李儲(chǔ)軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安　710043)

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地鐵單拱大跨暗挖車站拱墻開洞接口處理技術(shù)

李儲(chǔ)軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安710043)

摘要：基于重慶地鐵暗挖車站單拱大跨的特點(diǎn),車站主體隧道在其拱墻部位開附屬洞門時(shí),勢必會(huì)在主體與附屬接口拱部形成臨空面,尤其是大斷面附屬接口形成的長大臨空面存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)；為有效降低隧道拱墻開洞的施工風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)“隨挖隨支、鋼架步步封閉”的施工原則,結(jié)合工程實(shí)際提出傾斜二維鋼架接口支撐體系,詳細(xì)介紹大跨拱墻開洞時(shí)支撐鋼架步步封閉的分段拼裝施工工序,并通過對(duì)現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,驗(yàn)證該技術(shù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：地鐵；單拱大跨；拱墻開洞；傾斜二維鋼架；分段拼裝

隨著城鎮(zhèn)人口不斷增加，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市交通擁擠的矛盾越來越突出。地鐵作為現(xiàn)代化城市中的綠色交通，以其安全、迅捷、容量大、能耗低、污染少等優(yōu)點(diǎn)受到青睞[1]。作為西部中心城市的重慶，地鐵的建設(shè)也如火如荼地進(jìn)行。

在重慶特有的巖石地層中已經(jīng)成功實(shí)施了單拱大跨淺埋暗挖車站的開挖[2-4]。車站作為一個(gè)功能整體，必然與附屬通道形成接口[5]；隧道直墻開洞的接口處理技術(shù)在各個(gè)城市的地鐵施工中大量存在，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而車站大跨斷面拱墻開附屬洞門仍然存在著受力復(fù)雜、接口處理難、安全風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)[6]，引起了地下結(jié)構(gòu)工程界的廣泛關(guān)注。以重慶地鐵某暗挖車站為例,對(duì)單拱大跨車站拱墻開洞的接口處理技術(shù)進(jìn)行分析與探討。

1工程概況

以重慶地鐵6號(hào)線一期的一個(gè)典型車站為例，該車站總長173 m，為地下雙層島式車站，采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面。車站頂部覆土厚14.5～17.4 m，采用礦山法施工，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，車站主體最大開挖斷面寬22.762 m，高18.68 m，屬于特大斷面暗挖隧道，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。本車站設(shè)2組風(fēng)亭和3個(gè)出入口。車站標(biāo)準(zhǔn)斷面支護(hù)參數(shù)詳見表1。

表1　標(biāo)準(zhǔn)斷面支護(hù)參數(shù)

2地質(zhì)概況

場地分布的地層為第四系全新統(tǒng)及侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組地層，巖層傾角一般為5°～6°，傾向南東。出露的地層由上而下依次可分為第四系全新統(tǒng)(Q4)素填土、粉質(zhì)黏土和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)砂巖、泥質(zhì)砂巖組成。

車站原始地貌屬淺丘地貌，無統(tǒng)一地下水位。局部地下水主要為松散層孔隙水以及基巖裂隙水，地下水主要受大氣降水及城市給排水管網(wǎng)滲漏水補(bǔ)給?？紫端谔钔梁穸刃〉牡囟嗡坑邢?，填土厚度較大段水量相對(duì)較大，而且隨季節(jié)有所變化。裂隙水水量中等，主要受大氣降水補(bǔ)給，水量較穩(wěn)定。場地地下水主要以潛水形式存在。

3安全風(fēng)險(xiǎn)及需要解決的問題

重慶地鐵暗挖車站單拱大跨的特點(diǎn)，導(dǎo)致車站主體隧道開附屬洞口時(shí)，會(huì)在接口部位拱部形成一個(gè)臨空面；而且附屬斷面愈大，臨空面跨度愈大，附屬斷面愈高，臨空面長度愈長。

以典型的雙層風(fēng)道接口為例：風(fēng)道斷面開挖跨度最大達(dá)15.06 m，高度14.10 m，開挖面積達(dá)191.35 m2；與車站接口處拱部開挖臨空面長達(dá)4.5 m，甚至更長(圖1)。

圖1　車站與雙層風(fēng)道接口剖面示意(單位：mm)

施工中該接口處受力轉(zhuǎn)換頻繁，拱部圍巖經(jīng)歷多次擾動(dòng)，穩(wěn)定性下降；且接口開挖需割斷主體鋼架，致使主體拱部圍巖應(yīng)力重分布；若不能在開挖過程中實(shí)現(xiàn)鋼架步步封閉，最終形成穩(wěn)定的支撐體系，共同承擔(dān)拱部圍巖荷載，將面臨極大的施工風(fēng)險(xiǎn)。在軟弱圍巖及圍巖較為破碎地層，斷面鋼架的及時(shí)閉合是施工安全的關(guān)鍵，許多工程實(shí)踐都證實(shí)了這一點(diǎn)[7-12]。

車站主體拱墻開洞的接口處理需要解決的兩個(gè)問題。

(1)若要實(shí)現(xiàn)車站主體被截?cái)噤摷芘c附屬風(fēng)道鋼架最有效的連接，需要制作一榀三維空間曲線鋼架，該鋼架在主體斷面平面與主體拱形吻合，但如此復(fù)雜的鋼架實(shí)際加工難度之大可想而知，在難以保證施工精度的情況下很容易侵入二襯限界，且該鋼架在承擔(dān)車站主體鋼架傳遞的軸向力和接口部位拱頂圍巖豎向壓力方面受力并不理想。因此，就需要在保證主體截?cái)噤摷芘c風(fēng)道接口鋼架的有效連接和確保接口鋼架易于加工、定位、受力合理兩者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

(2)風(fēng)道開挖面積較大，接口段拱部臨空面最長處達(dá)4.5 m，截?cái)嘀黧w鋼架后，一次性開挖到位風(fēng)險(xiǎn)極大，須縮短循環(huán)進(jìn)尺，穩(wěn)扎穩(wěn)打，隨挖隨支，鋼架步步封閉，超前支護(hù)也必須與鋼架連接形成梁式支護(hù)體系，方能保證施工安全，將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

4接口處理技術(shù)及開洞施工工序

針對(duì)問題(1)，設(shè)計(jì)上考慮在主體斷面平面，將原有的風(fēng)道斷面鋼架在起拱線以上以不同的角度傾斜(傾斜的角度根據(jù)開挖進(jìn)尺及步序確定；傾斜后的風(fēng)道拱部鋼架在單方向被拉伸，其拱部斷面加工形狀也由圓形變?yōu)闄E圓)，接口拱部鋼架仍是二維平面的，便于加工定位，接口斷面鋼架之間通過短的水平鋼架及水平連接筋相連，水平鋼架兩端設(shè)鎖腳錨桿，深層加固拱頂圍巖，并將水平鋼架與拱部圍巖錨固在一起(圖2)；此外，為保證分步開挖時(shí)接口處拱頂穩(wěn)定，每榀斜鋼架均設(shè)置有雙肢臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐之間通過臨時(shí)橫撐連接，以增強(qiáng)支撐剛度，如圖3所示。

圖2　接口支護(hù)剖面示意(單位：mm)

圖3　接口鋼架斷面示意(單位：mm)

通過二維地層結(jié)構(gòu)模型提取出的鋼架內(nèi)力圖及現(xiàn)場的鋼架應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，車站鋼架拱肩部位受力形式為小偏心受壓，軸力起主導(dǎo)作用。因此，在接口部位沿車站主體鋼架軸向傾斜設(shè)置的1號(hào)斜斷面接口鋼架，能很好地將主體鋼架的軸向力向下傳遞，水平分力通過水平連接鋼架傳至風(fēng)道掌子面，豎向分力通過其他斜斷面鋼架傳遞至下方直立鋼架及臨時(shí)支撐；接口處拱頂圍巖豎向壓力由臨時(shí)支撐及接口斷面鋼架共同承擔(dān)。

如此，接口鋼架與車站主體鋼架在空間上形成了穩(wěn)定的桁架支護(hù)體系，共同抵抗接口處長臨空面的復(fù)雜受力，確保接口部的拱頂穩(wěn)定。

大概所奏的曲子是《梅花三弄》，也不知道接連的彈過了多少圈，看大家的意思都不想要停下來。不過到了后來，實(shí)在是氣力沒有了，找不著拍子的找不著拍子，跟不上調(diào)的跟不上調(diào)，于是在大笑之中，大家停下來了。

針對(duì)問題(2)，需對(duì)交叉口部的施工工序做詳細(xì)說明：為便于開挖及操作，在主體上側(cè)壁導(dǎo)坑貫通后，就需要先行將主體與風(fēng)道接口的上半斷面開挖及初期支護(hù)完成，此時(shí)主體核心土尚未解除，能有效地限制主體拱頂下沉，也為接口部的施工安全增加了一道保障；隨著主體下導(dǎo)坑的開挖，逐段接長臨時(shí)支撐并落底，下導(dǎo)坑貫通后、主體核心土解除之前，開挖接口下半斷面巖體并將鋼架及初支接長落底(圖3)；根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測，確定交叉口部拱頂沉降穩(wěn)定或基本穩(wěn)定后方可拆除臨時(shí)支撐，及時(shí)施做該處車站主體及接口部二次襯砌。

車站與雙層風(fēng)道接口上半斷面開挖及鋼架安裝具體施工工序如下。

(1)沿風(fēng)道與主體接口的拱部初支交線外側(cè)打設(shè)超前小導(dǎo)管，并注漿加固拱部巖體；之后再沿交線外側(cè)打設(shè)主體需截?cái)噤摷艿逆i腳錨桿，破開接口處車站主體初支噴混，將主體需截?cái)嗟匿摷芘c鎖腳錨桿焊接后，截?cái)嘟涌谔幹黧w鋼架。沿風(fēng)道縱向開挖接口拱部巖體，雖然接口部初始段每延米開挖量較小，但開挖進(jìn)尺仍不宜過大。

開挖適當(dāng)進(jìn)尺后，架立1、2號(hào)斜鋼架的拱部鋼架及臨時(shí)支撐，每片鋼架下端通過鎖腳錨桿與圍巖錨固；將車站主體截?cái)嗟匿摷苤苯优c1號(hào)斜鋼架焊接，1、2號(hào)斜鋼架之間通過水平鋼架及連接筋有效連接，鋼架與臨時(shí)支撐共同作用形成穩(wěn)定的臨時(shí)支護(hù)體系(圖4(a))。

(2)繼續(xù)向前開挖，接口部位每延米開挖量增大，開挖進(jìn)尺應(yīng)適當(dāng)縮短，開挖到位后架立3號(hào)斜斷面鋼架的拱部鋼架及相應(yīng)的臨時(shí)支撐，向下接長1、2號(hào)斜鋼架，并將1號(hào)斜鋼架端部與2號(hào)斜鋼架相接，每片鋼架下端均通過鎖腳錨桿與圍巖錨固；將車站主體新截?cái)嗟匿摷芘c新架立的1號(hào)斜斷面鋼架通過水平鋼架連接，將2號(hào)斜斷面鋼架與1號(hào)斜斷面鋼架通過水平鋼架及水平連接筋相連(圖4(b))。

圖4　車站與風(fēng)道接口上半斷面施工工序剖面示意(單位：mm)

(3)接口部逐漸過渡到風(fēng)道正常段，每延米開挖量也隨之增大，相應(yīng)的開挖進(jìn)尺應(yīng)適當(dāng)縮短，并恢復(fù)風(fēng)道分步開挖工法(CRD法)；接口部開挖完成后仍需向前開挖適當(dāng)距離，及時(shí)連立兩榀直斷面鋼架(風(fēng)道標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼架)，并將2號(hào)斜斷面鋼架拱部以下接直鋼架落底，將3號(hào)斜斷面鋼架與第一榀直鋼架相連，各斷面鋼架之間通過水平鋼架及水平連接筋有效連接形成完整的支護(hù)體系(圖4(c))。

5施工現(xiàn)場監(jiān)測信息反饋

施工期間監(jiān)測項(xiàng)目的控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

(2)拱頂下沉控制值為(0.06%～0.09%)H=(11.63～17.44)mm(H為隧道開挖高度，取19.38 m)[10]；為安全起見，控制值均取小值。DK27+380車站拱頂下沉變化曲線見圖5。

圖5　DK27+380車站拱頂下沉變化曲線

6結(jié)論

目前，該車站已竣工并開通運(yùn)營。從現(xiàn)場反饋的信息及提供的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，施工過程中洞室整體是安全的，監(jiān)測的各項(xiàng)數(shù)值均在允許范圍以內(nèi)，且數(shù)值較?。痪C合分析后得出以下結(jié)論。

(1)接口部位采用傾斜的二維弧形鋼架不僅具有便于加工定位的特點(diǎn)，還能有效傳遞車站主體拱部荷載，與主體鋼架形成完整的支撐體系。

(2)傾斜二維鋼架分段拼裝，并與拱部鎖腳錨桿、跨中臨時(shí)支撐相結(jié)合，能有效縮短開挖進(jìn)尺，實(shí)現(xiàn)鋼架步步封閉，具有很強(qiáng)的可操作行，能有效降低拱墻開洞的施工風(fēng)險(xiǎn)、確保洞室整體穩(wěn)定。

當(dāng)然，在實(shí)際的設(shè)計(jì)和施工過程中，還應(yīng)針對(duì)不同地質(zhì)情況適當(dāng)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理；對(duì)于單拱大跨形式的暗挖車站拱墻開洞，傾斜二維鋼架分段拼裝的接口處理技術(shù)具有廣泛的參考價(jià)值。

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Interface Processing of the Opening in the Wall of Large-span Single Arch of Metro station LI Chu-jun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd, Xi’an 710043, China)

Abstract：Due to the characteristics of large span single arch of Chongqing metro station where subsidiary portal is made in the arch wall of station main tunnel, a free face is created in the main body and the arch of the subsidiary interface, and the large free face formed by the large section subsidiary interface poses high construction risk. To effectively reduce the construction risk of tunnel arch wall opening and prepare steel frame supporting immediate after excavation, this paper proposes the tilted two-dimensional steel arch frame supporting system based on engineering practices and introduces segmental construction process with supporting steel frame put in place with the progress of the opening. In addition, the reliability of the technology is verified by the analysis of field construction monitoring data.

Key words：Metro; Large span single arch; Arch wall opening; Tilted two-dimensional steel arch frame; Segmental assembly

中圖分類號(hào)：U231+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.025

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0111-04

作者簡介：李儲(chǔ)軍(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：leecj521@qq.com。

收稿日期：2014-07-22； 修回日期：2014-09-03