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大跨度地铁车站初支拱盖法支护参数研究
作者：郭小红 姚再峰 杨春英
来源：《现代城市轨道交通》2019年第05期
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摘 要：以重庆某地铁项目采用初支拱盖法进行暗挖车站施工为背景，通过对初支拱盖法的荷载确定方法、支护结构承载能力计算方法，以及拱盖法的安全评价方法等进行分析研究，结果表明：当地铁车站处于深埋状态时，岩土压力偏低且可控，可采用30 ～ 35 cm 厚的单层初支拱盖;当地铁车站处于浅埋状态时，岩土压力偏大，宜采用40 ～ 50 cm 厚的单层初支拱盖;拱盖法应关注拱盖基础的稳定，不仅要采用锚杆甚至锚索等可靠的加固措施，而且局部应采用人工或机械切割等方法开挖，以减少对基础岩体的损伤与破坏。
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关键词：地铁车站;大跨度隧道;初支拱盖法;支护设计 中图分类号：U231.4 0 引言
山地地区的地铁一般基岩分布较浅，部分地铁车站处于岩石地层中，大跨度暗挖地铁车站多采用拱盖法施工。拱盖法是在明挖法、盖挖法和PBA （洞桩法）等工法基础上创建的适用于特殊地层的一种暗挖施工方法，如图1。拱盖法一般可以分为二衬拱盖法与初支拱盖法2种。二衬拱盖法即在上半断面开挖过程中将二次衬砌与初期支护一并施工完成，优点是安全有保证，缺点是拱盖基础处需向外扩挖较多，拱盖施工工序多，施工效率低，拱脚稳定及防水处理困难，一般用于上部覆土压力较大但拱盖基础地质条件尚可的地段;初支拱盖法即在上半断面施工过程中仅施作初期支护，二次衬砌待全断面开挖完成后施作，其优点是施工效率高，二次衬砌施工质量有保证，防水可靠，缺点是初期支护的稳定性需认真分析，以确保施工安全。初支拱盖法先期仅施作拱部初期支护，拱腰设大拱脚以控制拱盖下沉变形，待全断面初期支护施作完成后再全断面一次性施作二次衬砌，因此，二次衬砌质量及防水的可靠性更高。初支拱盖法又可分为双层初支拱盖法与单层初支拱盖法。
目前，拱盖法已在国内多座城市的暗挖大跨度地铁车站施工中成功应用，很多学者对拱盖法施工方法、工艺以及变形破坏机理等方面进行了深入研究，但对其支护结构设计理论与分析计算方法的研究还比较欠缺。 1 地铁车站荷载计算
目前，地铁车站支护结构的设计土压力荷载一般参照TB 10003-2016 《铁路隧道设计规范》的经验公式进行计算，但是该公式有明确应用条件：采用钻爆法开挖的隧道，高跨比 重庆某地铁项目的12座暗挖车站均处于砂岩及砂质泥岩互层的地层中，埋置深度20～90 m不等，地下水不发育。砂岩天然抗压强度为28～35 MPa，饱和抗压强度为20～25 MPa，砂质泥岩天然抗压强度为 12～15 MPa，饱和抗压强度为7.5～10 MPa，完整系数均为0.71～0.76。
根据工程岩体质量分级标准，当地下水不发育、围岩处于干燥状态时，围岩质量指标BQ可取：砂岩350～380，砂质泥岩290～300;当有地下水活动、围岩处于潮湿状态时，围岩质量指标BQ可取：砂岩320～350，砂质泥岩280～290;当有地下水活动、围岩出现滴水时，围岩质量指标BQ可取：砂岩300～330，砂质泥岩260～280。这些围岩分级均可达到Ⅳ级。 针对处于Ⅳ级围岩地层中的典型地铁车站（开挖跨度23 m，开挖高度19 m），按式（1）、式（2）分别对作用在支护结构之上的岩土压力荷载进行计算。表1给出了围岩质量指标BQ值取250～350时，车站深埋状态时的岩土压力。表2给出了Ⅳ级围岩（围岩质量指标BQ值取250～350）时，车站埋深（覆盖层厚度）与岩土压力的关系，表2分析如下。
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（1）当地质条件偏差（BQ值取250～275）时，最大岩土压力达558.9～4 kPa。BQ值取250时，车站覆盖层厚度达到65 m以后，巖土压力达到车站深埋状态时的岩土压力;BQ值取275时，车站覆盖层厚度达到60 m以后，岩土压力达到车站深埋状态时的岩土压力。 （2）当地质条件中等（BQ值取300）时，最大岩土压力为455.4 kPa，车站覆盖层厚度达到50 m以后，岩土压力达到车站深埋状态时的岩土压力。
（3）当地质条件偏好（BQ值取325～350）时，最大岩土压力为315.1～388.7 kPa。BQ值取325时，车站覆盖层厚度达到45 m以后，岩土压力达到车站深埋状态时的岩土压力;BQ值取350时，车站覆盖层厚度达到35 m以后，岩土压力达到车站深埋状态时的岩土压力。 2 车站支护结构承载能力计算
对处于浅埋软弱围岩地段的大跨度暗挖地铁车站，支护结构对围岩的支撑作用比较明显，因此，一般应采用荷载-结构模型，应用弹性地基梁有限元程序进行结构内力分析，按相关规范进行强度校核。对于大跨度地铁车站的支护结构计算，应通过确定隧道衬砌各部分结构在给定波动范围内物理力学参数条件下的承载能力，来校核支护结构在施工过程中的安全性及长期可靠性。
在计算承载能力时，永久工况重要性系数取1.1，且不考虑系统锚杆的承载能力。施工工况各类结构的重要性系数均取0.9。
初支拱盖法施工的暗挖车站，初支拱盖采用30～50 cm厚C25喷射混凝土，内置4根Φ28 mm一榀的钢筋格栅，格栅间距为50 cm。针对不同的围岩条件，选取围岩弹性抗力系数1～5、侧压力系数0.15～0.35进行组合，对初支拱盖的的承载能力进行计算，结果见表3～表5。 二次衬砌拟采用60～80 cm厚、C40、P12钢筋混凝土结构，内外侧配筋均为Φ25 mm@150 mm，对二次衬砌的承载能力进行计算，结果见表6～表8。 3 拱盖法支护参数分析
根据大跨度隧道设计经验，对于处于Ⅳ级围岩地层的地铁车站而言，当采用双侧壁导坑法施工时，由于内撑在二次衬砌施作前才拆除，要求初期支护（含系统锚杆）在施工期间的承载能力应达到设计总荷载的30%～40%;当采用拱盖法施工时，由于下台阶开挖到二衬施工期间无内撑，对拱盖强度要求更高，要求初期支护在施工期间的承载能力应达到40%～50%。为了保证结构永久安全，初期支护与二次衬砌的永久承载能力之和应大于设计总荷载。如果隧道为浅埋，还应进一步提高初期支护的承载比例，以保施工安全。 3.1 车站处于深埋状态
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根据前述车站土压力荷载分析计算，作用在车站支护结构之上的最大岩土压力（表2）为305.9～372.6 kPa（围岩偏好取低值，围岩偏差取高值）。初期支护承载能力应达到最大岩土压力的40%～50%，即153～187 kPa。
根据计算，30 cm厚钢筋拱架喷射混凝土的承载能力（重要性系数取0.9）为143 kPa，考虑系统锚杆的承载能力为90 kPa，两者之和为233 kPa，大于要求的承载能力，是可行的。 二次衬砌采用60 cm厚钢筋混凝土时，二次衬砌的承载能力可达到417～456 kPa，可以承担全部的土压力，因此强度足够。 3.2 车站处于浅埋状态
作用在车站支护结构之上的土压力取值比较复杂，不仅与围岩质量好坏有关，而且与埋置深度有关。选取埋深在20～35 m的某一浅埋车站作为分析对象，根据表2可查得此时作用在支护结构之上的最大岩土压力可取453.1～632.5 kPa，初期支护的承载能力应达到最大岩土压力的40%～50%，即227～316 kPa。
考虑系统锚杆的承载能力约为90 kPa，初支拱盖的承载能力应达到137～226 kPa（重要性系数取0.9）。根据表3～表5，30 cm厚初支拱盖的承载能力为143 kPa，40 cm厚初期拱盖的承载能力为192 kPa，50 cm厚初支拱盖的承载能力为233 kPa。因此，当设计的土压力荷载为453.1～538.2 kPa时，可采用40 cm厚拱盖;当设计的土压力荷载为538.2～632.5 kPa时，可采用50 cm厚的初支拱盖（双层）。
对于二次襯砌，当车站埋深为20～25 m时，设计的土压力荷载为453.1～538.2 kPa，二次衬砌承载能力应达到360 kPa，需60 cm厚钢筋混凝土;当埋深为25～35 m时，设计的土压力荷载为538.2～632.5 kPa，二次衬砌承载能力应达到435 kPa，需70 cm厚钢筋混凝土。 4 拱盖基础处理
拱盖法施工时，拱盖基础的稳定性至关重要，由于本项目大部分车站基本全部位于砂质泥岩地层，必须采取如下特殊加固措施（图2）。
（1）拱盖基础采用预应力锚索悬吊，以减轻基础的压力。
（2）控制拱盖基底面方向角，基底面与边墙的夹角成100°～115°，既有利于爆破施工，又有利于基底岩体的稳定。
（3）保护基底下部边墙岩体，基底下部2～3 m内预留的20～30 cm厚岩体采用人工凿除或机械切割，以最大限度保护岩体。 5 结论与建议
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本文从大跨度地铁车站围岩压力荷载及支护结构计算方法入手，针对重庆地区特有的泥质砂岩地层，通过对不同厚度初支拱盖及二次衬砌的承载能力计算与分析，认为初支拱盖法可以适用于重庆地区大断面地铁车站的建造，并有较好的安全保障。当地质条件较好且处于深埋状态时，可优先选择30～35 cm厚的单层初支拱盖，当地质条件较差或处于浅埋状态时，宜选择40～50 cm厚的初支拱盖。
拱盖承载能力的充分发挥还必须保证拱盖基础的稳定，对拱盖基础应采取锚杆甚至锚索加固，使之处于三向受力状态，以提高其承载能力;爆破开挖应采用预裂爆破，最后20～30 cm应采用人工凿除，以保证基底岩体的完整性不受破坏。 参考文献
[1] 王梦恕. 地下工程浅埋暗挖技术通论[M]. 安徽合肥：安徽教育出版社，2009.
[2] 张光权，杜子建. 地铁车站拱盖法施工沉降监测分析及控制对策[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31 （增1） .
[3] 杜子建. 大跨隧道拱盖法施工地层沉降分析[J]. 铁道标准设计，2014，58（3）. [4] 迟建平. 浅埋暗挖法在青岛地铁车站施工中的应用[J]. 施工技术，2014（2）. [5] 钟国. 地铁车站的一种新型暗挖施工工法——拱盖法[J]. 城市轨道交通研究，2012，15（8）.
[6] 游水涛. 重叠换乘大拱脚暗挖地铁车站施工方案优化研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2016.
[7] 吕波. 暗挖地铁车站拱盖法关键施工技术[J]. 现代隧道技术，2014，51（3）. [8] GB/T 50218-2014工程岩体分级标准[S]. 2014. [9] JTG/T D70-2010公路隧道设计细则[S]. 2010.
[10] 郭小红，乔春江. 对隧道支护结构承载能力的分析[J]. 现代隧道技术，2002，39（2）. [11] 汤庆乐. 初支拱盖暗挖地铁车站施工变形规律及控制研究[D]. 河北石家庄：石家庄铁道大学，2018.
[12] 张婕. 初支拱盖法地铁车站开挖施工研究[J]. 低碳世界，2018（6）.
[13] 张世杰. 岩层地铁车站初支拱盖法开挖力学效应与适用性研究[D]. 山东济南：山东大学，2017.
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[14] 邓昆，童建军，鲁彬，等. 超大断面暗挖地铁车站双层叠合初支拱盖法施工数值模拟[J]. 西南公路，2016（11）.
[15] 杨思博. 基于信息化施工的软岩隧道变形特性与支护方式研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2018.
[16] 严德添. 暗挖隧道近距离下穿既有地铁车站的影响与控制技术研究[D]. 四川成都：西南交通大学，2018.
[17] 周武. 地铁施工中拱盖法大断面开挖支护技术研究[J]. 中国住宅设施，2018（4）. [18] 王招冰. PBA工法地铁车站地表沉降及对临近管线影响研究[D]. 北京：中国地质大学，2018.
[19] 魏棒. 软弱围岩下超大跨隧道支护结构承载特性研究[D]. 北京：北京交通大学，2018. 收稿日期 2018-07-20 责任编辑 朱开明
