塌方地铁车站的后续施工方案研究

王　鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)



塌方地铁车站的后续施工方案研究

王鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)

摘要：暗挖地铁车站断面较大,通常埋深较浅,施工时常发生塌方事故,且塌方纵向影响长度多达数十米。为提高塌方后续施工的安全性,结合塌方事故实例,利用风险分析和有限元计算方法,并结合现场监控量测数据,研究塌方事故影响段后续施工问题。研究结果表明：在后续施工中采用双侧壁导坑法安全可靠, “变大跨为小跨”有效控制后续施工引起的变形；从施工工法、支护措施及施工工艺等多方面制定措施,改善岩体物理性能,提高支护体系和围岩承载能力,有效控制后续施工风险。

关键词：地铁车站；塌方；后续施工；初期支护；二次衬砌；监控量测

1概述

随着地铁建设快速发展，暗挖法车站得到了空前发展，但是受地质条件、施工技术、管理水平等多因素影响，隧道建设中塌方事故时有发生[1]，且事故影响段纵向长度多达数十米。因此，如何科学、合理地进行塌方事故影响段后续施工方案的设计，以期充分利用既有工程、并解决施工安全及周边建筑物安全，已成为一个关键性问题。

结合重庆轨道交通某车站塌方事故实例，通过对风险分析，从施工工法、支护措施及施工工艺等方面制定对策，进行塌方事故影响段后续施工方案研究；并利用有限元模拟计算、理论分析及现场监控量测等方法，论证了重庆地区及类似的地层采用本文所述的工法施工安全可行。

2工程背景

2.1　工程概况

该车站位于步行街下，周边交通便捷、商业发达，有成片的住宅区，临近有某大厦(4/-1F～20/-2F)等高层建筑。该站为暗挖双层岛式车站，采用单拱双层结构形式，最大开挖断面宽23.16 m，高18.34 m，车站断面367 m2。车站总长179 m，拱顶覆土厚约20 m，复合式TBM掘进过站，设计采用双侧壁导坑法施工。

2.2　地质概况

车站位于北碚向斜西翼，沿线分布的地层为第四系全新统及侏罗系中统沙溪庙组地层，地质横断面如图1所示，其岩体物理力学参数如表1所示。车站所处地层主要为中等风化砂质泥岩，岩层倾向120°～130°，倾角40°～50°，主要发育两组构造裂隙；岩体完整性0.68～0.78，围岩级别判定为Ⅳ级；地下水不甚发育，主要为松散层孔隙水以及基岩裂隙水，受大气降水以及城市给排水管网渗漏水补给，涌水量较小，水文地质条件较好。

图1　地质横断面

2.3　塌方与加固简介

由文献[2]可知，在施工过程中，由于未严格按照原设计的双侧壁导坑法预留核心土(图2)，开挖导洞跨度过大，导致断面矢跨比严重不合理，先后发生3次塌方事故；最后一次塌方出现在已完成支护的Ⅰ部右侧，导致初期支护钢架完全损坏、导洞中断、裂隙扩张、渗水量增大，且多处初期支护出现环向裂缝。通过“先回填再开挖”的塌腔处理和“组合钢管混凝土柱+型钢支撑”的塌方事故影响段整体加固(图3)后，塌方势态得到有效控制，拱顶及地表沉降呈现收敛趋势，车站趋于稳定。

表1　岩体物理力学指标

图2　施工现场开挖步序

图3　塌方事故影响段整体加固示意

3后续施工风险分析与对策

3.1　风险分析

经过上述塌方治理后车站基本稳定，但后续施工扰动势必打破其平衡状态，造成应力重新分布，后续施工方案倍受设计及参建各方关注。后续主要施工风险如下：

(1)初支背后空洞较多，抢险加固期间累计注入水泥浆1 000 m3，且初支表面渗水点较多；

(2)拱脚位置多为虚渣或者悬空，且多处未见锁脚锚杆；

(3)后续施工中，上部支撑体系存在失稳的可能；

(4)车站上覆岩层较薄、素填土较厚，且受上半断面施工多次扰动；

(5)存在陡倾岩层，且其临近上方有多幢高层建筑。

3.2　应对措施

通过对原初期支护变形分析，并以满足地铁车站结构安全和功能为前提，从施工工法、支护措施及施工工艺等方面制定相应对策如下。

3.2.1工法控制

为降低风险、避免发生二次事故，参建各方一致认为必须对因塌方受损和存在施工质量问题的结构进行加固。后续施工应坚持原设计的“变大跨为小跨”[3-4]，采用双侧壁导坑法[5-7]施工，具体方案如图4所示。

(1)恢复核心土受力，进行上半断面加固、初支背后注浆，并完成地表注浆加固；

(2)施作初支加强层，完成上半断面换撑；

(3)开挖左线(陡倾岩层上方)侧上台阶土体，及时施作初支，封闭成环，并采用砂袋临时回填破除管片剩余部分；

(4)开挖左线侧下台阶土体，及时施作初支，封闭成环；

(5)同样分上、下台阶开挖右线侧土体，及时施作初支，封闭成环；

(6)施作首段仰拱，并根据现场监测情况采用如下方式处理：临时支撑及钢架的应力在合理范围内且核心土两侧受力比较均衡时，按步骤(7)、(11)、(12)施作，否则按步骤(8)、(9)、(10)、(11)、(12)施作；

(7)分段拆除临时支撑，保留下部核心土，拼装整体台车，施作二衬；

(8)利用小模板施作侧墙二衬，及时架设临时支撑；

(9)同(8)施作拱腰部分二衬，及时架设临时支撑；

(10)同(8)施作拱顶部分二衬；

(11)分段、跳段拆除核心土，浇筑仰供；

(12)施作内部结构。

图4　车站后续施工工序

3.2.2支护措施

在蒸汽保护热处理的情况下，毛白杨不一样的热处理时间得到了不一样的粗糙度数据和图片，结合图7可知，在微观形貌上，将未处理材与热处理2 h、4 h比较，发现随热处理时间增加，样品表面大而深的沟槽及表面木毛明显减少，起伏状况明显减弱，同时附着物逐渐减少，其间的间隙、孔洞也逐渐变小，样品表面趋于光滑平整。但1 h样品因为短时间的热处理，导致其表面出现了较明显的开裂，故其表面比未处理样品还要粗糙。

鉴于塌方引起支护体系发生大变形，且存在诸多施工质量问题，现状初支刚度较原设计严重削弱；车站后续施工需采取补强措施，改善岩体物理性能[8-9]，提高承载能力。根据工程类比，并结合风险分析，拟采用补做初支加强层的复合式衬砌，设计方案如下：

(1)在原初期支护钢架之间架立格栅钢架、喷射混凝土进行初支补强，并确保平顺；

(2)通过地表注浆加固填土层，填充上半断面施工时产生的围岩裂隙，减小地表沉降；

(3)采用GM51自进式锁脚锚杆，加强拱脚支护；

(4)采用φ32 mm自进式系统锚杆，减少对围岩扰动；

(5)采用φ22 mm对拉锚杆，加固核心土；

(6)双层φ8@200 mm×200 mm钢筋网；

(7)750 mm厚C40模筑钢筋混凝土(拱脚加厚)。

为确保车站后续施工安全和周边建筑物安全，除加强支护和严格按照工法施工外，还应加强施工工艺控制，提高施工质量。主要包括：

(1)严格控制各掌子面之间的距离，上下台阶之间3～5 m，左右平行台阶5～10 m；

(2)加快初支闭合，减少其临空时间；并加强初期支护、二衬背后注浆，确保其背后密实；

(3)开挖暴露围岩结构面明显，且岩层又大角度向隧道内倾斜，可视监测数据情况，在倾向隧道一侧增设局部长锚杆，与主结构面大角度布设；当主结构面不明显时，锚杆可与隧道周边轮廓垂直布置；

(4)采用机械开挖+控制爆破，严格控制爆破振动速度和循环进尺；

(5)严格控制临时支撑每次拆除长度，视现场监测数据适时调整；

(6)加强监控量测，根据监控量测及施工观测等数据及时调整施工方法及支护参数。

4模拟计算及分析

4.1　施工阶段模拟计算4.1.1　模型的建立

支护参数如表2所示。

计算中采用自重生成初始地应力场，不考虑地下水的影响；注浆加固采用提高其加固范围内的地层参

数来等效模拟；喷射混凝土采用实体单元模拟，钢拱架刚度等效为喷射混凝土[10]；其余支护措施均视作安全储备，暂不考虑。

表2　支护参数

采用Midas-GTS有限元分析软件，取地面以下80 m，宽度160 m范围建立平面“地层-结构”计算模型，模拟后续施工工况，分析后续施工引起的变形与内力。计算模型的侧面、下部边界分别受到水平、竖向位移约束，如图5所示。

图5　“地层-结构”计算模型与网格划分

4.1.2计算结果

通过模拟计算得到各分步开挖步骤的应力、位移情况，主要施工步骤计算结果见图6～图8。

由图6可知，X向最大负位移出现在左线侧拱肩，为-1.3 mm；最大正位移出现在对应的右线侧拱肩，为0.7 mm；洞周水平相对收敛小于《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)中规定的允许值1.1×(0.10%～0.30%)D=25.48～76.43 mm。其中，D为隧道毛洞跨度，取23.16 m。

图6　X方向位移

由图7可知，Z方向最大负位移出现在拱顶，为-6.4 mm；最大正位移出现在仰拱，为5.6 mm；均小于《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)中规定的初期支护的允许拱顶下沉值(0.06%～0.10%)H=11.0～18.34 mm。其中，H为隧道毛洞高度，取18.34 m。

图7　Z方向位移

由图8可知，最大压应力出现在拱腰，为-2 008.0 kPa，小于砂质泥岩的饱和抗压强度6.1 MPa；最大拉应力出现在仰拱，为35.0 kPa，小于砂质泥岩的抗拉强度168 kPa。

图8　Z方向应力

4.1.3初期支护验算

从模拟计算结果中提取初支内力，并按“破损阶段”法进行其截面强度验算。通过工程类比及理论验算，初期支护加强层采用厚350 mm C25早强混凝土，其强度安全系数满足《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)表11.1.1-2规定的“主要荷载+附加荷载”取值要求。

4.2　二次衬砌计算

考虑塌方影响，二次衬砌计算时降低围岩级别，即围岩级别取V级。利用有限元软件，采用“荷载-结构”模型平面杆系有限单元法，选取最不利位置进行二次衬砌计算。

4.2.1计算荷载

根据车站结构形式、受力条件、地质条件等因素，其主要荷载包括：结构自重、地层压力、水压力及浮力、地面车辆荷载、施工荷载及地铁车辆荷载及其动力作用、地震、人防等，并根据可能出现的最不利组合进行计算。通过计算得地层压力、水压力及浮力、超载及房屋荷载，荷载如图9所示。

图9　计算模型及荷载分布

4.2.2计算模型

假定衬砌为小变形弹性梁，并离散为足够多个等厚度直杆梁单元；用布置于各节点上的弹簧单元模拟围岩与初期支护、衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与支护结构的黏结力，弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力；假定初期支护与二次衬砌只传递径向压力。二次衬砌按主要承载结构设计，承受使用期的全部荷载，其计算模型如图9所示。

4.2.3计算结果

通过计算得到不同工况下二次衬砌的内力如图10所示。

图10　二次衬砌内力

4.2.4结果分析

取有水、无水组合下内力包络图进行二次衬砌安全系数与裂缝验算，结果如表3、表4所示。

表3　裂缝宽度验算结果

表4　安全系数验算结果

经过计算并结合重庆轨道交通的经验，二次衬砌采用厚度750 mm C40模筑钢筋混凝土(拱脚加厚)安全可靠，配筋结果为：内、外侧φ25 mm@125 mm。

5工程实施效果

在施工过程中，对地表沉降、建(构)筑物沉降及倾斜、拱顶沉降、水平收敛、底部隆起以及围岩压力等监测。图11数据表明：车站变形趋于收敛，即采取的控制措施有效地控制了车站变形。

图11　施工过程监控量测曲线

目前该车站已通车试运营，车站结构及周边建筑物均处于稳定状态。

6结论

以重庆轨道交通某车站塌方事故为背景，通过后续施工风险与对策研究，结合有限元分析、理论计算及工程实施效果分析，主要得到以下结论：

(1)在塌方事故影响段的后续施工中采用双侧壁导坑法安全可靠，“变大跨为小跨”有效地控制后续施工引起的变形；

(2)采用格栅钢架+喷射混凝土的加强层进行初期支护补强，提高了支护体系承载能力；

(3)地表注浆改善了岩体物理参数，亦提高了围岩自身承载能力；

(4)从施工工法、支护措施及施工工艺等多方面制定措施，有效地控制了后续施工风险，确保了车站施工安全及周边建筑物的正常使用。

参考文献：

[1]李凤伟，杜修力，张明聚.地铁工程建设施工事故统计分析[J].地下空间与工程学报，2014，10(2)：474-479.

[2]曹伟.单拱大跨浅埋暗挖车站塌方原因分析及治理[J].铁道建筑，2013(12)：58-61.

[3]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社，2006.

[4]刘钊，佘才高，周振强.地铁工程设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50517—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社，2003.

[6]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.

[7]中华人民共和国铁道部.TB10204—2002 J163—2002铁路隧道施工规范[S].北京:中国铁道出版社，2002.

[8]许占良.板岩地层超大断面隧道塌方处理对策[J].铁道标准设计，2013(3)：102-106.

[9]谭准，向浩东.软岩偏压铁路隧道大变形处治施工技术[J].铁道标准设计，2013(4)：69-72.

[10]王立新.重庆地铁某暗挖车站设计方法及安全性分析[J].地下空间与工程学报，2012，8(4)：857-862.

Study on Subsequent Construction after Metro Station CollapseWANG Peng

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Characterized by bigger section and shallower coverage, the mined metro station often collapses during construction, and the longitudinal length influenced is as long as dozens of meters. To improve the safety of subsequent construction, this paper studies the construction after collapse based on collapse cases and with risk analysis, finite element algorithm and data of site monitoring and measurement The study results show that double side-wall pilot tunnel method is safe and reliable in the post-collapse construction. Furthermore, the method of“dividing large span into smaller ones” proves to be effective to control the deformation during subsequent construction. It is also demonstrated that the subsequent construction risk can be effectively reduced with multiple measures in terms of construction methods, support systems and construction techniques; the physical properties of rock, as well as the bearing capacity of support systems and surrounding rock are improved.

Key words：Metro station; Collapse; Subsequent construction; Initial support; Secondary lining; Monitoring and measurement

中图分类号：U231+.4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.024

文章编号：1004-2954(2016)02-0113-06

作者简介：王鹏(1971—)，男，高级工程师，工学硕士，E-mail：rocwangp@163.com。

收稿日期：2015-03-24