王安東

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一種新拱蓋法
——疊合初支拱蓋法的特點(diǎn)與應(yīng)用

王安東

通過指出 2 種拱蓋法（二襯拱蓋法和初支拱蓋法）的不足，提出了一種新的拱蓋法——疊合初支拱蓋法；然后詳細(xì)闡述了疊合初支拱蓋法的施工工序、關(guān)鍵施工技術(shù)和施工要點(diǎn)，最后通過比較 3 種拱蓋法，明確了疊合初支拱蓋法的優(yōu)缺點(diǎn)。分析表明，疊合初支拱蓋法采用的雙層疊合初支整體受力體系，極大提高了拱蓋的承載能力；其施工技術(shù)關(guān)鍵在于 2 層初支的良好疊合和大拱腳的加固與保護(hù)，以及下斷面邊墻部的爆破控制。疊合初支拱蓋法在很大程度上提高了拱蓋法對(duì)圍巖條件的適應(yīng)能力，施工更加安全，質(zhì)量更有保障，使拱蓋法可在大范圍進(jìn)行推廣應(yīng)用，但在施工進(jìn)度和施工工藝上仍需進(jìn)一步完善、提高。

隧道施工；二襯拱蓋法；初支拱蓋法；疊合初支拱蓋法

0　引言

拱蓋法是在明挖法、蓋挖法和洞樁法（PBA）施工方法基礎(chǔ)上創(chuàng)建的適用于圍巖“上軟下硬”條件的一種暗挖施工方法。其適用范圍一般應(yīng)用于圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)以上、地質(zhì)條件較好的市內(nèi)主要干道和不允許采用蓋挖法或明挖施工的地鐵車站。拱蓋法的核心是通過拱腳將拱蓋上部荷載均勻地傳遞給周邊圍巖，從而充分利用巖石的承載能力。拱腳的穩(wěn)定關(guān)系到整個(gè)拱蓋結(jié)構(gòu)的安全，決定拱腳穩(wěn)定的前提條件是縱梁下圍巖的強(qiáng)度及其承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。目前國內(nèi)地鐵工程中采用的拱蓋法主要有二襯拱蓋法和初支拱蓋法 2 種，在大連、青島、重慶等地鐵建設(shè)中已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)學(xué)者在二襯拱蓋法和初支拱蓋法的施工力學(xué)行為、施工關(guān)鍵技術(shù)及工藝等方面展開了較為深入的研究。如：詳細(xì)介紹拱蓋法的施工工藝及控制重點(diǎn)，通過結(jié)合實(shí)際工程，描述了“拱蓋法”較其他施工工藝的優(yōu)點(diǎn)[1]；結(jié)合某地鐵站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探討地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要計(jì)算與分析過程及其技術(shù)要點(diǎn)[2]；以青島地鐵2座車站為例，對(duì)礦山法大跨度隧道逆作拱蓋法和順作雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行分析[3]；對(duì)土巖復(fù)合地層拱蓋法施工進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬[4]；對(duì)青島地鐵采用拱蓋法施工的隧道進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，通過監(jiān)測(cè)分析，提出一系列控制對(duì)策[5]；針對(duì)“上軟下硬”地層中大跨隧道拱蓋法施工的地層沉降問題，通過數(shù)值計(jì)算，得到拱蓋法不同施工工序下的沉降值，并對(duì)比分析地表沉降監(jiān)測(cè)值[6]；根據(jù)大連地鐵中山廣場(chǎng)站的設(shè)計(jì)施工情況，闡述拱蓋法的核心思想及其優(yōu)缺點(diǎn)[7]；結(jié)合青島地鐵 3 號(hào)線一期工程暗挖車站建設(shè)，分析淺埋暗挖法在青島地區(qū)土巖組合地層中應(yīng)用存在的關(guān)鍵問題[8]；利用大尺寸模型試驗(yàn)，研究拱蓋法隧道開挖過程中地表的發(fā)展模式和圍巖受力情況[9]；以大連地鐵 2 號(hào)線興工街站隧道工程為背景，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，分析雙層支護(hù)的組合形式及支護(hù)的剛度對(duì)圍巖壓力及隧道上覆地層沉降的影響[10]。

雖然以上拱蓋法研究取得了較為豐富的成果，但是我國巖質(zhì)（或巖土組合）地區(qū)的地質(zhì)情況差異較大，拱蓋法在推廣應(yīng)用中，需結(jié)合不同城市的巖質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展、完善。由此，疊合初支拱蓋法應(yīng)運(yùn)而生。本文在介紹二襯拱蓋法和初支拱蓋法的基礎(chǔ)上，引入了疊合初支拱蓋法，然后詳細(xì)闡述其施工工序、要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)，并將 3 種拱蓋法進(jìn)行詳細(xì)比較，以期豐富拱蓋法的內(nèi)涵和種類，拓展拱蓋法的應(yīng)用范圍。

1　二襯拱蓋法

二襯拱蓋法又稱為先拱后墻法，即先開挖拱部斷面并及時(shí)澆筑頂拱，以支護(hù)頂部圍巖，然后在頂拱保護(hù)下開挖下部斷面和砌筑邊墻。該施工方法處理拱、墻結(jié)合部位處施工縫滲漏水時(shí)難度較大，重慶軌道交通工程部分地下車站已應(yīng)用。主要施工工序如下。

（1）施做超前支護(hù)，分步開挖上斷面左右側(cè)巖體，并架立格柵鋼架及臨時(shí)支撐。

（2）開挖上斷面中部巖體，并架立格柵拱架及時(shí)施工臨時(shí)支護(hù)。

（3）分段拆除臨時(shí)支撐，施工拱部防水層及模筑二次襯砌，預(yù)埋邊墻鋼筋接駁器。

（4）采用控制爆破技術(shù)，按序開挖下半斷面并及時(shí)施工初期支護(hù)。

（5）施工邊墻防水層及模筑二次襯砌。

（6）施工車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝修。

二襯拱蓋法施工工序具體見圖 1。

圖1　二襯拱蓋法施工工序圖

2　初支拱蓋法

初支拱蓋法，又可以稱為雙層初支拱蓋法，即先開挖上臺(tái)階兩側(cè)導(dǎo)洞與中導(dǎo)洞，然后施做拱部第 2 層初支，第 2 層初支充當(dāng)臨時(shí)二襯，以加大拱蓋的整體強(qiáng)度。該施工方法具有拱蓋強(qiáng)度偏低等缺點(diǎn)，在大連、廈門等地鐵或市政工程已有一定應(yīng)用。其主要施工工序如下。

（1）拱部側(cè)導(dǎo)洞及冠梁施工。開挖拱部側(cè)導(dǎo)洞 1、2并施做初期支護(hù)，在拱部導(dǎo)洞外側(cè)打設(shè)砂漿錨桿與鎖腳錨桿加固大拱腳處圍巖，兩導(dǎo)洞貫通后施做冠梁。

（2）拱部初支扣拱施工。開挖拱部中上導(dǎo)洞 3 并施做車站拱頂?shù)?1 層初支扣拱，采用素混凝土回填拱部側(cè)導(dǎo)洞 1、2 空余部分，然后施做拱部第 2 層初期支護(hù)。

（3）拱部中下導(dǎo)洞及車站下部中槽開挖。開挖拱部中下導(dǎo)洞后，拆除臨時(shí)支撐，在車站下部中央逐層放槽開挖。

（4）車站下部兩側(cè)土方開挖及邊墻支護(hù)施工。分層開挖車站下部兩側(cè)土方，邊開挖邊施作側(cè)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)冠梁下巖層的穩(wěn)定性。

（5）車站主體二襯施工。施做車站底板二襯混凝土及部分邊墻混凝土，然后施做主體側(cè)墻二襯混凝土及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最后分段施做拱頂二襯混凝土結(jié)構(gòu)，完成車站主體施工。

（6）施工車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝修。

疊合初支拱蓋法施工工序具體見圖 2。

3　疊合初支拱蓋法

3.1產(chǎn)生背景

在拱蓋法的實(shí)踐運(yùn)用時(shí)，也暴露了該方法施工與設(shè)計(jì)的部分不足之處。二襯拱蓋法一般應(yīng)用在拱部圍巖條件較好、拱腳強(qiáng)度較高、地下水貧瘠的地鐵車站。在實(shí)際工程中，利用二次襯砌的拱蓋作為下部開挖的主要掩護(hù)體，下部開挖的爆破震動(dòng)對(duì)大拱腳以及拱蓋本身都有較大的影響，常常引起二襯拱蓋的開裂、位移，甚至拱腳不穩(wěn)定而導(dǎo)致的掉拱；與此同時(shí)，車站二次結(jié)構(gòu)難以采用模板臺(tái)車一次成型，車站全包防水層分部施做，施工質(zhì)量和防水質(zhì)量都大打折扣，容易引起遠(yuǎn)期結(jié)構(gòu)的滲漏和開裂。因此，二襯拱蓋法在使用過程中應(yīng)充分考慮上覆圍巖和地下水對(duì)永久二襯拱蓋的影響，確保二襯的完好以及拱腳的穩(wěn)定。

圖2　初支拱蓋法施工工序圖

與此同時(shí)，初支拱蓋法已在復(fù)雜地質(zhì)或地面沉降控制要求較高的工程中得到了較多的運(yùn)用。該施工方法一般是采用了雙層初支甚至 3 層初支拱架結(jié)構(gòu)的形式，以達(dá)到加強(qiáng)拱部強(qiáng)度或剛度的效果，能有效地控制拱部上方土體的沉降和變形。在 Ⅳ 級(jí)圍巖條件及其以上的地質(zhì)條件下的深埋大斷面暗挖隧道運(yùn)用初支拱蓋法可以簡化開挖布序，完成初支拱蓋后即可按臺(tái)階法進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)施工。初支拱蓋法通過臨時(shí)結(jié)構(gòu)代替了二襯拱蓋，大大方便了地下車站的開挖和施工進(jìn)度，較好地保證了二襯和防水施工質(zhì)量。但是在拱部圍巖較薄或上軟下硬的地質(zhì)條件下，大斷面暗挖車站往往判別為淺埋或超淺埋隧道，上部荷載較大，僅靠增加設(shè)置拱部初支結(jié)構(gòu)還難以達(dá)到結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算的需求，尤其是對(duì)加強(qiáng)初支和拱腳的強(qiáng)度要求極高。

近年在重慶、大連、廈門、青島等城市地鐵建設(shè)工程中，在難以采用明挖法施工的地下車站，常常遇到拱部圍巖較薄或上軟下硬的情形，傳統(tǒng)的二襯拱蓋法和初支拱蓋法都難以完全適應(yīng)其施工安全和進(jìn)度要求。通過相關(guān)設(shè)計(jì)和施工單位的研究，誕生了一種新的拱蓋法——疊合初支拱蓋法。該施工方法在拱部設(shè)置了雙層疊合初支支護(hù)拱蓋，在初支拱蓋的掩護(hù)下施做隧洞下部；隧洞下部為中、微風(fēng)化巖石，可以采用類似于明挖巖石基坑的方法開挖支護(hù)即可，即分層爆破開挖，側(cè)壁及時(shí)噴錨支護(hù)或錨桿（索）擋墻支護(hù)直至開挖完畢；隧洞二襯襯砌自下而上順筑施工，可確保防水和主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。其核心優(yōu)勢(shì)在于第 2 層疊合加強(qiáng)初支的設(shè)置，它通常以模筑混凝土形式與第 1 層初支結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊合承載，大大提高了拱蓋的安全度，克服了傳統(tǒng)二襯拱蓋法和初支拱蓋法的諸多弊病，其適應(yīng)性涵蓋了既有拱蓋法，尤其是在上軟下硬的地質(zhì)條件下的淺埋暗挖車站的工程中，優(yōu)勢(shì)明顯。

3.2施工工序

疊合初支拱蓋法主要施工工序如下。

（1）拱部分左、右兩部分施工，中間設(shè)置臨時(shí)隔墻，施做拱部第1層初期支護(hù)。

（2）拱部開挖完成后，短循環(huán)施做第 2 層加強(qiáng)初期支護(hù)，2 層初支間采用鋼筋連接，加強(qiáng)初期支護(hù)采用大拱腳形式。

（3）待拱蓋形成后逐步拆除中隔壁，在雙層疊合初支拱蓋的保護(hù)下，使用拉槽臺(tái)階法開下部中央土體。

（4）分層開挖車站下部兩側(cè)土方，邊開挖邊施作側(cè)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（5）自下而上順筑車站二襯結(jié)構(gòu)。

（6）施工車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝修。

疊合初支拱蓋法施工工序具體見圖 3。

3.3關(guān)鍵施工技術(shù)

3.3.1疊合初支施工

第 1 層初支應(yīng)嚴(yán)格按照“新奧法”理論，采取“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤測(cè)量”的施工方法，每導(dǎo)坑循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于 2 榀拱架。為保證超前小導(dǎo)管打設(shè)角度，采用在拱架上按設(shè)計(jì)間距割孔的方式，小導(dǎo)管從拱架割孔的位置安裝，尾部與拱架焊接牢固。

若車站主體圍巖完整性較好，自穩(wěn)能力強(qiáng)，為保證施工機(jī)械操作空間，左、右導(dǎo)坑 1、2 部可合并采用全斷面的開挖方法，3、5 部采用微臺(tái)階開挖，6、7 部待拆除臨時(shí)豎撐后再進(jìn)行開挖。但是，開挖時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)的周邊眼間距、打設(shè)角度和裝藥量，控制開挖成型質(zhì)量，盡量減少對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)，支護(hù)完成及時(shí)封閉。

圖3　疊合初支拱蓋法施工工序圖

第 2 層初支（加強(qiáng)初支）應(yīng)按照“縱梁澆筑→拱蓋左部混凝土澆筑→拱蓋右部混凝土澆筑→拱蓋中部混凝土澆筑”的順序施工。縱梁鋼筋綁扎后在頂部預(yù)埋連接鋼板，由于拱蓋左、右部拱架施工時(shí)，中部未開挖完成，故在主體豎向支撐上設(shè)置臨時(shí)工字鋼橫梁，防止拱架移位和變形，待中部施工完成并封閉成環(huán)后予以拆除，為防止爆模，拱蓋左、右部均分成 2 次進(jìn)行澆筑。

車站主體 5 部作為開挖 3 部和噴射拱蓋IV部混凝土的操作平臺(tái)，必須在拱部結(jié)構(gòu)施工完成后開挖，施工時(shí)先拆除半邊豎撐，開挖完5部土體后再拆除另一側(cè)豎撐。

為保證 2 層初支連成整體，在第 1 層初支內(nèi)預(yù)埋連接鋼筋，并與其拱架焊接，錨入初支內(nèi)長度不小于30 cm，預(yù)留長度不小于 35 cm。待第 2 層初支澆筑完成后，2 層初支將形成整體受力結(jié)構(gòu)，降低掉拱風(fēng)險(xiǎn)，保證下斷面施工安全。初期支護(hù)與疊合拱蓋連接見圖 4，圖中 a 為疊合拱蓋厚度。

圖4　疊合初支施工示意圖（單位：mm）

3.3.2大拱腳施工

車站主體拱蓋拱腳落在大尺寸的鋼筋混凝土縱梁之上，故保證大拱腳下圍巖穩(wěn)定是拱蓋法成功與否的關(guān)鍵。為保證縱梁下地基有足夠的承載能力，采用錨管和中空錨桿對(duì)大拱腳下圍巖進(jìn)行注漿加固，加固后的圍巖需達(dá)到中風(fēng)化巖層強(qiáng)度。大拱腳加強(qiáng)施工示意圖見圖 5。

圖5　大拱腳施工示意圖

3.3.3邊墻部爆破施工

邊墻部落底施工時(shí)，6、7 部的開挖成型對(duì)拱蓋的穩(wěn)定起至關(guān)重要的作用，所以，必須通過控制爆破震動(dòng)來減少超挖和對(duì)拱腳圍巖的破壞。施工時(shí)采用分臺(tái)階微差減震控制爆破，縱梁下邊墻 2.5 m 范圍內(nèi)采用松動(dòng)爆破。為減小一次爆破影響范圍，以設(shè)計(jì)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)波速度為 1.5 cm/s 作為控制標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算各部分所需的單段用藥量，并進(jìn)行試爆，取得合理的爆破參數(shù)。同時(shí)采取分步爆破，即先開挖 6 部中槽以創(chuàng)造多臨空面條件，每部分多段起爆，控制爆破規(guī)模和循環(huán)進(jìn)尺，以達(dá)到控制質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度的目的，并且在臨近邊墻周邊眼間距均設(shè)密排減震空眼，減少爆破對(duì)圍巖和結(jié)構(gòu)的影響。邊墻部爆破施工示意圖見圖 6。

圖6　邊墻部爆破施工示意圖

3.4施工要點(diǎn)

作為一種新的施工方法，疊合初支拱蓋法的施工要點(diǎn)除了與原有拱蓋法類似的地方，也有自身特殊的要求，具體如下。

（1）疊合初支拱蓋法對(duì)拱腳差異沉降及延車站縱向拱腳變形極為敏感，施工中必須嚴(yán)格控制；下部臺(tái)階法開挖的時(shí)候應(yīng)根據(jù)圍巖情況選擇合理可靠的邊墻支護(hù)系統(tǒng)，避免對(duì)拱腳造成差異沉降。

（2）嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的 18 字方針施工，第 2 層加強(qiáng)初支未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前不得進(jìn)行下部開挖。

（3）由于疊合初支拱蓋法為較新施工工藝，對(duì)施工單位的水平要求較高。

（4）施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)拱蓋結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測(cè)，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整支護(hù)措施。

（5）加強(qiáng)初支施工是該方法施工重難點(diǎn)，難以采用模板臺(tái)車整體澆筑，一般采用支架模筑，因此，拱蓋施工還需進(jìn)一步研究方便高效的施工方式。

4　3種拱蓋法比較

針對(duì)以上 3 種拱蓋法，從施工方法的特點(diǎn)、適用范圍、工程進(jìn)度、造價(jià)等方面進(jìn)行比較，見表 1。

由表 1 可知，與常見的二襯拱蓋法和初支拱蓋法相比，疊合初支拱蓋法更能適應(yīng)較差的圍巖條件，達(dá)到更好的主體結(jié)構(gòu)及防水施工質(zhì)量，拱蓋受后續(xù)施工影響更小，不足之處在于其多 1 道加強(qiáng)初支，也引起施工進(jìn)度相比起來稍慢，施工工藝還不夠成熟。

5　結(jié)論

通過對(duì)疊合初支拱蓋法施工工序、關(guān)鍵施工技術(shù)和施工要點(diǎn)的闡述，以及 3 種拱蓋法的比較，得到以下結(jié)論。

（1）疊合初支拱蓋法采用模筑鋼筋混凝土作為第2 層初支（加強(qiáng)初支），并利用錨固鋼筋與第 1 層初支進(jìn)行疊合，形成整體受力體系，從而大大提高了拱蓋的承載能力，這是在初支拱蓋法基礎(chǔ)上的一大進(jìn)步。

（2）疊合初支拱蓋法的施工關(guān)鍵在于 2 層初支的良好疊合和大拱腳的加固與保護(hù)，而下斷面邊墻部的爆破控制也應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。

（3）疊合初支拱蓋法在很大程度上提高了拱蓋法對(duì)圍巖條件的適應(yīng)能力，施工更加安全，質(zhì)量更有保障，使拱蓋法可在大范圍進(jìn)行推廣應(yīng)用。

作為一種新的施工方法，疊合初支拱蓋法在施工進(jìn)度和施工工藝上仍需進(jìn)一步完善、提高。

表1　3種拱蓋法比較

[1] 賈貴寶. 拱蓋法在地鐵車站施工中的應(yīng)用[J]. 合作經(jīng)濟(jì)與科技，2011（12）：126-127.

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[3] 華福才，雷剛，鄭廣亮. 硬巖地區(qū)大跨度礦山法地鐵隧道的沉降分析研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49（增刊）：68-74.

[4] 吳學(xué)鋒. 土巖復(fù)合地層拱蓋法施工三維有限元數(shù)值模擬[J]. 城市軌道交通研究，2012（8）：135-138.

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[9] 楊忠年，紀(jì)召啟，劉泉維. 拱蓋法隧道圍巖穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51（5）：85-91.

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Characteristics and Application of Laminated Primary Support Arch-Cover Method

Wang Andong

By pointing out shortcomings of 2 archcover methods (secondary lining arch cover method and primary support arch cover method), the paper puts forward a new method —— laminated primary support arch cover method. It also discusses the laminated primary support arch cover method including the construction process, key construction technology and key points of construction. Finally, through the comparison of 3 arch cover methods, it clearly defines advantages and disadvantages of the laminated primary support arch cover method. Analysis shows that double layered primary overall support force system greatly improves the bearing capacity of the arch cover. The key construction techniques in the double layered primary support have a good overlap and the protection and reinforcement of large arch foot, and also good blasting control of the lower section side wall. However it still needs to have a further improvement in the construction progress and process.

tunnel construction, secondary lining arch cover method, primary support arch cover method, secondary primary support arch cover method

U455

王安東：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，四川成都 610031

2015-11-16責(zé)任編輯 冒一平