許洪偉

1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 4300632.水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖北 武漢 430063

1 概述

常用的城市地鐵車站施工方法有盾構(gòu)法、蓋挖法、明挖法和淺埋暗挖法4種。

地鐵工程建設(shè)周期長，環(huán)境復(fù)雜，規(guī)模浩大，施工對(duì)道路資源的占用等致使原本繁忙的交通狀況更顯擁堵，對(duì)居民的正常通行有嚴(yán)重影響。當(dāng)?shù)罔F車站設(shè)在主干道下而交通不能中斷且需要確保一定交通流量要求時(shí)，應(yīng)選用淺埋暗挖法進(jìn)行施工。淺埋暗挖法現(xiàn)已在北京、杭州、青島、廣州、天津、深圳等城市地鐵車站開挖中使用。

針對(duì)青島、重慶等地區(qū)特有的“上軟下硬”地層情況，為了充分利用硬巖地層承載能力高的特點(diǎn)，多個(gè)地鐵車站采用大拱腳薄邊墻斷面結(jié)構(gòu)形式［1］。位于軟弱地層的大拱腳薄邊墻結(jié)構(gòu)上臺(tái)階施工風(fēng)險(xiǎn)較大，車站施工時(shí)，拱部需要采用小導(dǎo)管和大管棚注漿進(jìn)行超前支護(hù)。因此，開展大拱腳薄邊墻大跨車站拱部超前支護(hù)措施的研究，對(duì)隧道主體開挖以及拱部二襯順利施作有重要意義。

2 超前小導(dǎo)管、大管棚支護(hù)機(jī)理

超前小導(dǎo)管和超前大管棚注漿通過向洞室拱部周邊圍巖高壓注漿，即施工過程中向地層巖土體中高壓注漿，使水泥漿液滲透、擴(kuò)散到巖土體孔隙中，通過改變巖土體物理化學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)其力學(xué)性能，并在隧道拱部形成一個(gè)穩(wěn)定防水的預(yù)支護(hù)拱結(jié)構(gòu)［2］。漿液填充巖體孔隙，提高巖土體力學(xué)性能的同時(shí)，將裂隙水流淌路徑堵塞從而起到堵水作用，減小掌子面拱部滲流。

超前小導(dǎo)管和超前大管棚注漿支護(hù)機(jī)理可分為注漿對(duì)松散巖土體加固作用和結(jié)構(gòu)力學(xué)作用。

2.1 注漿加固機(jī)理

小導(dǎo)管和大管棚注漿過程中，漿液均勻通過小導(dǎo)管或大管棚的出漿孔壓入松散圍巖孔隙中，小導(dǎo)管和大管棚注漿的注漿措施有劈裂注漿、填充注漿、擠密注漿、滲透注漿等。在漿液化學(xué)膠結(jié)作用和惰性填充作用等物理化學(xué)作用變化下，巖土體現(xiàn)有的物理、化學(xué)性質(zhì)改變。漿液凝固將松散圍巖連成強(qiáng)度較高的一個(gè)整體從而提高巖土體的力學(xué)參數(shù)［3］。漿液飽和度、漿液與巖體交界面結(jié)合形式、漿液凝結(jié)時(shí)間、灌漿材料等都會(huì)影響注漿加固區(qū)域巖土體強(qiáng)度增長。

2.2 小導(dǎo)管和大管棚結(jié)構(gòu)作用

小導(dǎo)管和大管棚注漿不僅改變巖土體力學(xué)性能，漿液凝固后小導(dǎo)管和大管棚還起到了錨桿樁、錨桿、棚架等結(jié)構(gòu)作用，使加固圍巖區(qū)域整體穩(wěn)定性得到提高。

1）錨桿樁作用。超前小導(dǎo)管注漿或超前大管棚注漿中，鋼管一端與隧道初期支護(hù)鋼拱架剛性連接，注漿凝固使鋼管與巖土體緊密凝結(jié)，形成拱形加固圈。洞室開挖，洞室周邊圍巖卸荷時(shí)，拱形加固圈承載圍巖松散壓力，支護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼管便能起到錨桿樁作用［4］。

2）錨桿作用。小導(dǎo)管和大管棚結(jié)構(gòu)鋼管作用與錨桿支護(hù)作用機(jī)理相同。主要有組合梁原理、聯(lián)接原理、均勻壓縮原理。在隧道開挖過程中，小導(dǎo)管和大管棚結(jié)構(gòu)同時(shí)發(fā)揮著三種支護(hù)原理。根據(jù)施工工藝、圍巖地質(zhì)條件、小導(dǎo)管及大管棚的布置形式，這三種錨桿支護(hù)原理兩種或三種同時(shí)起主要承載作用。

3）棚架作用。隧道開挖過程中，靠近掌子面區(qū)域小導(dǎo)管和大管棚注漿加固形成的預(yù)支護(hù)拱以掌子面后方初期支護(hù)中格柵鋼架和前方未開挖巖土體為支點(diǎn)，在隧道縱向起支撐中部圍巖荷載作用，即小導(dǎo)管和大管棚注漿預(yù)支護(hù)拱在掌子面開挖區(qū)域起承載梁作用。

3 大拱腳薄邊墻結(jié)構(gòu)車站超前支護(hù)

3.1 工程概況

車站位于青島市南京路與江西路十字路口南側(cè)，沿南京路南北走向，與遠(yuǎn)期規(guī)劃的地鐵5 號(hào)線換乘，為地下兩層島式站臺(tái)車站。車站起點(diǎn)里程K8+358.491，終點(diǎn)里程K8+605.491，全長247 m，主體結(jié)構(gòu)采用暗挖法施工，拱頂埋深9.3～10.5 m，結(jié)構(gòu)內(nèi)寬20.6 m，高15.5 m，拱部開挖跨度達(dá)23 m。車站采用大拱腳薄邊墻斷面結(jié)構(gòu)型式以充分利用硬巖地層承載能力高的特點(diǎn)。見圖1、圖2。

圖1 地鐵車站橫斷面

圖2 拱部超前支護(hù)示意

車站采用鉆爆法施工，對(duì)于大拱腳薄邊墻結(jié)構(gòu)，由于車站拱部圍巖軟弱，且開挖跨度較大，因此上半斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，設(shè)立了2 道豎向支撐起減跨作用，使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更加合理［5］。同時(shí)，由于下部圍巖為完整性較好的微風(fēng)化花崗巖，模筑拱部襯砌，將拱腳架設(shè)于完整巖石上，形成可靠的支撐結(jié)構(gòu)。待上部混凝土拱澆筑完成后，再進(jìn)行下部開挖。

3.2 超前支護(hù)措施

車站里程K8+371.191 至K8+595.591 的范圍內(nèi)，由于車站結(jié)構(gòu)拱頂處于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中且覆巖厚度較薄，為確保掌子面穩(wěn)定及控制地表沉降，采取φ76 自進(jìn)式管棚+φ32 超前小導(dǎo)管對(duì)掌子面前方巖體進(jìn)行預(yù)加固。見表1。

表1 超前支護(hù)措施

根據(jù)車站隧道兩種超前支護(hù)措施，分別分析隧道開挖過程中超前注漿對(duì)巖體加固作用，及小導(dǎo)管和大管棚在車站隧道開挖掘進(jìn)過程中結(jié)構(gòu)力學(xué)作用。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

本節(jié)主要考察大斷面地鐵車站隧道開挖采取小導(dǎo)管和大管棚注漿加固作用和超前支護(hù)結(jié)構(gòu)棚架效應(yīng)，計(jì)算過程中，未考慮爆破振動(dòng)固結(jié)沉降，地下水流失引起固結(jié)沉降，水流帶走泥沙等引起地層位移沉降。

車站拱部開挖跨度達(dá)23 m，整體模型尺寸寬100 m，高50 m，隧道縱向長度60 m，車站隧道上覆10.5 m 地層。三維模型采用FLAC_3D 有限差分法進(jìn)行施工模擬，采用摩爾-庫倫塑性模型。見圖3。

圖3 三維有限元計(jì)算模型

計(jì)算過程中每循環(huán)開挖進(jìn)尺為1 m，左、右導(dǎo)洞開挖步距為16 m，中導(dǎo)與右導(dǎo)開挖步距為16 m。

鋼拱架與噴射混凝土作為一種復(fù)合材料，按照所占面積大小采用等效的殼單元進(jìn)行模擬，將鋼拱架強(qiáng)度折算到噴射混凝土層中。地層及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 地層及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

4.2 地層位移分析

取隧道縱向16 m 處橫斷面為分析斷面，設(shè)未采取超前加固措施施工為工況一，采取小導(dǎo)管和大管棚注漿施工為工況二。工程地勘報(bào)告顯示拱腳位置巖體為中風(fēng)化花崗巖，此時(shí)兩種工況下拱部施工地表沉降槽曲線見圖4、圖5。兩種工況各施工階段地層位移見表3。

圖4 未采取超前支護(hù)分析斷面沉降曲線

圖5 小導(dǎo)管和大管棚超前注漿分析斷面沉降曲線

表3 兩種工況各施工階段地層位移

由圖4、圖5 和表3 可知，未采取管棚注漿工況拱部貫通時(shí)最大地表沉降值為41.2 mm；采取管棚注漿工況拱部貫通時(shí)最大地表沉降值為20.5 mm，比前者小20.7 mm。由此可知，小導(dǎo)管、大管棚超前支護(hù)可以有效控制地層位移的發(fā)展。

隧道開挖后引起應(yīng)力重分布，使巖土體從初始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)入二次應(yīng)力狀態(tài)，及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)后，巖土體進(jìn)入三次應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力重分布過程中必然引起地層位移，這種位移表現(xiàn)在隧道開挖輪廓直徑的減小，即拱頂沉降和圍巖收斂。在一定條件下，隧道所在地層巖土體允許地層位移越大引起塑性區(qū)范圍越大，而所需支護(hù)結(jié)構(gòu)提供支護(hù)阻力越小。因此，襯砌支護(hù)阻力與地層位移有必然聯(lián)系。

隧道施工過程中，小導(dǎo)管和大管棚注漿加固地層巖土體形成預(yù)支護(hù)拱承載隧道開挖釋放部分荷載，給架設(shè)初期支護(hù)爭(zhēng)取了時(shí)間，初期支護(hù)架設(shè)后可以很好地承受隧道開挖跨度過大引起較大松弛壓力。而工況一因未采取加固措施，根據(jù)特征曲線法分析，架設(shè)初期支護(hù)時(shí)圍巖已經(jīng)發(fā)生較大的初始位移，致使后期圍巖特征曲線與支護(hù)特征曲線達(dá)到最終平衡狀態(tài)時(shí)，圍巖發(fā)生較大位移。

圖6 為采取超前加固措施隧道各施工階段地表沉降槽曲線，拱部貫通、臨時(shí)支撐拆除、施工完成三個(gè)階段最大地表沉降值分別為20.5、22.3、23 mm。即依托工程大拱腳薄邊墻結(jié)構(gòu)拱部開挖后，后續(xù)施工引起沉降值只有2.5 mm。

圖6 分析斷面地表沉降曲線

4.3 小導(dǎo)管、大管棚結(jié)構(gòu)作用

三維模型模擬各開挖步施工過程中以梁?jiǎn)卧M小導(dǎo)管、大管棚結(jié)構(gòu)分析其結(jié)構(gòu)作用。分析工況二隧道上臺(tái)階左導(dǎo)開挖至48 m 處、右導(dǎo)開挖至32 m處、中導(dǎo)開挖至16 m處時(shí)管棚剪力、彎矩。

分析管棚剪力、彎矩計(jì)算結(jié)構(gòu)，在各導(dǎo)洞掌子面開挖區(qū)域，支護(hù)結(jié)構(gòu)還未施作時(shí)，管棚以承載梁的結(jié)構(gòu)形式承受了部分形變引起松弛壓力，抑制掌子面區(qū)域由初始應(yīng)力狀態(tài)到二次應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中應(yīng)力重分布引起隧道周邊巖土體地層位移；架設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域預(yù)支護(hù)拱與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承載松弛壓力，大管棚所受軸力、彎矩均較小且比較均勻。

以上分析說明，隧道開挖過程中，靠近掌子面區(qū)域小導(dǎo)管和大管棚注漿加固形成預(yù)支護(hù)拱，以掌子面后方初期支護(hù)中鋼支撐和前方未開挖巖土體為支點(diǎn)，在隧道縱向起支撐中部圍巖荷載作用，即在掌子面開挖區(qū)域起承載梁作用。架設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)后，預(yù)支護(hù)拱以支護(hù)結(jié)構(gòu)前、后鋼拱架為支點(diǎn)，在隧道縱向與噴射混凝土共同起支撐中部圍巖荷載的作用。

這種承載梁作用在施工掌子面遇到圍巖突變等突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，能有效控制拱頂塌方、冒頂?shù)仁┕わL(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

通過對(duì)大拱腳薄邊墻結(jié)構(gòu)地鐵車站采取超前加固和未采取超前加固兩種工況，拱部開挖引起地層位移分析和對(duì)小導(dǎo)管、大管棚結(jié)構(gòu)作用的分析得出以下結(jié)論及建議：

1）小導(dǎo)管、大管棚超前支護(hù)可以有效控制地層位移的發(fā)展。

2）根據(jù)特征曲線法分析，未采取加超前加固措施隧道開挖，架設(shè)初期支護(hù)時(shí)圍巖已發(fā)生較大的初始位移，致使后期圍巖特征曲線與支護(hù)特征曲線達(dá)到最終平衡狀態(tài)時(shí)，圍巖發(fā)生較大位移。

3）小導(dǎo)管注漿和大管棚注漿加固地層巖土體形成預(yù)支護(hù)拱，承載隧道開挖釋放的部分荷載，架設(shè)初期支護(hù)時(shí)圍巖發(fā)生較小的初始位移，為架設(shè)初期支護(hù)爭(zhēng)取了時(shí)間。架設(shè)初期支護(hù)后可以很好地承受隧道開挖跨度過大引起的較大松弛壓力，有效抑制了地層位移的發(fā)展。

4）隧道開挖過程中，靠近掌子面區(qū)域小導(dǎo)管和大管棚注漿加固形成預(yù)支護(hù)拱，以掌子面后方初期支護(hù)的鋼支撐和前方未開挖巖土體為支點(diǎn)，在隧道縱向起支撐中部圍巖荷載作用，即在掌子面開挖區(qū)域起承載梁作用。這種承載梁作用在施工掌子面遇到圍巖突變等突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，能有效控制拱頂塌方、冒頂?shù)仁┕わL(fēng)險(xiǎn)。

5）架設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)后，預(yù)支護(hù)拱以支護(hù)結(jié)構(gòu)前、后鋼拱架為支點(diǎn)，在隧道縱向與噴射混凝土共同支撐中部圍巖荷載的作用。