目前国内关于拱盖法的研究均针对二衬拱盖法和初支拱盖法展开, 双层叠合初支拱盖法首次运用于重庆地铁5号线凤西路车站的施工开挖中, 相关的设计理论和施工技术也不成熟。在重庆地区层状岩地层呈显著“上软下硬”及互层特征, 采用拱盖法施工较双侧壁导坑法, 不仅能较好适应钻爆法暗挖施工的大跨度隧道结构施工, 还具有工作面大、效率高、工序少、施工安全等显著优点。贾贵宝详细研究了拱盖法施工工艺和控制重点, 详细介绍了拱盖法施工方法与技巧。得出拱盖法具有大面积作业, 效率高;导洞少, 工序少, 围岩扰动少;能有效加快施工进度等优点。吴学峰对土岩复合地层进行了三维有限元数值模拟, 认为在这种复杂地层中进行施工, 拱盖法能保证结构的稳定性和围岩安全。张伟庆结合北京地铁10号线二期莲花桥站洞桩逆筑法 (PBA) 施工案例, 介绍了PBA工法基本概念, 分析总结了PBA工法的施工技术。徐彦胜结合重庆轨道交通10号线红土地站与既有6号线红土地站呈“十”字相交, 下穿既有车站净距5.06m等施工难点, 介绍了采用机械开挖与控制 (弱) 爆破相结合、安全、高效的穿越既有运营车站的施工技术。王渭明对拱盖法的施工技术进行优化研究。通过建立强风化岩体的主体车站稳定性分析模型, 研究了不同地质条件下围岩的变形与塑性区发展情况, 针对拱盖法拱脚位于强风化岩体上承载力不足的问题, 提出了基于提高基岩承载力的浅埋强风化岩体地铁车站拱盖—桩锚组合施工技术。

综上可知, 双层叠合初支拱盖法首次运用于重庆地区层状岩地层超大断面暗挖车站施工中, 难度大、风险高, 没有现成的经验可借鉴。通过对重庆轨道交通5号线凤西路站双层叠合初支拱盖法施工技术进行总结, 以期对类似工程提供借鉴。

重庆市轨道交通5号线凤西路车站全长219.8m, 开挖断面447m², 设4个出入口, 2组风亭, 为单拱双层地下暗挖车站。车站埋深16.518.4m, 从上至下地层依次为第四系填土、强风化砂岩、中风化砂岩及泥岩。车站底板基本位于中风化砂岩及泥岩中, 拱脚处为中风化砂岩、泥岩互层, 最小覆岩厚度6.8m。隧道围岩分级为Ⅳ级, 采用双层叠合初支拱盖法施工, 标准断面及衬砌断面支护参数如图1和表1所示。

车站主体位于成渝高速公路的正下方, 成渝高速交通繁忙, 车站主体下穿高速公路路基内的1, 2号涵洞;1, 2号涵洞为人行涵洞, 洞宽约2.5m, 洞高2.0～2.5m, 采用筏板基础;通道底板距离车站顶板11.5m。周边建筑物分布情况如图2所示, 道路两侧地下管线密集, 周边建筑物较多。

车站区域地层由上到下依次为人工填土层 (Q₄^ml) 、残坡积层 (Q₄^el+dl) 及侏罗系中统上沙溪庙组 (J2s) 沉积岩层。各层岩土特征分述如下。

由泥岩块石、黏性土夹砂及混凝土、砖块等建筑垃圾组成, 含量10%～25%, 结构松散～稍密, 稍湿, 堆积时间1～10年, 厚度0～14.2m, 分布于勘察区地表。

未见包含物, 干强度中等, 韧性中等, 切口无光泽～稍有光泽, 局部有摇振反应。主要为残坡积成因, 场地局部地区有发现, 厚度约0.0～2.1m。FXST12号钻孔揭露粉质黏土层, 厚度2.1m。

①砂岩 灰白色、局部夹紫色条纹, 细粒～中粒结构, 层状～厚层状构造, 钙质胶结。主要矿物成分有:石英、长石、云母。砂岩强风化层厚度 1.1～1.3m, 强风化岩心多呈黄灰色、浅灰色, 碎块状、短柱状, 岩质较软;中风化岩心呈短柱状～中长柱状, 裂隙较发育, 完整性好, 岩质较硬, 整个区间场地内均有分布。②粉砂岩 细粒～中粒结构, 层状构造, 粉砂泥质胶结。主要矿物成分为石英、长石、云母以及黏土矿物。岩心呈碎块状～短柱状, 裂隙较发育, 完整性较差, 岩质软, 部分手捏易碎, 在钻孔FXST18中3.1～4.1m发现。③砂质泥岩 泥质结构, 泥质胶结, 层状～厚层状构造, 主要由黏土矿物组成。表层强风化带一般厚度0.5～3.9m, 强风化岩心呈碎块状;中风化岩心呈短柱状～中长柱状, 裂隙较发育, 完整性较好, 岩质较软, 整个场地均有分布。

场地基岩强风化带厚度一般1.0～3.0m为主, 基岩强风化带岩体破碎, 风化裂隙发育, 岩质软, 岩体基本质量等级为Ⅴ级。

该场地覆盖层主要为人工填土和粉质黏土, 填土厚度较大, 基岩为砂岩、砂质泥岩互层, 岩土层含水性差异大。在原始地势较高的斜坡及丘顶平台, 地表水径流条件较好, 地下水补给范围小, 表层土体较薄, 松散层储存地下水条件差, 地下水不发育;在原始地形低洼部位且第四系土层厚度较大的覆土层分布区域, 地表水下渗易在原始地貌沟谷区汇集形成上层滞水。根据地下水的赋存条件、水理性质及水力特征, 地下水分为松散层孔隙水、基岩裂隙水。地下水主要为大气降水以及给、排水管网渗漏补给, 水量大小与上述因素关系密切, 受气候和季节性变化较大。通过钻孔水位观测, 本次勘察期间, 场地内在原始地形低洼地带存在一定量的地下水, 较连续, 为潜水;局部地带存在上层滞水, 不连续。场地水位变化较大, 勘察期间水位在329～336m。地下水对混凝土结构、混凝土结构中钢筋及钢结构微腐蚀性。

二衬拱盖法又称为先拱后墙法, 即先开挖拱部断面并及时浇筑顶拱, 以支护顶部围岩, 然后在顶拱保护下开挖下部断面和砌筑边墙。该工法处理拱、墙结合部位处施工缝渗漏水时难度较大。

是指先开挖两侧导洞与中导洞, 然后施作拱部第2层初支, 第2层初支充当临时二衬, 以加大拱盖的整体强度。该工法具有拱盖强度偏低等缺点。

与初支拱盖法基本类似, 主要区别是第2层初支采用模筑混凝土并与第1层初支叠合以提高拱盖的强度, 与初支拱盖法相比适应范围更广。

通过以上所述, 相对于二衬拱盖法和初支拱盖法, 双层叠合初支拱盖法克服了两者的不足, 具备广阔的应用前景。

1) 为了保证拱盖的整体稳定性, 大拱脚下设纵向冠梁, 将拱盖上部荷载均匀地传递给下覆基岩。

2) 为了实现大跨或多跨结构, 扣拱过程采用浅埋暗挖分部开挖法, 实现由小跨到扣拱大跨的转换。

3) 为了保持地下高边墙围岩的稳定, 采取预应力锚索+锚喷支护, 实现了地下大空间作业。

4) 为了控制沉降、保护已施工结构, 采用减振爆破和松动爆破, 减小了对地层与已施工结构的扰动。

重庆轨道交通5号线凤西路站车站主体开挖支护采用初支叠合拱盖法施工, 施工中严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则进行开挖施工。根据位移量测结果, 评价支护的可靠性和围岩的稳定状态, 及时调整支护参数, 确保施工安全。

双层初支叠合拱盖法施工步序如图3所示, 各导坑每循环开挖进尺控制在1.5m内。

施工步序:①开挖左右上导洞1, 2部土体施作初期支护;②开挖左右导洞3, 4部土体, 施作初期支护, 大拱脚部位打设注浆管注浆, 浇筑拱盖拱脚纵梁, 浇筑拱盖模筑混凝土;③开挖上部中导洞5部土体, 施作初期支护 (锚杆、钢架、喷混凝土、临时竖撑) ;④施作拱部中央部位加强拱盖, 而后开挖中部中导洞6部土体, 拆除临时竖撑;⑤开挖下半部分中部土体7, 面层喷混凝土;⑥开挖下半部分左右两侧8, 9部土体, 施作侧墙部分初支;⑦开挖下半部分左右两侧10, 11部土体, 施作侧墙部分初支;⑧开挖下半部分中部土体12, 施作仰拱部分初支;⑨开挖下半部分左右两侧13, 14部土体, 施作侧墙部分初支;⑩开挖下半部分左右两侧15, 16部土体, 施作侧墙部分初支, 初支完全封闭

ϕ25中空注浆锚杆, 拱部长4m (边墙为3m/5m) , 环向间距100cm, 纵向间距50cm/75cm, 梅花形布置。

ϕ22砂浆锚杆, 长1.5m, 环向间距100cm, 纵向间距50cm/75cm, 梅花形布置。

主体支护初支铺设双层钢筋网片、临时支护初支铺设单层钢筋网片, 网片规格ϕ8@200×200。

主体支护钢支撑采用I25b, 临时支护钢支撑采用I22a, 钢支撑间距50cm/75cm, 纵向连接筋采用ϕ22螺纹钢筋, 环向间距1 000mm。主体支护钢支撑在拱部采用ϕ42锁脚锚管, 锚杆长5m, 纵向间距50cm/75cm, 在边墙处采用ϕ25中空锚杆, 长5m, 纵向间距50cm/75cm, 临时支护锁脚锚杆采用ϕ22砂浆锚杆, 锚杆长1.5m, 纵向间距50cm/75cm。

施工参数:主体初支喷射混凝土强度等级为C25, 喷射厚度33cm;临时初支喷射混凝土强度等级为C25, 喷射厚度25cm。

体系转换处超前小导管ϕ42钢管长4m, 环向间距0.4m, 纵向间距2.5m, 隧道内其他地段超前小导管采用ϕ42钢管, 长3.5m;沿拱顶布设, 环向间距40cm, 纵向间距2/2.25m;注1∶1水泥浆填充。

标准段第1层初支严格按照“新奥法”理论, 采取“管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤测量”的施工方法, 每导坑循环开挖进尺不大于2榀拱架。为保证超前小导管打设角度, 采用在拱架上按设计间距割孔的方式, 小导管从拱架割孔的位置安装, 尾部与拱架焊接牢固。

标准段拱盖按照“纵梁浇筑→拱盖Ⅰ部混凝土浇筑→拱盖Ⅱ部混凝土浇筑→拱盖Ⅲ部喷射混凝土”的顺序施工。纵梁钢筋绑扎后在顶部预埋连接钢板, 由于拱盖Ⅰ, Ⅱ部拱架施工时, Ⅲ部未开挖完成, 故在主体竖向支撑上设置I18横梁, 防止拱架移位和变形, 待Ⅲ部施工完成并封闭成环后予以拆除, 为防止爆模, 拱盖Ⅰ, Ⅱ部均分成两次进行浇筑。

车站主体⑥部作为开挖⑤部和喷射拱盖Ⅲ部混凝土的操作平台, 必须在拱部结构施工完成后开挖, 施工时先拆除半边竖撑, 开挖完⑥部土体后再拆除另一侧竖撑。

1) 大拱脚施工 车站主体拱盖拱脚落在2.5m高的钢筋混凝土纵梁之上, 故保证大拱脚下围岩稳定是拱盖法成功与否的关键。为保证纵梁下地基有足够的承载能力, 采用锚管和中空锚杆对大拱脚下围岩进行注浆加固, 加固后的围岩需达到中风化岩层强度。

2) 初支与拱盖的连接 为保证拱盖与初支连成整体, 在初支内预埋ϕ22锚固钢筋, 并与初支拱架焊接, 锚入初支内长度≥30cm, 预留长度≥35cm。待拱盖浇筑完成后, 初支与拱盖将形成整体受力结构, 降低掉拱风险, 保证下断面施工安全。

3) ⑤, ⑥部开挖支护 ⑤, ⑥部采用台阶法开挖, 其中⑤部分上下微台阶开挖, 上台阶高度以满足施工人员和机械操作为标准, 尽量减少对围岩的扰动, 每循环进尺不大于2榀拱架, 且超前小导管的打设和注浆必须按设计要求执行, 可有效减少地表沉降。⑤部全部施工完成后, 对拱盖Ⅲ部及时封闭成环, 再开挖⑥部土体, 待拱盖混凝土达到设计强度后, 进行拆撑作业。洞内防排水处理

4) 因泥岩软化指标高遇水后极易软化, 施工中需加强洞内防排水处理, 防止大拱脚被地下水浸泡。

5) 监控量测与应急抢险 施工中需认真进行大拱脚内移及拱盖下沉的监测, 及时预警, 施工现场做好拱盖下沉过大的应急准备。

拱部初支完成后, 先施作左右Ⅰ部加强初支XWL1, 再施工左右导坑Ⅱ部加强初支, 最后施作Ⅲ部加强初支, Ⅰ部加强初支纵梁XWL1采用30cm钢模板, 现浇C35混凝土;Ⅱ, Ⅲ部加强初支:采用自制台架+30cm钢模板, 现浇C35混凝土。

重庆轨道交通5号线凤西路站下断面原设计分4层开挖, 经过实际开挖地质情况分析结合工程施工经验, 认为分层越多对拱盖的支撑土体扰动次数越多, 决定分为3层进行开挖, 分层高度分别为2.5, 3.5, 3.383m, 为了减小爆破对纵梁的破坏, 第1层分层高度与设计一致, 并在第1层边墙每榀拱架设置了4根锁脚锚杆, 来增加拱架对纵梁的支撑力, 局部围岩破碎处进行了预埋钢管注浆处理。

设计下断面开挖需先拉中槽, 再分左右侧开挖大拱脚下边墙, 但开挖中槽需将拱部临时竖撑全部拆除, 易引起地表和拱顶沉降, 风险较大, 且设计7部中槽较深, 不利于挖机出渣。故采取先拆除单侧临时竖撑, 再分部开挖左右两侧土体的方法施工, 在大拱脚下用非电毫秒雷管爆破, 严格控制装药量, 防止对大拱脚下土体造成破坏。

设计第12部开挖后需先施工仰拱中部初支, 再开挖两侧土体, 这样会导致两侧土体开挖和挖机挖渣时对仰拱中部初支拱架和喷射混凝土造成破坏, 甚至拱架连接板会变形扭曲, 与两侧拱架无法对接。所以, 工程实际采取先施工边墙和仰拱水平拱架, 并将喷射混凝土施工后再连接中间的弧形拱架。

为避免开挖爆破对拱盖大拱脚的影响, 下断面第1层分层高度为2.5m, 分左右侧进行开挖, 每循环进尺控制在两榀拱架, 每榀拱架设置4根3m长锁脚锚杆, 开挖前先拆除中隔壁的一侧临时竖撑。下断面第2层分层高度为3.5m, 由大里程向小里程方向施工, 先将第1层边墙开挖至距离2, 3号出入口5m处停止, 并打通2号出渣支洞, 此时可同时从1, 2号支洞同时出渣, 大大提高了工作效率。将第2层边墙开挖至距离第1层边墙约5m时, 2层可同时向小里程开挖至端头。下断面第3层分层高度3.383m, 横向分3部开挖, 先拉中槽, 再分左右侧错进开挖支护, 错开长度≥2m, 每循环进尺不大于4榀拱架。第3层边墙从2号出渣支洞往大里程开挖, 开挖后及时施作仰拱初支封闭成环, 并按设计施作防水层、细石混凝土保护层、仰拱及填充混凝土, 形成台车拼装区。然后由大里程向小里程方向按台阶法施工上、中、下层边墙至端头墙。

下断面边墙施工难免会对纵梁下土体进行扰动, 这就要求在开挖过程中尽量控制爆破振速, 多打眼、少装药, 纵梁下土体爆破前必须先有临空面才能实施爆破, 控制每循环进尺, 缩短纵梁暴露时间, 加密锁脚锚杆, 防止拱脚悬空, 加强拱脚板连接和连接筋焊接质量。

仰拱必须分左右侧错开开挖支护, 严禁两侧拱脚同时悬空, 首先保证水平拱的及早支护对拱脚的稳固, 然后及时施工中部弧形拱架, 尽早封闭成环。

拱墙衬砌采用9m自行式模板台车施工, 堵头模板采用5cm厚木板加工制作, 10cm×10cm方钢加固。台车浇筑时, 由下而上由第一层窗口开始分层对称灌注, 每层灌筑高度不超过40cm, 采用附着式平板振动器和人工用插入式振捣器充分振捣。每层的浇筑顺序从混凝土已施工端开始, 以保证混凝土施工缝的接缝质量和便于排气。混凝土灌注过程中组织好放料、停料及振捣时机, 特别应注意混凝土泵送满后的刹间停泵时机, 严禁强行泵送。二次衬砌施工关键:仰拱初支完成后尽快施工仰拱钢筋和混凝土, 对于接口部位要快速施工拱墙衬砌, 以保证拱盖的稳定。

车站拱部开挖完成且拱盖浇筑完成达到强度后, 施工通道支洞进入车站主体站台层, 负责车站下半部分开挖, 下半部采用台阶法开挖。

车站主体由1号支洞进入正洞施工, 支洞开挖至人防段和普通段交界处, 于人防断面结束处设置两榀密排钢架, 继续开挖矩形断面至接口位置, 架立交叉口门架。继续向前按台阶法 (每循环进尺≤1m) 开挖车站断面范围内矩形断面转换通道, 至车站拱墙开挖外轮廓线, 根据高度变化架立矩形门型钢架 (见图4) , 并施作初期支护。随后在门字架下方沿主体断面按0.55m间距架立加强拱架, 以保证开挖主体导坑、拆除门字架竖撑时的掉拱风险, 加强拱仅支洞每侧两榀拱架落底, 中部设置工字钢横梁, 最后按导坑进行主体开挖。

由于体系转换处围岩较差, 为保证进洞安全, 防止围岩对支护结构挤压变形, 将体系转换门字形钢架由设计的I22a加强至I25b, 间距由50cm调整至65cm, 净空高度增加30cm。原设计在体系转换开口处设置3榀I25b过梁, 过梁竖撑垂直置于地面上, 竖撑的设置将侵占过多主体净空, 严重影响施工车辆通行, 且增加后期拆撑风险, 故将体系转换门字拱架加高, 在口部两侧设置加强拱架, 拱架之间增加横梁, 横梁端头焊接与加强拱架上, 同时也可将体系转换口部的其余门字形钢架竖撑置于加强拱架背部, 这样即可保证开挖主体导坑拆除门字架竖撑的安全, 又不影响施工车辆通行。

1) 泥岩遇水软化后地基承载力降低。

2) 受边墙部位的砂岩、泥岩结合面或围岩外倾结构面等因素影响, 边墙开挖时局部坍方引起的大拱脚悬空、失稳。

3) 隧道边墙爆破开挖时, 对拱脚围岩扰动过大, 导致地基承载力降低。

为确保加强初支大拱脚的安全, 对该部位的围岩制定了预注浆加固措施;但因泥岩或砂岩的渗透系数小, 预注浆加固很难达到预期效果。因此可对第1层初支的超前支护及支护参数进行加强, 尽量减少双层叠合初支对大拱脚地基的依赖性。

根据出入口揭露的工程地质情况, 当泥岩节理裂隙较发育、砂岩局部水平层理发育, 泥岩、砂岩的工程地质条件差, 需通过注浆手段以提高大拱脚处围岩的整体性与承载能力。

根据拱盖法设计理念, 加强初支 (拱盖) 与第1层初支共同受力, 在施工下断面期间承担所有的外部荷载, 需严格控制拱盖施工质量。

下断面边墙开挖时, 需严格控制爆破施工对大拱脚处基岩的扰动。

因泥岩软化指标高、遇水后极易软化, 施工中需加强洞内防排水处理, 防止大拱脚被地下水浸泡。

施工中需认真进行大拱脚内移、拱盖下沉的监测, 及时预警, 施工现场做好拱盖下沉过大的应急准备。

拱部初支施工完成后, 为进行后续下断面的开挖支护, 必须组织拆撑施工。而支撑拆除时, 拱部支护结构受力模式发生突变, 易引起支护结构开裂、严重变形甚至坍塌, 预防措施如下。

1) 支撑拆除必须在加强拱盖达到强度、回填注浆后方可组织, 且地面和洞内拱顶监控量测数据须趋于稳定。

2) 拆撑采取分段跳拆的方式进行组织。在距离洞口15～20m处开始跳段拆除, 第1次先拆除2m, 根据监测数据的变化情况, 若数据变化符合相应要求, 再拆除2m, 再监测数据的变化情况, 取得经验数据后, 每次跳段不超5m。

双层叠合初支拱盖法施工时, 上断面中导洞开挖造成的地表沉降最大, 下断面开挖围岩变形几乎不发展, 即中洞开挖至施作加强初支完成阶段为地表沉降发展最急剧阶段。当地表环境复杂或有重要文物、建筑物及交通工程时, 施工需严格控制地表沉降。预防措施如下。

1) 加强与外界的沟通, 取得外部支持, 对施工影响范围内的行车速度限速并设置交通标志。

2) 减少中导洞开挖宽度。

3) 中导洞第1层初支连拱后及时施作加强初支的拱部, 确保加强初支及时成拱。

1) 保证大拱脚下围岩稳定是拱盖法成功与否的关键。为保证纵梁下地基有足够的承载能力, 采用锚管和中空锚杆对大拱脚下围岩进行注浆加固, 加固后的围岩需达到中风化岩层强度。

2) 拱脚纵梁能很好地将拱部上部荷载均匀地传递到稳定的基岩上, 车站主体拱盖拱脚需落在2.5m高的钢筋混凝土纵梁之上。

3) 第1层边墙每榀拱架设置了4根锁脚锚杆, 来增加拱架对纵梁的支撑力, 局部围岩破碎处进行了预埋钢管注浆处理。

4) 下部土体采用3层开挖, 减少对拱部的扰动, 同时, 加大施工工作面面积, 提高机械使用效率。

5) 弱爆破控制, 在大拱脚下用非电毫秒雷管爆破, 严格控制装药量, 防止对大拱脚下土体造成破坏。控制爆破振速, 多打眼、少装药。

6) 提出合理的体系转换参数, 保证双层叠合初支拱盖法安全高效施工。

7) 针对大拱脚失稳, 临时支撑风险及周边环境控制进行了研究并给出了相应预防措施。