号线人民会堂站工程，通过建立有限元模型，对盖拱形成前的施工安全性、风险控制重点和支护结构的变形规律等内容进行了深入研究，并根据现场反馈验证了施工方案的可行性，为类似工程的施工提供了参考。

图1 管棚示意图

1 工程概况

1.1 工程地质与水文地质

青岛地铁4号线人民会堂站穿越关山断裂带(青岛山断裂东支)段埋深约16.5 m，开挖跨度约24.3 m，开挖高度为约18.5 m，其中拱部开挖高度约9.0 m。地铁车站受断裂带的影响长度约50 m。关山断裂带倾向及倾角为NW80°，走向为NE15°。该断裂带表现为破碎带，带内见碎裂岩化霏细岩。根据带内碎裂岩的构造透镜体排列状况，认为断裂带局部为张性活动。地铁车站暗挖经过该区域部分工程属于重点控制工程。

人民会堂站场区内第四系地层厚度0.5~12.6 m，主要由第四系全新统人工填土(Q4ml)、全新统冲洪积层(Q4al+pl)及上更新统冲洪积层(Q3al+pl)组成，主要为人工填土、杂填土、粗砂、中砂和粉质黏土等。场区内基岩以粗粒花岗岩为主，局部受构造影响有砂土状碎裂岩、块状碎裂岩，岩芯采取率≥60%，揭露段岩体完整性指数为0.3~0.5，岩体质量等级约Ⅴ级。地下水稳定水位埋深为地面下1.50~6.10m。断裂带剖面如图2所示。

图2 断裂带剖面图

1.2 施工方案

根据相关规范和施工设计方案，车站拱顶沉降控制值为：累积沉降20 mm，变化速率为3 mm/d。

施工期间，为保证隧道掌子面的稳定性，人民会堂站采用管棚预支护措施。管棚采用长度为12 m的Φ89钢管，在拱部150°范围内布置，环向间距为0.4 m，纵向间距为8 m。管棚转进到位后，在管棚尾部连接注浆管路，注入M10水泥砂浆，保证管棚与周边岩体的有效黏结。

人民会堂站采用“拱盖法”施工方式，即先开挖拱部土体并施作初期支护，拱部土体全部开挖完成后施作2层盖拱，然后再进行下部土体的开挖施工。车站拱部土体的开挖施工采用双侧壁导坑法，开挖顺序为左侧导洞−>右侧导洞−>中间部分。各洞室沿隧道轴向错开距离不小于15 m。开挖进尺为0.5~1.0 m，开挖后立即施作初期支护。初期支护结构采用C25早强混凝土与格栅钢架。施工工序如图3所示。

图9中：数字1-6代表不同区域土体的开挖顺序，数字Ⅰ-Ⅸ表示不同时期施作的支护结构。

注：1. 施工超前小导管，开挖左侧导洞岩体，立即初喷C25混凝士40mm封闭围岩；架格栅拱架、竖向临时钢拱架、绑扎钢筋网、喷射混凝土；2. 开挖右侧导洞岩体，立即初喷C25混凝士40 mm封闭围岩；架格栅拱架、竖向临寸钢拱架、绑扎钢筋网、喷射混凝土。相邻导洞错开不应小于15 m；3. 上断面中部岩体，立即初喷混凝士4 cm厚封闭围岩；架立格栅拱架、绑扎钢筋网、喷射混疑土；4. 施作拱盖，待拱盖强度达到设计强度的70%，分段拆除竖向临时支撑。

2 有限元分析

2.1 计算模型

为了分析车站盖拱完成前的施工安全性，结合青岛地铁人民会堂站设计文件，运用有限元软件ABAQUS建立分析模型，模型尺寸为200 m×100 m×20 m。模型中，地层与支护结构均采用六面体为主的实体单元，如图4所示。按照实际施工顺序，依次进行各洞室开挖施工。各洞室单次开挖长度为1 m，土体开挖和初期支护的施作在同一个分析步进行。

模型中，按照施工设计文件在车站拱部外侧布置管棚。实际状况下，管棚通过水泥砂浆与周边岩体进行黏结，达到协同变形的效果。为了在模型中反映这一效果，建立地层模型时，首先切分出管棚所在位置处的单元，然后赋予该部分单元以钢材料的截面特性，其余部分单元则赋予相应地层的截面性质，以此来模拟管棚与周边岩土体的有效黏结。

根据地质勘察资料，确定模型中各部分地层的主要计算参数，如表1所示。

(a) 整体模型图；(b) 开挖区域图

表1 地层参数

2.2 施工方案分析

为了分析拱部开挖支护方案的合理性，选取CD法开挖方案和全断面开挖方案进行对比分析。经过计算，得到地层和地铁车站初期支护结构在拱部开挖完成后的变形状况，如图5所示。

由图5可知：

1) 采用双侧壁导坑法，即实际施工方案时，车站拱部开挖完成后，地层和支护结构的最大变形均发生在拱顶位置，约为5.9 mm。考虑到拆除竖向支撑和施作二层盖拱期间可能引起的拱顶沉降，该方案能满足施工期间拱部20 mm的沉降控制要求。

2) 采用CD法施工时，车站拱部开挖完成后，支护结构的最大变形存在于中隔墙的中间位置处，约为23.8 mm，地层的最大变形发生在右侧靠近拱顶位置处，约为9.9 mm。该方案在开挖期间虽然能20 mm的拱顶沉降控制要求，但地层变形明显比双侧壁导坑法大，且中隔墙的大变形会对隧道施工安全造成极大威胁。

3) 采用全断面开挖方式时，车站拱部开挖完成后，地层与支护结构的最大变形发生在拱顶位置处，约为16.7 mm。此时车站拱部沉降已经接近容许值，隧道施工风险极大。

(a) 实际工法；(b) CD法；(c) 全断面法

综合3种施工开挖方案可以看出，人民会堂站采用双侧壁导坑法的开挖施工方案能够满足地铁车站施工期间的拱部变形控制要求，表明该方案是合理的。

2.3 盖拱施工全过程分析

进一步分析支护结构变形随盖拱施工全过程的变化状况，研究各施工环节的风险大小与施工过程中的监测重点。管棚分布在车站拱部外侧，因此可以通过分析管棚的空间变形来研究隧道拱部轮廓的变形状况。图6所示为左侧洞室开挖到14 m位置时，管棚的综合位移云图，图中各曲线为位移等值线。

从车站横断面方向分析拱部变形随施工的变化状况。取隧道起始位置横断面为研究对象，即图6点所在横断面方向。

绘制管棚横断面变化图，如图7所示。图7中，横坐标代表节点在车站横断面中的位置；纵坐标代表该节点的竖向沉降；各曲线代表掌子面距起点不同位置处，拱部的变形情况。如：2 m所示曲线代表掌子面处于距隧道起点2 m位置时，拱部的变形状况。

图6 管棚变形图

(a) 左侧洞室开挖；(b) 右侧洞室开挖；(c) 中间洞室开挖；(d) 竖支撑拆除与盖拱施作

由图7可知：

1) 盖拱施工过程中，各施工环节的沉降大小依次为：竖向支撑拆除与拱盖施作＞中间洞室开挖＞左侧导洞开挖＞右侧导洞开挖。左、右侧导洞和中间洞室开挖施工过程中，开挖洞室上方支护结构的最大稳定沉降分别为2.6，2.5和5.9 mm。竖向支撑拆除和盖拱施作完成后，左、右侧拱腰和拱顶的累计沉降分别为3.0，3.0和8.7 mm。

2) 支护结构的沉降变形存在滞后性。左、右两侧和中间洞室开挖施工时，开挖洞室上方支护结构的沉降稳定值最早出现在掌子面后方10，14和16 m处。拆除竖向支撑与施作盖拱的过程中，测点在竖支撑拆除12 m后达到沉降稳定状态。结合拱部最大约9 m的开挖高度可知，支护结构的沉降变形在掌子面后方约1.0~2.0倍开挖高度位置处达到稳定状态。隧道施工期间，应加强对掌子面后方2.0倍开挖高度范围内支护结构变形的监控。

3 现场反馈

为了观察施工过程中支护结构的沉降是否满足施工控制要求，沿车站拱部纵向间隔10 m布置一组沉降监测点。监测点布置状况如图8所示。图中，GDC-为第个断面的第个测点。

图8 拱部测点布置图

为了检验有限元分析结果的可靠性，选取经过断裂带的一组监测数据(第19断面)进行对比，如图9所示。图9中，虚线框内为竖向支撑拆除与盖拱施作环节，其余部分为施工开挖环节。

由图9可知，拱盖施工期间，拱顶支护结构的沉降变化率小于3 mm/d的控制要求。盖拱完成后，拱顶累计沉降约6.3 mm，小于20 mm的累计沉降控制要求。与现场实测相比，有限元分析模型具有一定的可靠性，主要表现在：

图9 计算值与实测值对比图

图10 盖拱完成图

1) 能有效分析地铁车站暗挖经过断裂带时的沉降变形。有限元分析和实测数据均显示，盖拱施作完成后拱顶的沉降值最大。有限元分析结果为8.7 mm，实测值约6.3 mm。

2) 能够预测各施工环节的沉降大小。开挖施工期间，左、右两侧拱腰和拱顶处的实测稳定沉降依次为2.4，2.1和5.7 mm。盖拱施作完成后，相应测点的累积沉降分别为2.8，2.4和6.3 mm。可知，支护结构在各施工环节的沉降大小依次为：竖向支撑拆除与拱盖施作＞中间洞室开挖＞左侧导洞开 挖＞右侧导洞开挖，与有限元分析结果相符。

3) 能够分析支护结构沉降变形的滞后性。由图9可知，依次施工4个施工环节中，测点沉降稳定状态均未在掌子面处，而是在掌子面的后方1.0~2.0倍开挖高度处。

综合数值分析结果和现场实测数据，采用管棚超前支护和双侧壁导坑法开挖方式的施工方案能够满足该浅埋大跨地铁车站暗挖经过断裂带时20 mm的拱顶累计沉降控制要求。图10为人民会堂站盖拱施作完成图。

4 结论

1) 对于采用“拱盖法”施工方式的大跨地铁车站，采用管棚超前支护和双侧壁导坑法开挖方式穿越断裂带时，车站盖拱形成后，拱顶沉降的分析值约8.7 mm，实测值约6.3 mm。该方案能够满足地铁车站施工期间20 mm的拱顶沉降控制要求。

2) 各环节的施工风险大小依次为：竖向支撑拆除与拱盖施作＞中间洞室开挖＞左侧导洞开挖＞右侧导洞开挖。车站拱部土体开挖过程中，有限元分析表明左、右侧拱腰和拱顶部等位置处支护结构的累积沉降量依次为2.6，2.5和6.3 mm，实测数据显示，相应测点的稳定沉降依次为2.4，2.1和5.7 mm。竖向支撑拆除与拱盖施作期间，拱顶沉降的有限元值为8.7 mm，实测值为6.3 mm。

3) 支护结构的沉降变形具有滞后性，车站拱部施工期间应重视对掌子面后方支护结构的变形监控。开挖施工期间，左、右两侧和中间洞室上方支护结构的沉降稳定值最早出现在掌子面后方10，14和16 m处。拆除竖向支撑与施作盖拱的过程中，测点在竖支撑拆除12 m后达到沉降稳定状态。结合拱部最大约9 m的开挖高度可知，支护结构的沉降变形在掌子面后方约1.0~2.0倍开挖高度位置处达到稳定状态。

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Analysis of deformation control for a large-span metro station crossing throngh fault zone using arch-cover method

ZHAO Chenyang1, PENG Limin1, SHUAI Jianbing2, SHI Chenghua1, LEI Mingfeng1, 3

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. The 2nd Engineering Co., Ltd. of China Railway 12th Bureau Group, Taiyuan 030032, China; 3. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway (Central South University), Changsha 410075, China)

When a large-span metro station constructed with “arch-cover method” crosses a fault zone, it was proposed to adopt the construction scheme of pipe shed pre-support and double-side drift method. A finite element model was established to study the deformation changing process of tunnel arch along with construction. Some findings were as follows. The settlement of tunnel vault was about 8.7 mm, after the formation of cover-arch, and the proposed scheme could meet the requirement of tunnel vault settlement limitation, which was 20 mm during the period of metro station constructing through the fault zone. The risks of four construction sections are as follows. Vertical support demolition and cover-arch construction > excavation of middle chamber > excavation of left pilot tunnel > excavation of right pilot tunnel. And the risk management plans for each construction section could be set up differentially. Settlement of the support structures reaches a stable state at the position of 1.0~2.0 times of excavation height behind tunnel face, which shows an effect of hysteresis. During tunnel construction,attention should be paid to the deformation of support structures in the corresponding range behind tunnel face. Finally, from the feedback of monitoring result, validation of the research was verified.

tunnel engineering; fault zone; arch-cover method; large-span tunnel

U45

A

1672 − 7029(2020)05 − 1193 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190653

2019−07−19

国家自然科学基金资助项目(51878670，51778636)

施成华(1973–)，男，安徽黄山人，教授，博士，从事隧道工程的教学与研究工作；E−mail：csusch@163.com

(编辑 蒋学东)