轨道交通大断面深埋隧道施工工法——扩大拱脚台阶法_周捷.pdf

都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 收稿日期:2022-03-26 修回日期:2022-07-29 第一作者:周捷，男，硕士，高级工程师，主要从事轨道交通、隧道工程、岩土工程、地下结构等方面的设计、研究和管理工作， 引用格式:周捷，邹光炯，彭辉.轨道交通大断面深埋隧道施工工法:扩大拱脚台阶法J.都市快轨交通，2023，36(3)：117-123.ZHOU Jie,ZOU Guangjiong,PENG Hui.Construction method for large section deep-buried rail transit stations:bench cut method with expanded arch feetJ.Urban rapid rail transit,2023,36(3):117-123.117土建技术URBAN RAPID RAIL TRANSITdoi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.03.019 轨道交通大断面深埋隧道施工工法 扩大拱脚台阶法 周 捷，邹光炯，彭 辉（重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司，重庆 401122）摘 要:为适应轨道交通建设的新环境、新形势，结合重庆主城区地形地貌、地质条件和轨道交通车站特点，提出一种新的大断面深埋轨道交通车站隧道的施工工法扩大拱脚台阶法。该工法以新奥法为基本理论依据，充分发挥围岩的自稳能力和开挖面的空间约束作用，通过初支大拱脚的设置，将拱部荷载传递至拱脚围岩，从而提高拱部初期支护的承载能力和稳定性。同时，通过分台阶分步开挖，能够为大断面隧道开挖提供充足的施工作业空间，有效提高隧道的施工工效，节约工程投资、缩短工期。以重庆轨道交通 9 号线红岩村站为例，对该工法与双侧壁导坑法进行对比分析。通过理论计算分析，可以得出扩大拱脚台阶法对围岩的扰动更小，更有利于对围岩的保护和变形控制，工程风险更加可控。关键词:城市轨道交通；扩大拱脚；台阶法；双侧壁导坑法；大断面深埋隧道 中图分类号:U45 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)03-0117-07 Construction Method for Large Section Deep-buried Rail Transit Stations:Bench Cut Method with Expanded Arch Feet ZHOU Jie,ZOU Guangjiong,PENG Hui(Chongqing Rail Transit Design and Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 401122)Abstract:To adapt to the new environment and situation of Chongqings rail transit construction,this study proposes a new construction method for large-section deep-buried rail transit stations:the bench cut method with expanded arch feet.This method considers the topography,geological conditions,and characteristics of rail transit stations in the main urban area of Chongqing.Based on the New Austrian Tunneling method,it utilizes the self-stabilizing ability of the surrounding rock and space constraint of the excavation surface,transfers the load to the surrounding rock by setting large arch feet of the primary lining,and improves the bearing capacity and stability of the arch area.Additionally,step-by-step excavation provides sufficient construction space for the excavation of large-section tunnels,effectively improving construction efficiency and saving project investment and time.The Hongyancun Station of Chongqing Rail Transit Line 9 serves as a case study to compare and analyze this construction method and the double-side drift method.The bench-cut method,with expanded arch feet,causes less disturbance to the surrounding rock,is more beneficial for the protection and deformation control of the surrounding rock,and is more controllable in terms of engineering risk.Keywords:urban rail transit;expanded arch feet;bench cut method;double-sided drift method;large-section deep-buried tunnel 都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 118 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 受地形地貌的影响，相较于我国其他城市的轨道交通，重庆轨道交通的一大显著特点是暗挖车站较多，车站主体结构隧道开挖断面超过 400 m2，其最大开挖断面超过 700 m2，建设规模和难度较大，建设周期较长。基于重庆地区地质条件和工程风险控制，目前绝大部分暗挖大断面车站主体隧道施工工法以双侧壁导坑法为主，少量车站采用拱盖法施工，极个别地质条件较好的车站采用台阶法施工。双侧壁导坑法已发展多年，技术理论相对成熟，已广泛应用于各类大跨度隧道的建设，李晓兵1对双侧壁导坑法在地铁车站开挖中的风险进行了识别，并提出了相应的风险应对及管理措施，为双侧壁导坑法在地铁工程中的应用提供了进一步指导。但因繁杂的施工步序和施工难度，双侧壁导坑法已逐渐失去了原有的优势。齐万鹏2通过引入大跨浅埋暗挖车站适应性评价理论体系，认为双侧壁导坑法虽技术成熟、安全可靠，但在大跨浅埋暗挖车站施工中无明显优势。大连地铁基于明挖法、盖挖法和 PBA(洞桩法)工法，尝试了拱盖法在地铁建设中的应用，取得较好的效果3。与双侧壁导坑法相比，拱盖法工效更高、造价更低，能很好地适应“上软下硬”的地质条件4。随后，在青岛、重庆等地铁工程中，对拱盖法进行了不断的改进。其中，邹光炯等5首次提出了基于拱盖法的超大断面暗挖隧道洞内逆作法，为软质岩地区采用拱盖法创造了条件。相较于其他工法，拱盖法发展时间较短，相关理论和技术还不够成熟，对地质条件要求也较高，其普遍适应性仍需进一步研究。而台阶法虽然技术成熟，但对于大跨度暗挖车站隧道，虽偶有应用，因其对地质条件要求过高，不具备普遍适用性。因此，为进一步提升大跨度暗挖车站的施工效率，节省工程投资，更好地服务于重庆轨道交通建设，提出了适用于深埋暗挖大跨度车站隧道的扩大拱脚台阶法。1 扩大拱脚台阶法介绍 1.1 概述 扩大拱脚台阶法以新奥法为基本理论依据，其核心是充分利用围岩的自稳能力和开挖面的空间约束作用，通过设置拱部扩大拱脚格栅钢架，提高拱部初期支护的承载能力和稳定性，并采用锚杆和喷射混凝土作为支护手段，对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形。同时，基于大跨度隧道断面形状，将车站断面分为上、中、下 3 个台阶，其中上台阶分为左右 2 个开挖区，共 5 步开挖，在上台阶左右两开挖区中间设置临时中隔壁，以提高初期支护的刚度，有效控制围岩的初期变形。上台阶开挖后，采用“扩大拱脚格栅钢架+喷射混凝土+系统锚杆”作为初期支护，形成协同受力体系，通过扩大拱脚，将拱部荷载传递至拱脚围岩。上台阶开挖并支护完成后，再依次开挖中、下台阶。基于扩大拱脚台阶法施工的地铁车站主体隧道断面和钢架如图 1 所示。图 1 基于扩大拱脚台阶法施工的地铁车站主体隧道 Figure 1 Design of metro station tunnel cross section based on bench cut method with expanded arch feet(BCMEAF)1.2 施工步序 基于扩大拱脚台阶法施工的大跨度车站隧道共分为 3 台阶 13 步施工，施工步序如下：上台阶左侧导坑上部断面开挖，施作初期支护和临时中隔壁；上台阶左侧导坑下部断面开挖，施作初期支护扩大拱脚段；上台阶右侧导坑上部断面开挖，施作初期支护；上台阶右侧导坑下部断面开挖，施作初期支护扩大拱脚段；拆除上台阶临时中隔壁，开挖上台阶中部核心土；中台阶左侧导坑开挖，施作初期支护；中台阶右导坑开挖，施作初期轨道交通大断面深埋隧道施工工法扩大拱脚台阶法 119URBAN RAPID RAIL TRANSIT支护；中台阶中部核心土开挖；下台阶左侧导坑开挖，施作初期支护；下台阶右导坑开挖，施作初期支护；下台阶中部核心土开挖，断面开挖完成；敷设仰拱水层，浇筑隧道仰拱二次衬砌结构；敷设拱、墙防水层，浇筑隧道拱、墙二次衬砌及内部结构。施工步序如图 2 所示。图 2 施工步序 Figure 2 Excavation and construction steps 1.3 关键技术 扩大拱脚台阶法的核心是拱部初期支护中大拱脚的设置，因此，其关键技术主要有以下几点：1)大拱脚异形拱架的设计。异形拱架主要由多根主受力钢筋、多组架立钢筋、辅助钢筋和连接钢板组成，通过调整架立钢筋的尺寸以适应大拱脚初支的截面变化，如图 3 所示。异形拱架本质是一种桁架结构，能有效提高大拱脚初期支护的刚度，大面积架立钢板能均匀有效地将荷载传递至拱脚围岩处，同时也为整个初支拱盖提供足够的稳定性，充分发挥大拱脚初期支护的优势。2)上台阶分 5 步开挖，化整为零，控制每次开挖的面积，使大跨度隧道外围岩应力得到有序、可控的释放，最大限度地利用围岩的自稳能力。同时，临时中隔壁的设置，也有效控制了拱顶位移，为后续开挖创造了条件。图 3 大拱脚异形拱架单元 Figure 3 Heteromorphic arch unit of expanded arch feet 3)在每榀拱架大拱脚处设置两根长锚杆，对拱脚处围岩进行预处理，进一步提高大拱脚处围岩的承载能力。4)为确保大拱脚处围岩的完整性，大拱脚范围内都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 120 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 采用非爆开挖。5)由于隧道拱部荷载通过拱架传递至大拱脚处围岩，该处围岩受力较大，其所受荷载将作为附加荷载传递至中、下台阶侧墙，尤其是中台阶侧墙距大拱脚较近，其所受荷载将比常规开挖更大。因此，中台阶开挖后，及时施作该段侧墙初期支护，同时，通过增加该段系统锚杆的直径和长度，提高侧墙初期支护的承载能力和稳定性。1.4 与双侧壁导坑法对比 双侧壁导坑法作为目前重庆地区暗挖车站最常见的施工工法，已积累了丰富的工程实践经验，但在实施过程中，仍存在诸