随着我国新一轮轨道交通基础设施规划, 许多城市掀起了地铁建设的高潮。地铁线路一般布置在城市主干线下, 采用明挖法施工, 会造成交通拥堵的情况, 故大多城市选择暗挖法施工。目前, 最常用的开挖方法是双侧壁导坑法^[1,2,3,4,5]。但双侧壁导坑法在暗挖地铁车站施工中存在一些缺陷^[6,7,8,9,10]: (1) 双侧壁导坑法分块多, 各导洞之间工序交接繁琐。 (2) 双侧壁导坑法开挖时拱顶的初期支护要等到解除中间核心土后, 才能封闭成环, 导致初期支护封闭不及时, 并易引起应力集中。 (3) 双侧壁导坑法在后期解除中部核心岩柱施工过程中安全风险大。 (4) 双侧壁导坑法从中部核心岩柱开挖到二次衬砌施作时间间隔长, 对初期支护的承载能力要求高。 (5) 各分部开挖过程中临时仰拱和临时连梁支护措施多, 施工速度慢, 工程造价相对较高。一般在V级和IV级较差的围岩条件下, 大多采用双侧壁导坑法。

重庆轨道交通9号线是重庆新一轮轨道交通规划中的重点工程项目, 它横跨五大主城区, 从沙坪坝区一直延伸到渝北区, 全长32.276km。重庆是典型的山地城市, 从地质条件上看, 山地城市一般基岩分布较浅, 导致部分地铁车站处于岩石地层中, 围岩强度指标较高、完整性较好。本文在双侧壁导坑法及较好围岩条件的基础上, 开展临时中隔柱法的研究。关于中隔墙、预留岩柱等方法^[11,12], 前人已开展相关研究, 本文针对临时中隔柱法开展相关研究, 以期对山地城市暗挖车站施工提供借鉴。

重庆轨道交通9号线李家坪站为全线第9座车站。车站位于重庆市江北区嘉华大桥北引道李家坪立交附近, 线路大致呈南北走向。车站总长度257.5m, 为地下2层拱形暗挖岛式车站, 隧道为直墙圆拱断面, 采用复合式衬砌结构。车站主体隧道采用暗挖钻爆法施工。车站洞顶和洞身岩层为中风化砂质泥岩夹砂岩, 围岩基本等级为Ⅳ级, 洞顶中等风化岩层厚度10.4～26.0m, 地下水状态为Ⅰ级。岩石力学参数如表1所示, 设计推荐采用双侧壁导坑法, 开挖步序如图1所示。

在现场实际开挖过程中, 发现围岩条件较好, 遂取样、送检, 经检测单位测试后, 得出砂质泥岩抗压强度平均值为17MPa, 最小值13MPa;砂岩抗压强度平均值为41MPa, 最小值为27MPa。

由于实际围岩条件变好, 因此考虑在不改变原设计初期支护强度及二次衬砌结构安全储备的前提下, 对李家坪站施工工序进行优化, 结合双侧壁导坑法和CD法的优点, 采用临时中隔柱法开挖。施工步序如图2所示。

详细开挖步骤如下:

1) 第1, 2步车站上台阶左右导洞开挖并将车站拱顶初期支护封闭成环。

2) 第3步首先, 清理车站中台阶表面的虚渣并掏槽, 槽的尺寸为1.5m×1.5m×0.03m (长×宽×高) , 在槽内铺设双层直径为8mm, 间距200mm×200mm的钢筋网片, 并灌注30cm厚C30混凝土。然后, 架设直径为609mm, 壁厚14mm的钢管作为临时支撑, 纵向间距为2m, 并采用膨胀螺栓将临时支撑锚入混凝土基础中, 从而固定临时支撑底部。最后, 在临时钢管支撑顶端采用I25a双拼工字钢纵向连接所有临时钢管支撑, 纵向工字钢之间采用M24螺栓进行连接, 且工字钢与初期支护的格栅钢架焊接形成整体支撑体系。

3) 第4～7步车站中台阶和下台阶的左右导洞开挖、支护。

4) 第8步拆除临时支撑。

5) 第9, 10步开挖中间核心土。

原设计的双侧壁导坑法施工, 全断面12个导坑分24步进行开挖支护, 临时中隔柱法分8个导坑16步开挖支护, 大大提高了施工效率, 减少了临时支撑材料用量。

考虑到上台阶开挖过程中, 中部支撑在初支完成后施加, 初支喷锚结构和中部支撑按照铰接方式连接, 考虑最不利工况, 荷载结构法采用ANSYS软件模拟。其中初支衬砌采用Beam4单元, 中部支撑采用Link单元模拟, 按照结构的对称性, 本次计算采用对称半结构对结构进行计算。断面宽23.24m, 高19.92m, 拱顶覆盖层厚约20m。隧道围岩主要为砂质泥岩。

1) 根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》, 上方隧道位于砂质泥岩层, IV级围岩段, 根据深浅埋的临界埋深为 (2.0～2.5) h_a, 按VI级围岩考虑, 经计算h_a=10.17m, A1型隧道属于浅埋隧道。

2) 水压力从隧道拱顶开始计算。

3) 隧道压力计算

荷载结构法计算时, 对地面基本水平的浅埋隧道, 垂直压力可按下式计算:

式中:B为坑道跨度 (m) ;γ为围岩重度 (kN/m³) ;h为洞顶地面高度 (m) ;θ为顶板土柱两侧摩擦角 (°) , 为经验数值;λ为侧压力系数;φ_c为围岩计算摩擦角 (°) ;β为产生最大推力时的摩擦角 (°) 。

水平压力可按下式计算:

式中:h_i为内外侧任意点到地面距离 (m) ;侧向压力系数λ=0.3, 本工程中砂质泥岩弹性反力系数取值为200MPa/m。

4) 永久荷载

结构自重:按钢筋混凝土容重25kN/m³计算;断面埋深20m即隧道拱顶处标记h₁, 为砂质泥岩;埋深19.25m处即隧道仰拱底标记h₂, h₂与h₁之间为砂质泥岩。

地层压力:结构拱顶竖向岩土压力无水情况下取值为445.44kPa;车站顶处侧向土压力133.63k Pa;车站底处侧向土压力为281.47kPa。

5) 可变荷载地面超载30kPa。

计算结果如图3, 4所示。

中部临时支撑的轴力为1 114.3kN, 考虑到上述结构为半结构计算模型, 中部支撑轴力为1 114.3×2=2 228.6kN。

按照轴心受压构件计算, 得出中隔柱所需型钢截面面积为94.8cm²。因此选用外径为609mm, 壁厚16mm的钢管作为临时中隔柱支撑, 间距3.0m, 可以满足承载能力要求。

1) 钢管柱截面力学特征

钢管柱直径为D=609mm, 壁厚t=16mm, 钢管柱截面积A=29 807.43mm², I_z=1 311 173 005mm⁴。

2) 钢管柱长细比计算

两端铰接, 计算长度为9 000mm。

λ_0x=λ_0y=42.91<150, 满足长细比要求。

3) 钢管柱整体稳定性验算

钢管柱截面为a型截面, 根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》, φ=0.934, , 满足整体稳定性要求。

李家坪车站在开挖时, 选用临时中隔柱法施工。施工过程中在车站横断面共布置16个沉降和收敛监测点 (P0～P10为地表沉降监测点, Q0, Q1, Q2为拱顶沉降监测点, L1, L2, R1, R2为左右两侧水平收敛监测点) , 具体布置形式及间距如图5所示。对2017年8月到12月监测结果进行汇总, 拱顶累计沉降-8.6mm, 地表累计沉降-4.7mm;周边收敛累计变化量4.3mm;车站围岩变形量较小, 地表沉降在允许范围内。

针对浅埋暗挖地铁车站在围岩地质条件较好的情况下, 提出采用临时中隔柱法施工技术, 经研究和实践得到以下结论。

1) 特大断面浅埋暗挖地铁车站采用临时钢管支撑的中隔柱法, 施工工序简单, 施工速度较快。

2) 临时中隔柱选用外径为609mm, 壁厚16mm的钢管, 可满足承载能力和稳定性的要求。

3) 临时中隔柱法使用临时钢管支撑代替中间岩柱, 可大大减少临时仰拱和临时连梁支护材料, 节约成本。