大跨暗挖地铁车站初支拱盖法优化施工及模拟计算分析

王群

摘 要：以贵阳市轨道交通 2 号线阳明祠站为背景，在总结“初支拱盖法”经验的基础上，利用车站临时中隔墙作为大拱盖支架体系的主要支撑点，优化支架体系;各开挖导洞采用简易支架体系代替满堂支架体系，保障物流通道通畅，减少对前方掌子面开挖时间的影响;简易支架代替满堂支架或模板台车，可减少资源浪费，节约物料及人工费。模拟计算和监测表明，初支拱盖法优化施工满足结构强度和稳定性要求。

关键词：地铁;车站;初支拱盖法;支架体系;施工优化;数值模拟

中图分类号：U231+.3

目前国内外地铁车站的施工方法主要采用明挖法、暗挖法和盖挖法。初支拱盖法即是其中较具代表性的一种，可视为“扣拱技术”与“盖挖技术”的结合，以拱盖法为基础，先分部开挖拱部并支护，通过围岩与初支形成整体支撑体系，保证车站主体结构开挖时的安全和稳定。初支拱盖挖法尤其适用于硬岩车站开挖，并且对地面交通产生影响较小，在地铁车站施工中具有高度的应用和推广价值[1-10]。国内学者贾贵宝[11]研究了拱盖法施工的工艺以及控制重点，认为拱盖法具有大面积作业、导洞少、效率高、围岩扰动少、工序少、可有效加快施工进度等优点;吴学峰[12]对土岩复合地层进行了数值模拟，认为在复杂地层中，拱盖法施工能保证结构的稳定性和围岩的安全。

本工程利用车站临时中隔墙+优化后支架体系代替传统满堂支架模板安装与模板台车施工方法，操作方便简单，结构轻巧，机动性强，节约物料，节约时间，效益高，可减少工作量，提高施工进度。

1 工程概况

贵阳市轨道交通2号线阳明祠站为一期土建的第21个车站，车站位于宝山北路与东山路的十字交叉路口北侧道路下方，沿宝山北路呈南北向布置。车站起止里程为YCK34+371.496～YCK34+637.700，长266.204 m，轨面埋深24～27 m。

车站范围内上覆人工浇筑混凝土沥青路面，层厚约40 cm，第四系人工填土层厚约0.2～3.7 m，红黏土覆盖层厚约1.4～14.7 m，红黏土具有遇水软化、失水强烈收缩、裂隙发育、易剥落的工程性质。洞穴堆积，充填软塑至流塑状黏土，均为全充填，极个别为空洞，发育强烈，车站拱顶覆盖层薄，开挖风险极大。为此采用初支拱盖法施工，拱盖采用支架法现浇施工以加强初支稳定性。

2 初支拱盖施工

车站拱盖开挖步序①～步序⑦如图1所示。车站加强初支拱盖分拱盖纵梁、拱盖2部分，均采用C30混凝土模筑。拱盖纵梁为钢筋混凝土结构，拱盖为钢拱架混凝土结构。拱盖内置I25b钢拱架，钢拱架间距50cm。钢拱架紧贴拱盖内表面安装，内腹保护层不少于 40mm，相邻钢架间设25mm纵向连接筋，与钢拱架焊接，环向间距 0.5m（内外交错布置）。初支与拱盖二次初支的连接钢筋锚入初支内的长度不小于300mm，锚入叠合拱盖部分不小于350mm。型钢钢架按相应长度在钢构厂统一加工，现场拼装。

2.1 纵梁施工

开挖拱部侧导洞①～④（图 1）并施做初支，在拱部导洞外侧打设砂浆锚杆与锁脚锚杆，以加固拱脚处围岩。拱盖纵梁紧随车站上半部③步、④步开挖支护完成后施工，先绑扎钢筋，再安装小平板钢模，加固牢靠后浇筑纵梁混凝土。拱盖纵梁施工前，应对基底进行勘察，看是否符合设计基岩基底要求，否则应联系相关单位确定换填加固处理方案。

2.2 初拱盖施工

初支拱盖钢拱架安装前，先用风镐人工凿除临时支撑顶部拱盖范围内的喷射混凝土和钢筋网，完整保留临时支护工字钢，使大拱盖钢拱架能够穿过并拼装成型，钢拱架拼装完成后用纵向连接筋和拱架底脚锚固钢筋将其加固;待加强初支施做完成、强度达到设计100%时，拆除临时支撑。

在利用車站临时中隔墙的基础上，优化支架体系，进行拱盖施工。拱盖支架体系如图2所示，依次为，5cm厚平板组合钢模、间距0.5 m的I20b钢拱架拱圈、76 mm钢管支撑体系。钢拱架背带拱肋间采用钢筋连接成整体，拱盖右侧拱脚部分采用上下2排76mm钢管斜向支撑，间距按0.5m布置，斜撑中部采用钢管连接。

3 计算模型

采用Midas Civil进行建模分析，验算支架体系的强度、刚度、稳定性以及立杆地基承载力。支架体系模型如图3所示，均采用梁单元建立。背带拱肋与既有竖向隔墙采用节点弹性连接，背带拱肋拱脚、立柱和斜撑根部按铰接模拟， 边界条件为对位移Dx、Dy、Dz进行约束。

计算中，恒载取最大断面进行计算，拱部断面面积23.25m2（拱盖1.3m厚），钢筋混凝土自重26kN/m3，浇筑长度6 m，计算得到钢管架支模体系拱部模板承受混凝土灌注自重压应力p = 38.04kPa。支架自重由程序根据有限元模型设定的截面和尺寸自行计算施加，自重系数取-1。活载根据《路桥施工计算手册》，在采用内部振捣且混凝土浇筑速度在6 m/h以下时，作用于侧模的最大压力可以取以下较小值进行计算：模板侧压力pm = 39.6 kPa，混凝土冲击及振捣对模板产生的侧压力q = 4 kPa。

4 计算结果分析

4.1 背带拱肋

背带拱肋计算分析中以强度、刚度进行控制，斜撑、立柱以强度、稳定性进行控制。

4.1.1 背带拱肋强度

图4为背带拱肋应力计算云图，由图可知，最大组合应力σz = 80.1 MPa<[σz ] = 215 MPa，最大弯曲应力σw = 53.3 MPa<[σw ] = 215 MPa，最大剪应力τ =19.8MPa<[τ] = 125 MPa。可见，背带拱肋设计满足强度要求。

4.1.2 背带拱肋刚度

图5为背带拱肋位移云图，由图可知，背带拱肋最大位移f= 1.1mm<[f ] = L/400 = 1970/400 = 4.93mm。可见，背带拱肋刚度满足刚度要求。

4.2 斜撑

4.2.1 斜撑强度

图6为斜撑应力计算云图，由图可知，最大组合应力σz = 87.2 MPa<[σz ] = 215 MPa，最大弯曲应力σw = 30.5 MPa<[σw ] = 215 MPa，最大轴力σ = 64.2 MPa<[ σ ] = 215 MPa。可见，斜撑强度设计满足强度要求。

4.2.2 斜撑稳定性

计算时，立柱自由高度取3 m，按两端铰接考虑。已知，最大钢管桩反力N = 50.8 kN，计算长度l0 = 3m，截面面积A = 8.836cm2，回转半径i = 2.215cm。根据GB 50017-2017《钢结构设计规范》长细比容许值[λ] = 150、稳定系数容许值[] = 0.402，可计算得到：

4.3 立柱

4.3.1 立柱强度

图7为立柱应力计算云图，由图可知，最大组合应力为σz = 51.2 MPa<[σz ] = 215 Mpa，最大弯曲应力σw =37.8 MPa<[σw ]=215 Mpa，最大轴力σ = 51.2 MPa<[σ] = 215 MPa。可见，立柱强度设计满足强度要求。

4.3.2 立柱稳定性

计算时，立柱自由高度取3.6m，按两端铰接考虑。已知，最大钢管桩反力N = 40.5 kN，计算长度l0 = 3.6m，截面面积A = 8.836cm2，回转半径i = 2.215 cm。根据GB 50017-2017《钢结构设计规范》长细比容许值[λ] = 150、稳定系数容许值[] = 0.268，可计算得到：

5 地表沉降监测

由于车站监测断面较多，特选取具有代表性的DBC34590号断面的监测数据，如表1所示。由表可以看出，有部分点位出现预警，但未超过极限强度，变形较小，无开裂现象，拱盖结构整体稳定。但施工时应加强监测，尤其是对拱盖结构的监测，并根据监测数据及时调整支护措施。

6 结论

贵阳市轨道交通2号线阳明祠站拱盖施工中，通过初支拱盖法优化施工，在工作效率、施工安全以及经济效益等方面较以往施工模式均有较大提升。拱盖衬砌改变了传统的满堂支架及模板台车施工方式，操作简便，工作量较少、工作效率高、支撑体系安全可靠。借助车站现有临时钢支撑，可大大减少施工人员的工作量，提高工作效率，减少人员需求量，减少对前方掌子面开挖时间的影响。对阳明祠站初支拱盖的模拟计算分析和地表沉降监测分析表明，初支拱盖法优化施工的阳明祠站拱盖在结构上满足强度、稳定性要求。

参考文献

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[12] 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， 2012，15（8）.

收稿日期 2019-04-09

責任编辑 朱开明