特大断面地铁车站变截面处暗挖施工技术

时间：2024-07-28

梁中勇，饶军应，聂凯良，卢志华，赵霞

(1.贵州大学土木工程学院，贵州贵阳 550025；2.中铁十二局集团第三工程有限公司，山西太原 454100)

1 工程概况

贵阳市轨道交通2号线是一条连接白云新区、观山湖新区、老城区、龙洞堡片区的骨干线，全长39 km，共设车站32座。北京西路站是第15个车站，地下二层岛式结构，起讫里程YDK26+074.74—YDK26+311.33，长236.6 m。变截面里程为YDK26+268.24。地铁车站隧道标准段断面净宽19.4 m，净高16.50 m，扩大段断面净宽22.6 m，净高19.7 m。隧道采用双侧壁导坑法进行施工，两端接矿山法区间。隧道围岩为中风化泥质白云岩，围岩等级为Ⅳ级。风化裂隙内赋存基岩裂隙水。

2 关键施工技术

目前地铁车站隧道施工中对大断面过渡到中断面或小断面已不再是技术难题。但是，北京西路站的施工是从标准断面向扩大断面掘进，这给施工带来了一定难度。要做到变截面的安全过渡，必须控制好标准断面和扩大断面。

2.1 施工细节控制

车站隧道围岩为有明显层理的中风化泥质白云岩。在开挖过程中产生的层理临空面极易坍塌、掉块。施工中必须时刻观察围岩动态，支护采取锚杆加强。锚杆长6.0 m，间距0.5 m×0.5 m。锚杆的布置尽可能与层面垂直或与层面较大角度相交。注浆锚杆进行施工时，需按设计要求在岩面上画出本次锚杆孔位，并检查岩面有无存在松动石块或初喷混凝土脱落、开裂、起鼓等现象，若存在，处理后方可施钻。

隧道拱部150°范围内、开挖轮廓线以外打设超前小导管时，导管内灌注的水泥浆水灰比应为1∶1～1∶0.6，小导管采用外径42 mm、壁厚3.5 mm、长度4.0 m 的钢管，外插角7°，2组小导管间纵向水平搭接长度不小于1 m。当在掌子面钻孔插打小导管时，每打完1排钢管并注浆，待水泥浆达到设计强度后，方可开挖并及时支护。

变截面处堵头墙支护措施如图1所示。在穿越变截面后随即施作堵头墙。变截面处人工凿岩修整，清除突出的危岩，修整完成立即喷射混凝土，定时进行监控量测，时刻关注围岩动态。

图1 堵头墙支护措施

2.2 地下水的处理

贵阳地铁集岩溶、突水突泥、断层、风化泥质白云岩、不规则构造裂隙[1-2]于一身，施工中地下水的处理显得尤为突出。考虑到车站地下水的过度排放可能会对城市地表及地下储水层产生影响，故采取以堵为主，限量排放的原则。若施工过程中遇到超前探水未揭示而开挖后暴露的涌水溶洞(工况1，见图2(a))、隧道开挖后出水量较大的岩溶裂隙(工况2，见图2(b))、正洞超前探水遇溶洞(槽)涌水(工况3，见图2(c))等[3-6]情况，应采取局部补注浆进行地下水的处理。局部补注浆施工前，均应在类似地质条件下进行注浆试验，以确定浆液扩散半径、浆液填充率、浆液配合比、注浆量、胶凝时间、注浆终压等参数。

图2 地下水的处理措施

局部补注浆方案如下：

对于工况1，需在出水点附近钻几个分流孔，起分散水压力和降低单点水流量的作用，通过安设PVC管，对涌水进行疏导，以降低对出水点周围围岩的浸泡和冲刷。若发现涌水量及涌水压力较大，还应视具体情况增设分流孔。分流孔施钻过程中应与溶洞或溶隙成较大角度相交。在出水点及分流孔安设PVC管的同时，应对孔壁与孔口管之间的孔隙用膨胀快硬水泥有效封堵，然后进行注浆处理。注浆材料采用水灰比1∶1～1∶0.6的水泥浆，注浆压力超过水压0.5～1.0 MPa。注浆结束应对注浆质量进行检验，做好施工记录，确认达到预期处理效果后方可进行下一步施工开挖。

对于工况2，注浆浆液渗透半径可按1.5 m计，注浆孔注浆应从出水裂隙区周围由远及近层层渗透，且注浆孔应与裂隙出水面成大角度相交;注浆压力超过水压，注浆材料同前;孔间距在考虑渗透半径的同时根据现场情况合理调整，止浆塞止浆时止浆塞胶圈尺寸应与注浆孔的孔径相匹配。涌水量较大时，应先泄压，再对裂隙注浆，注浆结束应对注浆质量进行检验。

对于工况3，若涌水压力和涌水量不大时，直接利用超前探水孔进行注浆；若涌水压力和涌水量较大，则可采用与工况1相同的减压方法降低水压，以利于注浆。此时，超前探水孔与分流孔均可作为注浆孔。若超前探水孔与分流孔孔口段岩石破碎，应安设引水管。引水管与岩壁之间用膨胀快硬水泥堵塞后方可注浆。注浆材料同前，注浆压力超过水压0.5～1.0 MPa。若遇空洞较大，涌水量较小时，可采用C20混凝土充填。

隧道施工过程中，工况2出现的频率相对较高。实践证明，在富水岩溶、裂隙发育的贵阳地区，并不能一味地采取排水措施，宜排堵结合。

3 监控量测

3.1 传感器布置

在“直-缓-曲-缓-直”的设计线形中引入变截面，一方面，变截面的出现必定会导致变截面处应力集中；另一方面，岩体材料受到节理、层理、裂隙等各种不利因素的影响，各向异性尤为明显[7-8]。为了对特大断面车站变截面处锚杆轴力、型钢拱架应力、初支混凝土应力有清楚的了解，在变截面处安装了传感器。传感器布置如图3所示。为测定不同深度处锚杆轴力，在锚杆上对焊钢筋计2个，钢筋计A1距离开挖面3.5 m，A2距离开挖面1.5 m，其他点处类似。左导坑截面面积标准段116 m2，扩大段129 m2，面积增大13 m2，增大率为11.2%。右导坑截面面积标准段116 m2，扩大段158 m2，面积增大42 m2，增大率为36.2%。右导坑截面增大的面积是左导坑的3.23倍。左、右导坑均采用三台阶法开挖。左、右导坑分部开挖的面积见表1。

图3 传感器布置

工作面标准段截面面积/m2扩大段截面面积/m2截面面积增大率/%上台阶①3540左导坑中台阶②455011.2下台阶⑤3639上台阶③3545右导坑中台阶④456036.2下台阶⑥3653

3.2 结果分析

为方便比较分析监测结果，规定变截面处监测的锚杆轴力、型钢拱架应力、初支混凝土应力均以拉为正，以压为负。

1)锚杆轴力

左右拱肩锚杆轴力时程曲线见图4。可知：在右导坑上台阶③中部安装横撑对锚杆轴力影响较大，右拱肩C1,C2处锚杆轴力最大值达3.86,4.11 kN。随着施工向前推进，右拱肩锚杆轴力逐渐减小，在第35 d锚杆轴力由压变拉，这是由于在隧道开挖过程中光面爆破的强有力冲击使得围岩塑性区向外扩大，随时间推移，围岩塑性区又向隧道临空面缩小。在左导坑上台阶①中部安装横撑，对左拱肩A1,A2处锚杆轴力无明显影响。A2距离隧道开挖面较近，故其压力或拉力值在同一时间总体上比A1处大。分析右拱肩锚杆钢筋计C1,C2也得出此规律。

图4 左右拱肩锚杆轴力时程曲线

2)型钢拱架压力

左右拱肩型钢拱架压力时程曲线见图5。可知：①左导坑截面面积的变化量比右导坑小29 m2，故左拱肩A处型钢拱架压力曲线变化比较平缓，型钢拱架压力约为7.24 MPa;②由于施作堵头墙，右拱肩C处型钢拱架压力开始剧增，到堵头墙施作完成，型钢拱架压力趋于稳定，其值约为97.01 MPa。

图5 左右拱肩型钢拱架压力时程曲线

图6 左右拱肩初支混凝土应力时程曲线

3)初支混凝土应力

左右拱肩初支混凝土应力时程曲线见图6。可知：右拱肩C处初支混凝土应力值约为左拱肩A处初支混凝土应力值的3.5倍;由于左导坑在上台阶①处施工时对初支混凝土有意外扰动，在第5 d时出现一个峰值，随后趋于稳定。