新暗挖工法“超前模筑初期支护法”研究

谭富圣，于鹤然

(中铁工程设计咨询集团有限公司城交院，北京 100055)

1 概述

随着我国社会经济的快速持续发展，新建暗挖工程下穿既有铁路、公路、地铁等工程的情况会越来越多，要求新建工程既要满足现状设施安全使用的要求，又要尽量浅埋，目前国内现有成熟暗挖工法均存在地面沉降大、安全风险高、难于满足上部重要设施变形要求等问题，或为满足变形要求，需投入大量辅助工程及费用［1］，并且埋深越浅，上述问题越突出，因此找到一种既能在浅埋条件下安全实施，又能保证上部既有设施安全要求且造价适中的新暗挖工法需求强烈。

基于以上原因，在参考国外STS工法的基础上，对沈阳某地铁车站中部采用新暗挖工法“超前模筑初期支护法”实施。本暗挖工法具有施工过程安全度高、地面沉降小、适用范围广阔且造价适中的特点。特别适用于埋深浅、跨度大、地质条件差的软弱地层内，可以很好地控制沉降。

2 工程概况及新暗挖工法简介

沈阳地铁10号线某地铁车站位于一环主路下方某城市主干道交叉路口，10号线车站沿一环主路偏西侧大致呈南北方向跨路口布置，车站为双层三跨矩形钢筋混凝土框架结构岛式站台车站，有效站台宽度13 m、长度118 m，标准段宽度21.7 m，车站主体总长225.95 m，结构顶板覆土厚度为4.0～4.2 m，底板埋深约17.65 m。车站采用两端盖挖中间新暗挖法施工，盖挖支护结构采用钻孔灌注桩+内支撑+军用梁铺盖体系，新暗挖工法为平顶直墙结构，先完成由相互连为一体的钢管形成的初期支护，然后开挖土体并完成二衬。本车站与规划远期线地铁车站换乘，远期地铁线从10号线车站下方穿越，10号线车站公共区设有换乘通道连接远期地铁车站。

本车站暗挖部位地质情况从上到下依次为杂填土层①(厚度约3 m)、砾砂层③－4(厚度1～3 m)、圆砾层③－5(厚度6～9.3 m)、圆砾层④－5(厚度5～8 m)、砾砂层⑤－4(厚度2～4 m)、圆砾层⑤－5。暗挖结构拱顶部分位于砾砂层③－4及圆砾层③－5，地下水位深度约为6.6～7.1 m，地下水均为潜水。具体地质纵断面如图1所示。

图1 车站暗挖部位地质纵断面(单位:m)

本工程车站中部采用新暗挖工法主要基于以下几个原因:(1)地面交通繁忙、地下管线改移困难且变形控制要求高;(2)车站尽量减少埋深为远期地铁线下穿创造条件;(3)为不降低车站使用功能暗挖段设计为双层;(4)传统暗挖工法采用平顶直墙结构形式在埋深较浅条件下沉降变形大且风险高。

车站新暗挖工法主要是沿开挖轮廓先实施互相咬合并带翼板的小直径钢管(为方便后期人工进入钢管内完成栓钉就位操作，直径一般0.8 m)，并把各个独立钢管通过栓钉或钢翼板连接并浇筑混凝土，形成整体的板结构，在板结构保护下开挖土体并设置临时或永久支撑，最终浇筑完成二衬(临时支撑拆除)。其最大的特点是采用连接为整体的管排结构代替传统暗挖工法的超前支护及初期支护，传统暗挖工法是边开挖边完成初期支护，超前支护刚度较低且整体性差，新暗挖工法是先形成初期支护且刚度大，变形控制效果好，对地层适应范围更广泛，本工法实施的关键在于控制施工过程钢管施工精度，目前采用水平螺旋钻工艺，现场实施误差可以控制在8 mm以内。本新工法与NTR工法［2-6］相比，钢管直径较小，因此在钢管实施期间对地层扰动更小，同时无需在钢管内进行焊接等作业，因此工艺更简单。新暗挖工法结构横断面如图2所示，初支新型结构大样如图3所示。

图2 新暗挖工法横断面(单位:mm)

3 新工法工序及模型计算

3.1 新工法工序介绍

第1步:首先在暗挖结构两侧设置开挖工作井及接收工作井，工作井内随挖随实施暗挖段顶部及侧向钢管，并挖除钢管内及钢管间土体，本步骤关键是控制钢管施工精度。

第2步:在钢管内安装连接栓钉，栓钉安装完成后，在钢管两端安装封堵板，通过封堵板预留灌浆孔，向钢管内灌注混凝土。

第3步:台阶法开挖一侧下导洞(Z1)并纵向贯穿后，台阶法开挖Z1导洞顶部Z2导洞，导洞采用格栅支护。第1～第3步施工如图4所示。

图4 新暗挖工法施工步骤1～步骤3

第4步:在Z1导洞内分别施工防水板、底纵梁及部分底板，达到强度要求后在Z2导洞内施做钢管柱、顶纵梁及梁顶防水板。

第5步:重复第3、第4步工序，纵向先后开挖Z3、Z4导洞并施做内部梁柱结构及防水板，Z1、Z2导洞开挖过程中对与其相邻的Z3、Z4导洞之间土体进行注浆加固处理。

第6步:破除上部导洞间格栅，铺设防水层，施做中跨顶板。第4～第6步施工如图5所示。

第7步:纵向分段开挖站厅层中板底以上土体，施做车站结构边跨处站厅层侧墙防水层，施工中纵梁、中板及站厅层侧墙钢筋混凝土结构。

第8步:待中板及站厅层侧墙达到设计强度80%后，开挖中跨土体至底板底，施作封底结构并拆除导洞部分结构，施做底板防水层及浇筑底板，继续开挖边跨土体至底板底，施作封底结构并拆除部分导洞结构，施做底板防水层及浇筑底板剩余结构。

第9步:施作剩余侧墙及顶板防水层，浇筑侧墙与顶板剩余结构，最后施做内部结构。第7～第9步施工如图6所示。

图5 新暗挖工法施工步骤4～步骤6

图6 新暗挖工法施工步骤7～步骤9

3.2 新工法计算模型及参数

为了预测新暗挖工法实施过程对地面沉降的控制效果及结构受力，本处采用FLAC3D软件建立三维“地层－结构”的连续介质模型进行分析。模型分析范围为:水平方向－50～+50 m，纵向取1个柱间距9.75 m，重力方向43 m，共计33 856个单元，39 303个节点。模型上部为自由表面，施加20 kPa法向压力模拟地表超载，侧面和底面为法向位移约束边界。计算时按自重应力场考虑。从上至下模型土层共计划分为4层，三维数值模型见图7，土层分层及网格划分见图8。

图7 暗挖段三维数值模型

图8 暗挖段模型土层划分

土体及结构等材料的力学参数根据地质勘查报告、相关工程经验及规范选取，具体取值见表1。

表1 各个土层及结构参数取值

喷射混凝土采用壳单元模拟，立柱采用梁单元，其他部分均采用实体单元。岩土体、注浆区域采用摩尔库伦模型模拟，混凝土结构采用弹性模型。

整个模型的计算过程严格按照前面3.1部分的施工步骤进行。第1步:地应力平衡计算;第2步:施做管幕;第3步:在管幕的支撑下开挖车站范围内右侧下方导洞，洞壁采用格栅+喷射混凝土支护;第4步:开挖右侧上方导洞，洞壁采用格栅+喷射混凝土支护;第5步:上下导洞之间人工挖孔桩实施，并施工底纵梁及部分底板、顶纵梁、钢管柱;第6～第8步:在车站范围左侧重复第3～第5步工序;第9步:开挖站厅层中板底以上土体，施做车站结构边跨处站厅层侧墙，施工中纵梁、中板钢筋混凝土结构;第10步:开挖至底板底，施作封底结构并拆除导洞部分结构，浇筑底板。主要几个施工步骤模型及沉降计算结果如图9～图17所示。

图9 第4步后(右侧上下导洞实施完成模型)

图10 第4步完成后竖向沉降云图

图11 第8步后实施完成模型

图12 第8步完成后竖向沉降云图

图13 第9步后实施完成模型

图14 第9步完成后竖向沉降云图

其中右侧导洞施工完毕(第四步)后，管幕结构顶部最大沉降3.05 mm，地表最大沉降2.35 mm，沉降云图见图10;左侧导洞施工完毕后(第九步完成后)，管幕结构顶部最大沉降4.35 mm，地表最大沉降4.07 mm，沉降云图见图12;站厅层中板底以上土体开挖完毕后，管幕结构顶部最大沉降8.63 mm，地表最大沉降7.89 mm，沉降云图见图14;开挖至底板底后，管幕结构顶部最大沉降10.69 mm，地表最大沉降10.23 mm，沉降云图见图16。几个关键步骤施工完成后地面沉降曲线见图17。从计算分析结果可以看出，采用新工法对控制地面沉降明显有优势，根据以往经验，平顶直墙结构在此种条件下，地面沉降一般达到40 mm以上［7-8］，本工法最大沉降仅10 mm左右，且施工过程安全度高。另外，由于本工法钢管实施阶段采用水平螺旋钻工艺，管端无临空面，钢管吃土顶进，管外空隙可以及时填充膨润土混合液，因此钢管实施阶段与普通工艺施工的管棚相比较，沉降量非常小，现场试验监测仅2 mm。

图15 第10步后实施完成模型

图16 第10步完成后竖向沉降云图

图17 施工过程各关键步骤地面沉降曲线

4 新工法新型构件计算及模型试验

本新型结构构件是把单独钢管连为整体横向受力，此种结构与普通钢筋混凝土结构有所区别，构件计算方法需要重新研究，通过理论计算及现场模型试验对此种新型构件进行分析并总结一些规律。

理论计算采用两种模型，一个是新型结构构件模型，内灌C30混凝土，钢管间采用φ32@200 mm三级钢连接(钢筋仅在管间连接，管内不连续，与现场实施方式一致)，取双6 m跨连续梁模型，支座简支(下部的支座为了防止出现点支撑的应力集中，采用0.5 m宽钢支座，与梁之间采用接触单元分开)，宽度取1 m;另一个矩形截面普通钢筋混凝土梁模型，梁高采用新型结构钢管间连接部位高度(0.69 m)，其余混凝土、配筋、跨度、支座等参数均同新型结构［9，10］。两个模型均加均布荷载，荷载由100 kPa逐渐增加，每次增加10 kPa，加载到200 kPa均载时两者同时都出现了贯通的塑性区，如图18、图19所示。现场试验模型破裂状态照片见图20、图21。

图18 新型结构连续梁模型塑性区贯通

图19 普通连续梁模型塑性区贯通图

图20 现场试验模型裂缝贯通照片

图21 现场试验模型最终破坏照片

从理论分析及现场试验可以看出，新型结构构件的薄弱点是2个钢管之间的连接部位，无论采用钢筋连接方式，还是采用焊接钢板连接方式，最终都是在连接部位破坏，焊接钢板连接首先是钢材屈服，最终焊接连接部位破坏。理论分析表明，普通钢筋混凝土梁与新型构件梁相比，均布荷载加到200 kPa时，塑性区贯通，两者塑性区分布规律基本一致，但普通梁范围略大，等效构件最大挠度 4.48 mm，比新型构件大11.4%。现场试验表明，即使塑性区贯通后，新型构件仍然能够继续承受较大荷载，说明此种构件比普通钢筋混凝土构件延性更好。以此推断，作为隧道受力结构，新型构件在力学性能上要优于等效厚度的钢筋混凝土构件，在考虑新型构件设计参数时，连接钢板及连接钢筋可以等效为普通钢筋混凝土构件配筋，采用等截面钢筋混凝土构件的计算方法进行初步计算可行，且计算结果是偏于安全的。

5 结语

通过前面的分析可以看出，新暗挖工法具有地面沉降小、施工过程安全可靠、适应地层广泛、结构受力明确等优点，同时由于新暗挖工法无需超前支护及超前注浆，没有临时隔墙及隔板等构件，因此造价相比传统暗挖工法基本相当，此外新暗挖工法可以大面积开挖，二衬施工缝更少，有利于提高工效及增强防水效果。

除了前面提到的优点外，本新暗挖工法还需要在以下几个方面进一步优化和完善，使该工法能够得到广泛应用和推广。

(1)新暗挖工法需特别注意施工过程对钢管顶进精度控制，需要研究更为精确控制钢管顶进的工艺及设备，提高机械化水平。

(2)钢管间连接部分的施工质量最为关键，需进一步研究连接部位原状土挖除、混凝土浇筑的工艺，以确保新型构件施工质量。

(3)本新暗挖工法相比较NTR工法［11］，顶管施工期间沉降更小，且无需在管内进行焊接、切割等作业，但仍然需要人工进入钢管内作业，初期支护结构尺寸不是受力控制而是实施条件控制，需进一步研究无需人工进入钢管内作业工艺，如此可以使钢管直径进一步减少，施工更简便且造价更有优势。

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［10］中华人民共和国铁道部.TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［11］中铁工程设计咨询集团有限公司.沈阳地铁2号线新乐遗址站施工图设计［Z］.北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2008.