1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 4300632.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，湖北 武汉 430063
常用的城市地铁车站施工方法有盾构法、盖挖法、明挖法和浅埋暗挖法4种。
地铁工程建设周期长，环境复杂，规模浩大，施工对道路资源的占用等致使原本繁忙的交通状况更显拥堵，对居民的正常通行有严重影响。当地铁车站设在主干道下而交通不能中断且需要确保一定交通流量要求时，应选用浅埋暗挖法进行施工。浅埋暗挖法现已在北京、杭州、青岛、广州、天津、深圳等城市地铁车站开挖中使用。
针对青岛、重庆等地区特有的“上软下硬”地层情况，为了充分利用硬岩地层承载能力高的特点，多个地铁车站采用大拱脚薄边墙断面结构形式［1］。位于软弱地层的大拱脚薄边墙结构上台阶施工风险较大，车站施工时，拱部需要采用小导管和大管棚注浆进行超前支护。因此，开展大拱脚薄边墙大跨车站拱部超前支护措施的研究，对隧道主体开挖以及拱部二衬顺利施作有重要意义。
超前小导管和超前大管棚注浆通过向洞室拱部周边围岩高压注浆，即施工过程中向地层岩土体中高压注浆，使水泥浆液渗透、扩散到岩土体孔隙中，通过改变岩土体物理化学性质增强其力学性能，并在隧道拱部形成一个稳定防水的预支护拱结构［2］。浆液填充岩体孔隙，提高岩土体力学性能的同时，将裂隙水流淌路径堵塞从而起到堵水作用，减小掌子面拱部渗流。
超前小导管和超前大管棚注浆支护机理可分为注浆对松散岩土体加固作用和结构力学作用。
小导管和大管棚注浆过程中，浆液均匀通过小导管或大管棚的出浆孔压入松散围岩孔隙中，小导管和大管棚注浆的注浆措施有劈裂注浆、填充注浆、挤密注浆、渗透注浆等。在浆液化学胶结作用和惰性填充作用等物理化学作用变化下，岩土体现有的物理、化学性质改变。浆液凝固将松散围岩连成强度较高的一个整体从而提高岩土体的力学参数［3］。浆液饱和度、浆液与岩体交界面结合形式、浆液凝结时间、灌浆材料等都会影响注浆加固区域岩土体强度增长。
小导管和大管棚注浆不仅改变岩土体力学性能，浆液凝固后小导管和大管棚还起到了锚杆桩、锚杆、棚架等结构作用，使加固围岩区域整体稳定性得到提高。
1）锚杆桩作用。超前小导管注浆或超前大管棚注浆中，钢管一端与隧道初期支护钢拱架刚性连接，注浆凝固使钢管与岩土体紧密凝结，形成拱形加固圈。洞室开挖，洞室周边围岩卸荷时，拱形加固圈承载围岩松散压力，支护结构的钢管便能起到锚杆桩作用［4］。
2）锚杆作用。小导管和大管棚结构钢管作用与锚杆支护作用机理相同。主要有组合梁原理、联接原理、均匀压缩原理。在隧道开挖过程中，小导管和大管棚结构同时发挥着三种支护原理。根据施工工艺、围岩地质条件、小导管及大管棚的布置形式，这三种锚杆支护原理两种或三种同时起主要承载作用。
3）棚架作用。隧道开挖过程中，靠近掌子面区域小导管和大管棚注浆加固形成的预支护拱以掌子面后方初期支护中格栅钢架和前方未开挖岩土体为支点，在隧道纵向起支撑中部围岩荷载作用，即小导管和大管棚注浆预支护拱在掌子面开挖区域起承载梁作用。
车站位于青岛市南京路与江西路十字路口南侧，沿南京路南北走向，与远期规划的地铁5 号线换乘，为地下两层岛式站台车站。车站起点里程K8+358.491，终点里程K8+605.491，全长247 m，主体结构采用暗挖法施工，拱顶埋深9.3～10.5 m，结构内宽20.6 m，高15.5 m，拱部开挖跨度达23 m。车站采用大拱脚薄边墙断面结构型式以充分利用硬岩地层承载能力高的特点。见图1、图2。
图1 地铁车站横断面
图2 拱部超前支护示意
车站采用钻爆法施工，对于大拱脚薄边墙结构，由于车站拱部围岩软弱，且开挖跨度较大，因此上半断面采用双侧壁导坑法施工，设立了2 道竖向支撑起减跨作用，使初期支护结构受力更加合理［5］。同时，由于下部围岩为完整性较好的微风化花岗岩，模筑拱部衬砌，将拱脚架设于完整岩石上，形成可靠的支撑结构。待上部混凝土拱浇筑完成后，再进行下部开挖。
车站里程K8+371.191 至K8+595.591 的范围内，由于车站结构拱顶处于强风化花岗岩中且覆岩厚度较薄，为确保掌子面稳定及控制地表沉降，采取φ76 自进式管棚+φ32 超前小导管对掌子面前方岩体进行预加固。见表1。
表1 超前支护措施
根据车站隧道两种超前支护措施，分别分析隧道开挖过程中超前注浆对岩体加固作用，及小导管和大管棚在车站隧道开挖掘进过程中结构力学作用。
本节主要考察大断面地铁车站隧道开挖采取小导管和大管棚注浆加固作用和超前支护结构棚架效应，计算过程中，未考虑爆破振动固结沉降，地下水流失引起固结沉降，水流带走泥沙等引起地层位移沉降。
车站拱部开挖跨度达23 m，整体模型尺寸宽100 m，高50 m，隧道纵向长度60 m，车站隧道上覆10.5 m 地层。三维模型采用FLAC_3D 有限差分法进行施工模拟，采用摩尔-库伦塑性模型。见图3。
图3 三维有限元计算模型
计算过程中每循环开挖进尺为1 m，左、右导洞开挖步距为16 m，中导与右导开挖步距为16 m。
钢拱架与喷射混凝土作为一种复合材料，按照所占面积大小采用等效的壳单元进行模拟，将钢拱架强度折算到喷射混凝土层中。地层及支护物理力学参数见表2。
表2 地层及支护物理力学参数
取隧道纵向16 m 处横断面为分析断面，设未采取超前加固措施施工为工况一，采取小导管和大管棚注浆施工为工况二。工程地勘报告显示拱脚位置岩体为中风化花岗岩，此时两种工况下拱部施工地表沉降槽曲线见图4、图5。两种工况各施工阶段地层位移见表3。
图4 未采取超前支护分析断面沉降曲线
图5 小导管和大管棚超前注浆分析断面沉降曲线
表3 两种工况各施工阶段地层位移
由图4、图5 和表3 可知，未采取管棚注浆工况拱部贯通时最大地表沉降值为41.2 mm；采取管棚注浆工况拱部贯通时最大地表沉降值为20.5 mm，比前者小20.7 mm。由此可知，小导管、大管棚超前支护可以有效控制地层位移的发展。
隧道开挖后引起应力重分布，使岩土体从初始应力状态进入二次应力状态，及时施作支护结构后，岩土体进入三次应力状态。应力重分布过程中必然引起地层位移，这种位移表现在隧道开挖轮廓直径的减小，即拱顶沉降和围岩收敛。在一定条件下，隧道所在地层岩土体允许地层位移越大引起塑性区范围越大，而所需支护结构提供支护阻力越小。因此，衬砌支护阻力与地层位移有必然联系。
隧道施工过程中，小导管和大管棚注浆加固地层岩土体形成预支护拱承载隧道开挖释放部分荷载，给架设初期支护争取了时间，初期支护架设后可以很好地承受隧道开挖跨度过大引起较大松弛压力。而工况一因未采取加固措施，根据特征曲线法分析，架设初期支护时围岩已经发生较大的初始位移，致使后期围岩特征曲线与支护特征曲线达到最终平衡状态时，围岩发生较大位移。
图6 为采取超前加固措施隧道各施工阶段地表沉降槽曲线，拱部贯通、临时支撑拆除、施工完成三个阶段最大地表沉降值分别为20.5、22.3、23 mm。即依托工程大拱脚薄边墙结构拱部开挖后，后续施工引起沉降值只有2.5 mm。
图6 分析断面地表沉降曲线
三维模型模拟各开挖步施工过程中以梁单元模拟小导管、大管棚结构分析其结构作用。分析工况二隧道上台阶左导开挖至48 m 处、右导开挖至32 m处、中导开挖至16 m处时管棚剪力、弯矩。
分析管棚剪力、弯矩计算结构，在各导洞掌子面开挖区域，支护结构还未施作时，管棚以承载梁的结构形式承受了部分形变引起松弛压力，抑制掌子面区域由初始应力状态到二次应力状态转变过程中应力重分布引起隧道周边岩土体地层位移；架设支护结构区域预支护拱与支护结构共同承载松弛压力，大管棚所受轴力、弯矩均较小且比较均匀。
以上分析说明，隧道开挖过程中，靠近掌子面区域小导管和大管棚注浆加固形成预支护拱，以掌子面后方初期支护中钢支撑和前方未开挖岩土体为支点，在隧道纵向起支撑中部围岩荷载作用，即在掌子面开挖区域起承载梁作用。架设支护结构后，预支护拱以支护结构前、后钢拱架为支点，在隧道纵向与喷射混凝土共同起支撑中部围岩荷载的作用。
这种承载梁作用在施工掌子面遇到围岩突变等突发风险时，能有效控制拱顶塌方、冒顶等施工风险。
通过对大拱脚薄边墙结构地铁车站采取超前加固和未采取超前加固两种工况，拱部开挖引起地层位移分析和对小导管、大管棚结构作用的分析得出以下结论及建议：
1）小导管、大管棚超前支护可以有效控制地层位移的发展。
2）根据特征曲线法分析，未采取加超前加固措施隧道开挖，架设初期支护时围岩已发生较大的初始位移，致使后期围岩特征曲线与支护特征曲线达到最终平衡状态时，围岩发生较大位移。
3）小导管注浆和大管棚注浆加固地层岩土体形成预支护拱，承载隧道开挖释放的部分荷载，架设初期支护时围岩发生较小的初始位移，为架设初期支护争取了时间。架设初期支护后可以很好地承受隧道开挖跨度过大引起的较大松弛压力，有效抑制了地层位移的发展。
4）隧道开挖过程中，靠近掌子面区域小导管和大管棚注浆加固形成预支护拱，以掌子面后方初期支护的钢支撑和前方未开挖岩土体为支点，在隧道纵向起支撑中部围岩荷载作用，即在掌子面开挖区域起承载梁作用。这种承载梁作用在施工掌子面遇到围岩突变等突发风险时，能有效控制拱顶塌方、冒顶等施工风险。
5）架设支护结构后，预支护拱以支护结构前、后钢拱架为支点，在隧道纵向与喷射混凝土共同支撑中部围岩荷载的作用。