浅埋暗挖大跨地铁车站拆撑方案研究

张洪达

(中铁隧道集团一处有限公司， 重庆 401123)

随着我国城市化进程的加快，地铁建设蓬勃发展，城市综合症[1]日益凸显，如规划红线收紧、交通导改困难、房屋征迁制约等问题逐渐显现。因此，对地面环境依赖程度低、影响小的隧道浅埋暗挖工法越来越受到工程界的青睐，采用该工法施工的隧道多埋深浅、跨度大、地质差，为确保安全，修筑时常在隧道内部设置多道支撑减跨，采用“化大为小、化整为零、分块开挖、逐环封闭”的双侧壁导坑法[2]施工，确保隧道自身及周边环境的安全。该类工法成败的关键在于临时支撑拆除后残余的承载体系是否仍能够维持二衬模筑期间隧洞结构的稳定性[3-4]，若能则可确保施工安全，否则会遭遇塌方、冒顶等事故[5]。

为探寻合理的拆撑方案，在深圳地铁凉帽山站[6]、青岛地铁江西路站[7]、六沾铁路乌蒙山2号出口车站[8]等大跨暗挖车站隧道施工中对拆撑设计进行分析；青岛地铁某车站拱盖法[9]开挖、厦门东通道翔安隧道CRD工法[10]及赣龙铁路新考塘隧道双层初期支护[11]工况下分别对临时支撑拆除的安全性开展研究。由于具体工程的工况差异，洞身跨度、拱顶埋深、工程地质及水文地质等条件的不同，拆撑方案各异。本文以青岛地铁4号线错埠岭站工程为例，采用数值分析与现场监控量测相结合的方式，分析不同拆撑分区和单次拆撑长度对暗挖结构的影响，选定并验证最优拆撑方案[12]。

1 工程概况

青岛地铁4号线错埠岭站位于辽阳西路正下方，为13 m宽标准岛式站台换乘车站，开挖宽度为23.9 m，支护断面设计为单拱直墙结构形式，拱顶埋深约15 m，整个洞身的围岩主要为软弱、破碎、富水的强风化花岗岩，仅仰拱局部为中风化花岗岩，综合围岩等级判定为Ⅳ级，施工中遭遇不良地质的风险系数较高。综合比选采用双侧壁导坑法施工，共分为3层9导坑，开挖顺序为先分侧后分层，同层水平导坑掌子面纵向错距控制为不低于15 m，同侧上下导坑掌子面纵向错距控制不低于8 m，典型施工步序如图1所示。

图1 双侧壁导坑法典型施工步序示意

根据地质围岩条件，拱部采用Φ108 mm超前大管棚支护，以防开挖期间掌子面正前方围岩塌方、冒顶，侧墙采用Φ25 mm中空注浆锚杆支护，全环钢架采用纵向间距0.5 m的“8字节”格栅钢架，喷射混凝土为350 mm厚C25湿喷混凝土，临时内撑采用I25a型钢，纵向间距同格栅钢架，基面挂网喷混凝土厚度300 mm。

2 拆撑方案设计

暗挖隧道拆撑施工属于典型的岩土非线性静力问题，拆撑方案选择不当，极易引起支护体系失稳、拱顶塌方等安全事故。目前，施工常用的拆撑方式为“跳仓法”拆撑，即将纵向贯通后的隧道划分为若干个等间距的分区，同时拆除多个分区支撑，并置换为钢筋混凝土二次衬砌结构，待二衬达到设计强度后，方可进行下一分区拆撑施工，如此循环直至纵向结构通长合龙。具体拆撑分区如图2所示，其中相邻2个拆撑分区之间的区段称为隔仓分区，隔仓分区即为后续循环的拆撑分区，二者呈整数的倍数关系。

图2 “跳仓法”拆撑分区示意

由图2可知，从受力、变形、能量视角分析，拆撑前围岩-支护承载体达到新的力学平衡、变形协调、能量稳态，而拆撑施工将再次打破这种平衡、协调和稳态。若拆撑分区残余初期支护结构与隔仓分区二次衬砌结构所形成的“空间棚护效应”能够代替拆撑分区的“内撑减跨作用”，则表明围岩-支护承载体能够达到新的平衡状态，不会发生强度破坏或变形失稳。显然，拆撑施工是否引起承载系统失稳、破坏，与拆撑分区长度密切相关。当拆撑分区长度超过某一定值时，“空间棚护效应”难以等同代替“内撑减跨作用”，拆撑分区残余支护结构接近或直接退化成为“平面应变问题”则极易引起承载系统失稳、破坏。针对本工程，拆撑设计方案如下：

1) 间隔若干个“隔仓分区”拆除多个“最优拆撑分区”的临时支撑，以期在保证隔仓分区支护结构安全的前提下，实现隧道纵向多分区、多模板流水拆撑及模筑衬砌作业的目的。

2) 选择某一拆撑分区作为首拆试验段，要求尽量选择地质条件相对较好、非交叉口区域，以免首拆试验失败而引起冒顶、塌方事故。

3) 拆撑时应严格遵循“试拆、跳拆”的原则。跳拆即隔2拆1，试拆即在竖撑顶部切除约2 m～3 m宽缺口，观察缺口闭合速率，若速率稳定再行继续拆除剩余支撑，直至形成纵向6 m长的拆撑分区。

4) 待首拆分区顺利模筑衬砌且监测数据未见异常后，可将拆撑分区长度扩大至9 m，依次重复上述2)～3)步，直至摸索到既能保证拆撑施工安全，又能最大化施工作业效率的最优拆撑分区长度。

3 数值分析

采用Midas-GTS-NX有限元计算软件，分别建立不同拆撑、隔仓分区长度的地层-结构模型，如图3所示，地层采用摩尔-库伦弹塑性本构关系，初支结构采用植入式桁架+弹性本构关系，模型四周设置水平约束，底边采用固定边界，顶部为自由地表。

图3 地层-结构荷载模型

数值模型岩土体计算参数均摘自地勘报告，自上而下揭露的地层分别为填土、粉质粘土、粗砾砂、强风化岩、中风化岩和微风化岩，各地层物理力学参数如表1所示。

表1 各地层物理力学参数

复合式衬砌流水作业主要包括防水层施作、衬砌钢筋安装、模筑混凝土3个主要施工环节，考虑到相邻拆撑分区之间防水板和纵向钢筋搭接的空间需求，最小拆撑分区长度设定为6 m，平均间隔3 m为一个计算步距，共分为H=6 m、9 m、12 m、15 m四种计算工况，约为1/4～5/8的开挖洞跨，计算结果如图4所示。由于暗挖隧道塌方、冒顶等灾难性事故的发展历程，主要是拱部初支变形加剧进而引起结构破坏，因此本文以拱部竖向位移和围岩塑性区作为稳定性评价指标，采用增量法[13]分析不同拆撑分区长度时隧道结构的安全状态。

从图4可知，最大竖向位移发生在竖撑节点处，其值随着拆撑分区长度的增加而增大。当拆撑分区长度H=6 m时，竖向位移为6.55 mm；当拆撑分区长度H=15 m时，竖向位移为12.24 mm，增幅可达86.9%。由此可见，拆撑分区长度越大，拆撑引起的拱顶初支沉降量越大，越不利于残余初支承载结构的稳定性控制。而且，随着拆撑分区长度的增加，拆撑引起的变形区域也在逐渐扩大。当拆撑分区长度H=12 m时，左右两侧1#与4#导坑竖向位移影响范围逐渐贯通并扩展到7#导坑，并沿着7#导坑纵向延伸、发展，说明拆撑分区长度越大，残余承载体系的“空间棚护效应”越弱，越难以维持拆撑后所形成大跨结构的稳定性。不同拆撑分区长度对应的塑性区分布云图如图5所示。

从图5可以看出，临时支撑拆除瞬间释放支撑节点支反力，临近区域围岩失去支撑约束后发生应力重组，部分围岩进入塑性破坏状态，且随着拆撑分区长度的增加，塑性破坏区面积不断增大，其平均破坏深度分别为2.3 m、2.7 m、3.4 m、3.7 m，并逐渐呈现出向7#导坑蔓延的趋势，但两侧1#、4#导坑塑性破坏区始终没有贯通，说明拆撑主要影响区域位于支撑节点附近一定区域，但拱顶7#导坑围岩随着拆撑分区的增加存在进入塑性流动破坏的潜在可能，这一点与竖向变形云图分析结果相互印证、吻合。

(a) H=6 m

(b) H=9 m

(c) H=12 m

(d) H=15 m

(a) H=6 m

(b) H=9 m

(c) H=12 m

(d) H=15 m

基于上述数值分析结果，考虑到拱部两侧导坑初支竖向变形尚未贯通，且拆撑节点附近围岩塑性区面积、破坏深度可控，选择H=9 m作为最优拆撑分区长度，分别给出隔仓分区长度K=2H、3H时的拱部初支竖向位移云图，如图6所示。

(a) K=2H

(b) K=3H

从图6可以看出，当隔仓分区长度K=2H时，相邻拆撑分区初支拱顶沉降范围已经贯通，隔仓分区初支拱顶沉降值1.67 mm，仅占拆撑分区沉降量的18.65%；当隔仓分区长度K=3H时，相邻拆撑分区初支拱顶沉降范围尚未贯通，隔仓分区初支拱顶沉降也只有0.18 mm，说明相邻拆撑分区施工互不影响，这一点从K=3H时，拆撑分区初支拱顶沉降数值略小于K=2H工况亦可看出。因此，基于上述数值计算分析结果，综合考虑到多模板、多区段同时模筑流水作业，隔仓分区长度选择K=2H工程性价比较高。

4 施工监测

错埠岭站隧道采用拆撑、隔仓分区长度分别为H=9 m、K=2H=18 m的拆撑设计方案，严格遵循“试拆、跳拆”的拆撑原则，已安全、顺利、高效地完成了主体拆撑置换二衬的施工，拆撑关键步序的现场施工照片如图7所示，“隔二拆一”方案中各导洞拱顶及支撑点处沉降曲线如图8所示。

(a) 拆撑施工

(b) 二衬洞通

图8 “隔二拆一”方案支护结构拱部沉降曲线

根据现场监测量控数据[14-15]分析，两侧1#、4#边导坑拱顶沉降约为3.7 m～5.6 mm，支撑节点拱顶沉降约为7.9 m～9.6 mm，7#导坑正拱顶沉降约为1.3 m～2.1 mm，实测数据与数值分析结果吻合度较高，拆撑期间洞顶变形平均收敛时间约为1.5 d～3.3 d，整个施工过程并未发生较大的结构变形、开裂或坍塌等险情，支护承载体系受力安全、变形可控，充分说明本文所选择的拆撑设计方案科学合理、经济可靠。

5 结束语

1) 错埠岭站隧道采用拆撑分区长度与隔仓分区长度分别为H=9 m、K=18 m的拆撑方案，遵循“试拆、跳拆”的原则，通过了现场施工检验，实现了安全、高效、快速的拆撑效果。

2) 有限元计算表明，拆撑影响范围主要集中在各自拆撑分区长度内，整体呈“椭圆”状分布，并随着拆撑分区长度的增加逐渐呈现出由拆撑分区向隔仓分区蔓延、由拱顶向地表发展的趋势；隔仓分区越大越有利于改善竖撑结构的受力、变形状态，越有助于维持大跨结构的稳定性。

3) 现场监控量测表明，拆撑时支撑节点拱顶沉降值大于导坑正拱顶处，各观测点沉降值均小于10 mm，支撑承载体系变形可控。

4) 通过有限元计算及现场监控量测结果验证，选择H=9 m、K=18 m的拆撑方案，可保证本工程自身风险与周边环境风险可控，实现安全、快速、高效地完成拆撑施工。但本文结论是在强风化软弱、破碎、富水超浅埋大跨隧道所得出的，该参数是否适应于其他软土地层仍需根据具体工程进一步验证。