拱盖法施工技术在城市轨道交通大跨度车站的应用研究

石浩男 程波 贾立民

摘 要：为满足城市轨道交通客流量日益增长的需求，特大断面车站因其跨度大、占地少等优点得到广泛应用。因此，在具有特殊岩土组合性质地层的城市，具有更安全、更高效等优点的施工工艺才是特大断面车站的研究方向。文章对城市轨道交通大跨度车站上部拱盖法施工进行论述，着重对开挖过程中的难点及控制重点进行分析，在开挖过程中使用现场监控量测数据指导施工，并对施工过程进行动态风险综合分析。

关键词：城市轨道交通;大跨度车站;拱盖法;施工技术;应用研究

中图分类号：U231+.3

随着国民经济的不断发展和城市人口的快速增加，城市交通拥堵问题越来越凸显，并成为束缚城市经济迅速发展的首要问题。地铁凭借其安全性能好、环境污染少、运载容量大、能耗较低等优点而受到工程师的青睐。明挖法、暗挖法和盖挖法是国内外地铁车站修建的3种主要方法。目前，位于城市繁华地段的车站越来越多，为弱化施工带来的影响，在一些地质条件允许的地方，暗挖法施工因具有结构形式灵活多变、对地面建筑和地下管线影响不大、征地拆迁少等优点而成为主流。在区域性施工经验和理论研究的基础上，大连、重庆等具有岩土组合性质地层的城市，推出了适合于当地的施工工艺，并获得了良好的效益。其中，拱盖法更能合理地利用岩土组合的地层性质，达到增加基底承载面积、提高承载能力、高效施工、节约成本和缩短工期的效果。拱盖法包括3种施工方法：叠合初支拱盖法、二衬拱盖法和初支拱盖法。叠合初支拱盖法和初支拱盖法只是在结构形式上有些微差别，相同点是均采用了初支加强的方法以提高拱盖承载力。

1 车站工程概况及施工工艺

1.1 工程概况

重庆市轨道交通某车站地质纵剖面从上至下依次为第四系素填土、强风化砂岩、中风化砂岩及砂质泥岩。车站基本位于中风化砂岩、砂质泥岩与砂岩互层中。地下水主要为第四系松散层孔隙水、裂隙水。围岩级别为Ⅳ级，地质条件为典型的上软下硬地层，适合拱盖法施工条件。断面开挖宽度为25.7～30.053 m，开挖高度为30.053 m，车站开挖断面面积为675 m2。

1.2 施工工艺

1.2.1 施工总体思路

车站主体开挖按照拱盖法施作。首先施工车站拱盖部分，采用双侧壁导坑法进行，具体分为以下6步。

（1）车站上部左上导坑开挖支护。

（2）车站上部右上导坑开挖支护;其开挖形式、参数同左上导洞，左右上导洞掌子面开挖相互错开10 m。

（3）车站上部左下、右下导坑开挖支护。

（4）中导坑开挖支护。

（5）分段（分段长度以满足一模二衬浇筑为准）拆除断面上部临时支护，并加强施工监控量测。浇筑台车行走轨道支撑C40混凝土临时底板结构，并铺设双层8 mm @200 mm×200 mm钢筋网。

（6）分段施作上部防水层，根据监控量测数据，适时施作上部拱盖二衬结构。拱蓋二衬混凝土采用全液压式定型台车浇筑，按照6 m每模施工，采用有轨定型台架进行防水层铺设及钢筋绑扎工作，二衬与上部中导坑核心土的距离须控制在安全间距范围内。

通过车站施工通道接入车站主体负一层，进行拱盖施工工序转换，采用双侧壁导坑法分别往车站大里程和小里程方向开挖车站上部拱盖，以及附属结构出入口、风道开挖至变形缝位置。拱盖侧导洞开挖支护完成后，需分别在大小里程各拆除40 m核心土（避开风道和出入口范围）作为拱盖衬砌台车组拼装区。

拱盖二衬施工完成后，再进入车站下部施工。

1.2.2 工艺流程

（1）车站施工流程如图1所示。

（2）车站拱盖上下部分层施工顺序断面如图2所示。

车站拱盖部分采用双侧壁导坑法进行开挖，开挖宽度为30.053 m，高度为12.115 m，面积为301.541 m2，要求采用短进尺（单步开挖进尺应根据围岩级别及完整性确定）开挖，及时施作初支和二衬，并要求左右导洞掌子面应相互错开10 m。待左右导洞开挖完成后，中间核心土根据施作二衬需要进行开挖，核心土与二衬工作面保持30 m间距。大拱脚位置开挖轮廓2.5 m范围内为保证大拱脚处围岩的完整性，采用机械开挖、人工配合方式施工，其他区域采用控制爆破，需严格控制爆破振速。导洞开挖完成后，及时进行初期支护及临时支护，并加强施工过程中监控量测，记录、统计、分析监控量测数据，根据监测数据及围岩变化情况，及时调整施工工艺及初支参数。

2 拱盖法开挖过程中的难点及风险控制

2.1 超大断面隧道开挖

车站开挖断面面积属于超大隧道断面。车站隧道施工采用拱盖洞内逆作法，针对该工法，工程的重难点和风险控制描述如下。

（1）大跨度隧道拱部开挖。车站采用拱盖法施工，为满足设置大拱脚需要，车站断面拱部的开挖宽度进一步增加，相应增加了工程风险。为控制工程风险，隧道拱部采用双侧壁导坑法施工，断面按照前文所述的6步进行开挖。以新奥法基本原理为依据，初支采用格栅钢架，挂钢筋网片、喷混凝土柔性支护体系，及时施作，使断面及早闭合，以充分利用围岩的自承载能力，控制围岩变形。

（2）拱脚位置围岩稳定性。车站虽然采用拱盖法施工，但其属于深埋隧道，隧道拱部的围岩非松散体具有良好的自稳能力，拱部施工以新奥法基本原理为依据，施工期间采用围岩和支护联合作用，以围岩为主要的承载体，拱部承载的主要荷载为拱盖自重和少数围岩形变荷载。保证拱脚部位的围岩稳定性是采用拱盖法的重点和难点，主要技术措施有：①如前文所述加强支护，保证隧道侧墙稳定性;②拱脚部位设置纵向托梁（二衬暗梁），不仅能够优化拱脚部位结构防水，而且能够起到变形协调和受力传递作用，使得局部的变形突变或受力集中能够纵深传递，从而保证隧道整体稳定;③拱盖大拱脚部位采用人工开挖。

（3）施工监控量测。通过建立一套信息化施工管理监控量测系统，随时动态掌握围岩支护结构在施工过程中的变化，随偏随纠，及时调整设计参数和施工工艺，保证施工过程安全无误。

2.2 施工对周边环境影响及控制措施

车站为深埋隧道，从隧道与周边环境空间关系上判断，在保证隧道洞室稳定的前提下，隧道施工对周边环境影响小，主要的影响是爆破施工带来的震动。因此，要求在施工中应严格控制爆破振速（不应大于2 cm/s），以便减小施工过程中对地表建筑物的影响，同时要求加强对建筑物的监控量测。

2.3 拱盖法施工控制重点

（1）拱盖法属于一种特殊的地下暗挖法，其理论可完全参照地下工程浅埋暗挖法。在浅埋条件下，以控制地表沉降为重点、改造地质条件为前提、锚喷和格栅等作为初支修建地下工程。设计和施工来自“十八字”原则——管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测。

（2）对地下水采取降水、堵水、排水或其相结合等措施，保证施工时工作面干燥无水，前期遵循双侧壁导坑法的施工原理，做好超前加固措施，严格控制协调开挖与支护，为控制沉降，初支背后应及时补注浆。

（3）要加强对冠梁下侧岩层在主体土石方分层开挖时的保护，当局部地质条件较差时，可采取钢管桩等围护结构及小导管注浆等地层超前加固等措施，确保冠梁下侧岩体的完整性。在施工过程中，要加强爆破控制，采用小药量、短进尺、水压爆破等方式方法，最大限度地降低对掌子面围岩和初支结构的影响。

（4）采取相应措施对前期预留防水卷材进行保护，做好全包防水卷材的预留工作和施工工序衔接，避免在对混凝土进行破除时防水卷材遭到破坏。

（5）加强施工过程中的监控量测，特别是洞内拱顶和地表沉降及侧墙收敛情况。将检测采集到的测量结果与数值模拟的预测数值相比较，以此研判通过预测数值确定的支护参数和施工工艺是否达到预期效果，并以此为依据调整和确定下一步支护参数和施工工艺，以确保周边建筑物、构筑物及道路和管线安全。

3 施工监控量测

监控量测是新奥法施工的重要组成部分，也是地铁钻爆施工中非常重要的工作之一，还是掌握工程施工中围岩动态变化过程的手段，通过对监控数据的回归分析可以预测围岩的最终位移等，进而有效地指导隧道设计与施工。

同时，监控量测是掌握工程施工对周边环境影响程度的重要手段。通过对周边环境布设监测点的检测数据结果分析，在保证周边环境安全的前提下，工程施工前采取相应的加固措施，可为确定和修正初支采用的参数以及二次衬砌混凝土的支护时间提供依据，还可为今后类似的隧道工程设计与施工提供类比资料和依据。通过监控量测可达到以下目的：

（1）将检测采集到的测量结果与数值模拟的预测数值相比较，以此判断通过预测数值确定的支护参数和施工工艺是否达到预期的效果，并以此为依据调整和确定下一步的支护参数和施工工艺，以确保施工安全;

（2）及时将现场监控量测得到的信息、数据反馈给设计单位，以便设计单位根据现场实际情况，调整、修改完善设计内容，使设计更加经济合理、优质安全;

（3）用反分析法对监控量测的数据与数值模拟演算出的理论预测值进行分析计算，使设计更加符合现场实际情况，并为以后的工程建设积累宝贵经验;

（4）通过围岩的变形情况和应力值的变化曲线，验证支护及衬砌是否达到设计的要求，减小地表沉降，以保证周边支护结构稳定及地表建筑和周边管线的安全;

（5）研究围岩和支护结构系统在不同力学状态下的动态情况，通过对监控量测数据及其变化曲线的分析，为判断其是否处于基本稳定状态提供理论依据，方便今后的日常施工管理。

4 结语

拱盖法遵循地下暗挖技术理论，并且汲取柱洞法（PBA）的优点，结合盖挖法、明挖法等理论要点，适用于部分上软下硬的特殊施工环境和地质条件。该工法既有盖挖法有效控制周围土体变形和地表沉降，有利于保护周围建筑物及构筑物等特点，又有不影响上敷交通通行等优点;同时在拱盖成形以后，对下部开挖起到了“掩护”的作用，取得了良好的经济收益和社会效益。

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收稿日期 2020-02-12

责任编辑党选丽