拱盖法车站施工过程地层沉降规律及适用性分析

贾世涛 张志勇 宋 波 张海龙

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

拱盖法是一种典型的地下大空间结构施工工法，结合了当前地下工程常用明(盖)挖工法和暗挖扣拱工法的特点，顾名思义就是“拱”和“盖”的结合，主要思路是将盖挖的理念引入地下，通过常用的大跨暗挖扣拱施工在上部软土层形成“拱”形“盖”，通过大拱脚将拱盖上部荷载均匀传递给下部围岩，充分利用下覆围岩的高强度，发挥岩石承载能力，扣拱完成后在拱盖的保护下向下开挖，相当于盖挖方法的后续施工。经过演变发展，拱盖法多适用于“上软下硬”的特殊地层，多为采用暗挖钻爆法施工的地下工程。

相关设计和施工技术人员对拱盖法的研究多集中在工法在地层的适用、拱盖施工步序探讨等方面。钟国[1]以大连地铁一二九街站为研究对象，论述了车站施工方法的选择与比较，介绍了拱盖法施工的应用，包括单拱单跨和双拱单柱两种形式，针对大连地区上软下硬的地质条件，拱盖法较好地解决了大跨车站暗挖施工的安全和变形控制要求，取得了良好的经济效益和社会效益；李强[2]针对青岛地铁11号线辽阳东路站上软下硬地质情况，对暗挖拱盖法在地铁中的应用进行了分析；王磊等[3]就地铁拱盖法在上软下硬地层中的应用展开论述，解决了传统分部开挖法受力转换多、废弃工程量大、爆破振动影响大、作业空间狭小等问题；常正儒[4]根据“上软下硬”的地质特点，提出了“上注下支”的拱盖施工方法，通过对模拟结果进行对比分析，得到不同开挖顺序对施工过程的影响，说明施工应采用先开挖下导洞再开挖上导洞的施工顺序，并将得到的地表变形规律与现场监测结果进行对比分析，验证了数值模拟的准确性；王安东[5]通过论述主要施工工序，将二衬拱盖法、初支拱盖法及叠合初支拱盖法三种拱盖法进行了比较，详细介绍了叠合初支拱盖法的关键施工技术和施工要点，论证了叠合初支拱盖法提高了拱盖法对围岩条件的适应能力；邓昆等[6]针对超大断面车站拱盖法破坏特征和力学机理，模拟凤西路站全过程施工，分析施工过程中地表沉降、初期支护结构应力、位移及大拱脚加固效果，同时对比青岛地铁拱盖法施工变形规律，总结了两者的异同。

与拱盖法的理念相似，PBA工法也是将盖挖的思路引入地下，出于对比的考虑，本文还收集了PBA工法相关案例进行分析[7-11]，PBA工法施工安全度高但导洞多、工序复杂、进度慢，一般适用于均匀的软土地层中。

本文在既有众多研究结论的基础上开展工作，以Midas Gts NX有限元分析软件为主要工具，依托既有在施工程，建立地层结构模型，对拱盖法车站施工过程进行模拟，分析地层沉降及结构变形规律，进而应用到本工程的沉降值预估中，指导完善设计和现场实施方案。

2 工程概况

2.1 车站概况

南昌路北站为青岛地铁8号线的第14座车站，车站位于长沙路、周口路与南昌路交叉口处，沿南昌路南北方向布置。车站站址范围内地形较为平坦，地面标高38.650～40.050 m，车站西北、西南象限均是水清沟二小区住宅楼，裙房为1层结构，东北象限为中海寰宇天下楼盘小区，东南象限为70 m绿化带，尚未实现规划，现状为汽车专营店。周口路规划红线30 m，现状道路宽约12 m，双向两车道(路口三车道)；长沙路规划红线40 m，现状道路宽约22 m，双向六车道，道路车流量较大。

车站为地下两层暗挖车站，单拱大跨结构型式，限量排放的半包防水。车站长226.5 m，标准段宽度19.8 m，上部拱盖开挖跨度22.3 m，拱顶覆土约14.26～15.73 m，车站主体基本位于微风化花岗岩中。主体结构采用二衬拱盖法施工，两端风井兼做1号、2号施工竖井，施工横通道与风道结合设置。车站两端接矿山法+TBM施工区间，开挖、初支、二衬拱墙及中板施工完成后提供TBM过站条件。

2.2 地质条件

通过钻探揭示，场区第四系厚度0.50～5.20 m，主要由第四系全新统人工填土层()及上更新统洪冲积层粉质黏土()组成。基岩为燕山晚期()粗粒花岗岩，花岗斑岩()及煌斑岩呈脉状产出。受构造破碎带影响，部分地段揭露砂土状碎裂岩、块状碎裂岩等构造岩。

场区共揭示了5个标准层及10个亚层，按地质年代由新到老、青岛市区第四系标准地层层序自上而下依次为:第四系(第①层素填土、第①1层杂填土、第[11]层粉质黏土)；基岩(粗粒花岗岩:第[16]0-上层强风化上亚带、第[17]层中等风化带、第[18]层微风化带；煌斑岩:第[16]1层强风化带、第[18]1层微风化带；花岗斑岩:第[18]3层微风化带；构造岩:第[16]0-2层花岗岩(砂土状碎裂岩)、第[17]0-2层花岗岩(块状碎裂岩))。

场区地下水按赋存介质及埋藏条件的差异，可划分为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水两大类。第四系孔隙潜水主要分布在剥蚀堆积缓坡地貌单元，赋存于第①层及第[11]层中，主要接受大气降水补给，地下水稳定水位埋深1.45～4.40 m；基岩裂隙水主要分布在剥蚀斜坡地貌单元，包括风化裂隙水和构造裂隙水，地下水稳定水位埋深2.80～8.00 m。

3 施工方法及顺序

车站主体结构采用二衬拱盖法施工，主要工序可分为以下几个步骤:

(1)拱盖开挖及施作。车站拱盖开挖根据围岩不同分别采用“CD”法或“双侧壁导坑”开挖，导洞开挖完成后及时初喷，及时支护。

(2)二衬扣拱施工。主体上部贯通后进行二衬扣拱施工。

(3)下部开挖及结构施作。由上而下分段开挖车站主体结构，施作中板、中柱及边墙，侧墙做到底板位置时甩出底板预留筋。

(4)过站后的底板及站台结构施作。在垫层位置修建导台，待TBM通过本站后，回填底板下超挖区域，施作底板结构及内部结构。

4 车站施工过程模型计算及地层沉降分析

4.1 模型概况及参数取值

Midas Gts NX有限元分析软件内置多种单元类型库和本构模型，通过定义开挖和施工阶段功能模拟车站施工过程，并进行施工阶段分析。用Midas Gts NX有限元分析软件建立车站标准断面和周围土体模型，模型宽100 m，高50 m，采用弹性模型模拟结构构件，采用摩尔-库伦模型模拟土层，单元类型均采用实体单元，模型网格划分如图1、图2所示。

图1 整体模型网格示意

图2 车站结构网格示意

初支的硬化过程通过建立边界条件修改单元属性实现，材料参数根据《混凝土结构设计规范》[12]和勘察资料确定，见表1。

表1 结构构件及土层材料参数

4.2 车站施工过程分析

对车站施工过程进行模拟，定义施工阶段，分步计算，在计算结果中读取地表和车站结构沉降最值作为分析的主要内容，如图3所示。

图3 沉降值对比点示意

读取施工过程中不同阶段的数据进行归纳，按拱盖开挖、二衬扣拱、下部开挖、结构施作完成四个步骤，将计算结果统计见图4。

图4 各施工阶段地表沉降及车站结构变形计算结果

根据以上计算结果，总结不同阶段地表沉降及结构变形规律如下:

(1)拱盖开挖阶段的地面沉降在整个施工过程中占据了较大的比例，根据各地表点的数据统计，比例值在67.9%～90.4%之间，平均83.3%。

(2)结构拱顶处对应的地表沉降在各阶段的占比均大于其他位置，沉降槽的规律与常规断面相同工法开挖类似，这也说明了拱盖开挖方式应与拱顶以上土层性质相匹配。

(3)结构变形规律与地面沉降规律基本一致，在每个施工阶段中所占整体变形比例均略大于地面沉降。

4.3 监测数据对比及后期沉降预估分析

截止目前，车站施工已完成拱盖开挖阶段，结合当前收集到的监测数据，对地面沉降及结构变形的计算值进行对比见图5。

图5 拱盖开挖施工阶段地表沉降及车站结构变形对比情况

根据以上结果对比，对模型计算与实际监测情况进行分析，总结出以下特点:

(1)计算值与监测值中，地表沉降值基本吻合，监测值中沉降最大点位置比计算值更偏向于先行开挖的导洞一侧，初步判断与导洞间开挖步距及支护体系封闭时机有一定关系。

(2)计算值与监测值反映出结构变形规律一致，个别变形值有一定差异，平均差值及最大差值分别为1.5 mm(约16.1%)及3.6 mm(约25.5%)。

基于车站各施工阶段计算值得到的初步规律，结合具体监测数据的对比分析情况，通过等比例原则估算每处地面点沉降值，对本车站施工完成后的地面沉降进行预估见图6。

图6 车站施工完成地面沉降预估

地面沉降预估值最大7.60 mm，平均值3.67 mm，满足地面沉降限值要求，这也证明了本站采用二衬拱盖法实施的合理性。

5 拱盖法地层适用性分析

近些年来，随着拱盖法在地下工程施工中的不断运用和建筑施工水平的不断提升，施工技术及理论得到了充分发展，在常用的初支拱盖法、二衬拱盖法基础上，经过优化改良还形成了叠合初支拱盖法。

目前，青岛、重庆、大连等地的在建地铁，暗挖车站较多采用拱盖法施工，一部分车站已顺利完成，实践证明，在以硬质岩为主的地层尤其是上软下硬的地层中，采用拱盖法施工是合适的，体现出工序转换少、地面沉降小、防水质量好等优势。由于较大程度依赖基岩的完整保证拱脚受力稳定，在软岩、土质地层中并不适用，这也是拱盖法的局限性所在。

针对目前城市地下工程常用暗挖方法分部多、地层变形控制困难、施工风险高、施工工效低、结构跨度小等问题，拱盖法在地下大空间工程中无疑是一种合理的解决思路，而如何将拱盖法的适用性进一步扩展，并引入支护结构一体化的概念，则是后续研究工作中的重点。

6 结束语

通过对模型计算结果的分析，得到了拱盖法地铁车站施工过程对地层沉降影响的基本规律，同时基于车站施工过程中的监测数据，进行对比分析和施工沉降预估分析，本次课题研究工作主要成果如下:

(1)拱盖法施工期间沉降最大位置发生在拱盖开挖各导洞拱顶处，沉降变化最快发生在拱盖开挖及扣拱施工阶段，与“上软下硬”的地层条件相符，同时结构变形规律与地面沉降规律一致。

(2)通过实测值与计算值对比，一个特殊的现象是，沉降最大处随开挖步序转移至当前开挖导洞处，初步判断与导洞间开挖步距及支护体系封闭时机有一定关系。

(3)基于模型计算工作和对监测值的分析，对车站施工完成后的地面沉降值进行了预估，预估值满足地面沉降限值要求，证明了车站采用二衬拱盖法实施的合理性。

在后续的工作中，将及时跟进车站施工情况，进一步验证预估值的准确性，对计算值与实测值差异进行细化分析，及时指导现场作业，合理优化施工期间工况约束，确保工程安全顺利的实施。

本次工作还搜集了大部分拱盖法工程相关案例，分析了拱盖法施工的优、缺点，论证了拱盖法的适用性，希望借此引出对地下大空间结构型式的探讨，寻求空间利用率高、环境友好、施工便捷、安全高效的一体化结构型式和相应的施工方法。