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对伊朗大不里士地铁车站新工法效果的研究
Mohammad H. Sadaghiani*, Saleh Dadizadeh
土木工程系， 谢利夫工业大学， 德黑兰， 伊朗
摘 要：本文以大不里士地铁1号线的Mansour车站（Tabriz Urban Railway Organization, TURO）为例，介绍了一种基于新型预支撑系统的大型地下空间工程的施工方法。目前伊朗正在研究并使用这种施工方法。Mansour Station埋深浅、周边土层柔软、跨度大，且周边地面交通繁忙，故需要一种可以控制地下空间稳定性及地面沉降的地下施工方法方可建设。本方法包括一个称为混凝土拱预支撑系统（CAPS）预支撑系统。CAPS的施工主要基于伊朗旧式小型输水隧道Quanat的建设方法，该方法通常比常规方法（如超前伸梁掘进法）更快捷且更经济。CAPS是一种由混凝土桩和拱形梁组成的肋状地下结构，它围绕预先规划的地下空间建造。自2002年以来，该工法已在德黑兰地铁的多个地铁车站中使用，并可用于相似地层条件下的任何大跨度地下空间。笔者用数值模拟软件模拟了全部施工阶段并分析地层反应。结果表明，CAPS可减少地面沉降并能增加地层稳定性。拱形梁的尺寸及其间距对地层变形也有显著影响。
关键词：地铁车站；施工方法；预支撑系统；CAPS；数值模拟；地面沉降
1 前言
隧道开挖引起的应力重分布会引起土体位移，并最终引起地表沉降。控制城市地面沉降的重要性已得到广泛认可，并不断有人开发新的施工方法。地下开挖引起的地面沉降可能会严重破坏附近的建筑物和地下公共设施（Sozio,1998; Sekimoto等,2001）。Peck（1969），Chow（1994），Wang和Sampaco（2000）和ITA（2007）提出了几种预测地面沉降的方法。在最近的文献中描述并研究了各种用于改善地下挖掘的稳定性并减少沉降的地面处理技术。Carrieri等人（2002），Kontolhanassis等人（2005），Lignola等人（2008）和Ocak（2008）描述了不同的超前伸梁掘进法和注浆方法，Johnson等人解释了用混凝土小型水平隧道预先支护主体隧道（1983）。
本文介绍并研究了一种新型预支撑方法，即混凝土拱预支撑系统（CAPS），它对于稳定浅层软土地基上的大跨度地下工程非常有效。这项技术会在主体开挖之前围绕预先规划好的地下空间建造包括灌注桩和曲梁（拱）在内的地下加固混凝土构件，以在地下部分开挖过程中支撑土体。在预支护后可以采用多种方法进行挖掘。在这种情况下，可使用多段挖掘和支撑来建造所需部分。
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* 通讯作者. 电话.: 98 21 4441 1747; 传真: 98 21 4444 5029.
邮箱地址: mhsadagh@sharif.edu (M.H. Sadaghiani).
在过去的几十年中，数值模拟已迅速成为解决包括稳定性分析和预测系统行为在内的工程问题的主要方法。数值模拟，例如有限元法，是分析地下空间在连续施工中的稳定性以及确定有效参数影响的有效工具（Delezalova,2002; Gall等,2004; Ercelebi等,2005）。在这项研究中，作者利用数值方法分析了一个大不里士地铁车站中CAPS工法、施工阶段以及某些参数的影响。
2 工程地质条件
大不里士是伊朗西北部的一个大城市，人口超过200万。大不里士的地铁建设始于2003年。1号线自东向西，分两段。第一段长约6公里，将东部的Elgoli Park与Daneshgah Station连接。此段采用明挖覆盖法修建，包含6个车站。第二段全长约12公里，连接Daneshgah Station与西部的Laleh Station，共14个车站。该段的主要部分位于交通繁忙、地下公共设施密集的市区；因此，明挖覆盖法在此段不适用，主要部分的隧道和多数车站必须采用地下施工方法建设。两台土压力平衡隧道掘进机（EPB-TBM）打通了两个独立的隧道（即双线隧道），并且将使用地下施工方法建造十个车站。根据施工计划，首先开挖双线隧道，然后再建造车站。正在规划的车站，即Mansour车站（10号车站）是一个地下岛式车站，长110 m。该站的横截面如图1所示。
图1. 曼苏尔站的横截面
地质上，大不里士位于伊朗西北部的一个构造带。它沿着阿尔卑斯-喜马拉雅山活跃带。Mansour Station位于Bamesheh Formation。该构造由泥灰土和泥灰岩组成，上层沉积物为粉砂至砾石砂。地下水水位全年内变动。车站位于浅层冲积层中。笔者进行了工程地质勘察，确定了1号线沿线的工程地质和水文地质(TURO, 2004)。在车站附近钻挖三个40m深的钻孔，并从中取样进行各项测试。车站周围土体主要是粉砂土和砂砾，地下水位线深越11m，图2。
图2.曼苏尔站地区的地质概况
3 施工方法
明挖回填法在此情况下不适用，因为应用此法需要中断路面交通并且需要重新布置城市地下管线。上一章所述的预支撑系统，即由加固混凝土拱梁组成混凝土拱预支撑系统（CAPS），其中每个拱梁都由两个侧桩支撑，而这些侧桩是在地下主体工程开挖之前用地下施工方法所建的。该系统于2002年在德黑兰地铁2号线的Mellat Station建设中初次应用。数值模拟结果显示地面沉降为24mm，而场地监测结果为19mm（Sadaghiani and Gheysar,2003）。由于其成功运用，CAPS已经成为德黑兰地铁系统中地铁车站和其他一些大跨度工程的主要施工方法（Sadaghiani and Ebrahimi, 2006; Sadaghiani and Taheri, 2008）。
CAPS在大型地下工程中的主要优势在于，通过在开挖之前对地下工程周围土体进行预支护，可以减少土体变形，从而提高了软土地基上浅埋工程大型开挖作业时的稳定性。该系统能够控制地面沉降，从而提高了整体稳定性。另一个优点是，由于可以在短时间内从多个面同时建造CAPS中的桩和拱梁，因此能够减少施工时间。在CAPS完工后且车站施工前，进行主体工程的多段开挖和早期支撑。主体开挖在较大截面内进行，随后安装轻质早期支护，例如在开挖面上挂网喷浆。由于同时进行连续施工，施工进度大大加快。
3.1.混凝土拱预支撑系统，CAPS
CAPS，即混凝土拱预支撑系统，是一种创新系统，类似于Bengt和Stillborg于1979年提出的Roc Pre-reinforcement System中的肋梁，而该方法在美国西雅图的Mt. Baker Tunnel得到应用，即在主体隧道开挖前先建造一个小型水平隧道作为预支撑系统（Johnson等，1983）。CAPS的施工方法源于伊朗古老的小型输水隧道，即一个称为Quanat的施工方法。Quanat由水井和连接水井的斜向凹坑组成。它们都是在冲积层中人工挖掘的，用以收集、分配并将水输送至下游用水处。为了在非常软弱的地基上增加稳定性，常在开挖过程中安装小型多孔混凝土构件。在CAPS中，围绕大型地下工程人工开挖的凹坑在垂直方向上可作为桩孔，在斜向和水平方向上可作为拱梁孔和连廊。人工挖掘凹坑的速度约为每天3米。通过增加人工，可以从多个方向开挖凹坑，并且可同时开挖多个凹坑，因此通常挖掘连廊、桩和拱梁费时都不长。在伊朗，这种人工开挖的工法通常比超前伸梁掘进法和注浆预加固系统造价更低、费时更少。在主体挖掘前，先用加固混凝土浇筑挖出的桩孔和拱梁坑，以塑造一个肋形地下结构框架。凹坑可以进行开挖并浇筑混凝土两道工序。在后续主体开挖过程中，CAPS只需最少的早期支护便可以支撑周围土体。
如需在地铁车站中使用此法，首先应使用新奥法或TBM工法沿车站挖掘隧道。从这一开口处出发，在目标区域开挖两个横向凹坑。横向凹坑的开挖长度超过车站主体的开挖长度。从横向凹坑的末端起，侧向坑（廊）的纵向开挖长度与车站两端开口间开挖长度相等。纵向凹坑的位置超出了车站主体的开挖线。在两个纵向凹坑内按设计间距建造了若干桩；并从桩的顶部开挖带有马蹄形截面的拱梁小坑，这些拱梁小坑从桩的两侧连接桩群，并形成一个拱形框架。在顶部之上又开挖了另一个纵向凹坑，并浇筑混凝土加固先前开挖的拱形框架。为了制造若干平行的加固混凝土拱形框架，常用混凝土浇筑按指定间距开挖的桩、拱凹坑。同时，为了制造围绕车站主体目标截面的地下连续框架结构，有时会用混凝土浇筑纵向凹坑。
对Mansour Station而言，实际所使用的CAPS有以下特点。 桩的直径为1m，深8m，拱坑的马蹄形截面尺寸为0.8m*1.3m，每个拱形框架间纵向距离为3m。图3形象地展示了这一施工过程。在这个用TBM挖掘的双线隧道车站内，先从隧道两侧开挖凹坑（图3-1c），随后在规定处沿隧道全长（110m）人工挖掘三个纵向隧道（图3-1a，b）。然后在纵向凹坑内，按规定间距为侧边的桩挖掘井孔（图3-2d），在安装钢筋后，再用混凝土浇筑井孔（图3-3）。随后在侧桩之间挖掘拱形凹坑（图3-4e），同样在放入钢筋后用混凝土浇筑，穿过顶部连廊连接对侧的桩，形成一个整体混凝土拱形框架（图3-5）。纵向凹坑未在数值分析中建模。如上所述，此类嵌入式混凝土拱形框架形成了一个预支撑系统 ，并且能够在进行主体开挖时像一个肋形结构一样起到支护作用。在数值模拟中，弯曲截面（例如柱和拱梁）用等面积的矩形截面替代。肋形CAPS结构的模型如图4所示。CAPS的主要优点是显著提高地层稳定性并减少地面沉降和工程用时。在完成预支护后，主体开挖可在适宜距离内开展。地下工程主体和CAPS的形状和尺寸以及主体开挖的顺序应视地层状况而定。通常需要在主开挖面之前建造三个混凝土框架。因此，通过控制施工进度，CAPS和车站主体能同时施工。
图3. CAPS的建造顺序
图4.在主开挖之前建造的肋状预支撑结构（CAPS）
3.2.地下主体车站施工阶段
地下车站主体工程的挖掘和支护分几个阶段进行。为了控制稳定性并减少位移，常在主体开挖后在桩、拱间土体上进行挂网喷浆。在最后一阶段内，用加固混凝土作为最后一层衬砌。图5展示了主要横截面的施工流程。首先开挖并喷射混凝土来加固顶部（上层）（图5-1），随后是侧墙和中层，再开挖并支护下层（图5-2，图5-3）。最后是底部、侧墙、顶部混凝土衬砌施工（图5-4，图5-5）。在纵截面内，每段最短开挖3m。图6展示了这些过程。随后每个挖掘阶段与上一阶段间隔6m。地基和侧墙的内层衬砌按6m间隔开挖，顶部的内层衬砌在略低一些的开挖面按12m间隔开挖。施工期内，假设地下水位线在基底埋深以下。通过车站周围的降水井点抽水可实现这一目标。因此在开挖时没有较大渗流出现，但在完成挖掘和内层衬砌而停止抽水后，水位线便会回到自然状态，地下水压力直接作用于衬砌之上。不同工程阶段间的适宜间距最初由设计期间不同情况下的数值模拟结果决定。起初先用恰当的顺序开始施工。然后利用现场仪器、监控设备和场地观测站修改和优化施工方法和顺序。
图5. CAPS施工后的横截面开挖顺序
图6.纵截面的开挖阶段
4 数值模拟
为了全面了解系统和地层支护的交互影响方式，作者做了一系列使用有限元法预测地层沉降、应力分布以及其他地层参数的数值模拟。为了为了预测更真实的系统反应，笔者进行了一系列3D有限元模拟。笔者用3D-Tunnel code进行了这些分析。为了精确地模拟挖掘和施工过程，笔者模拟了预支撑系统和车站的施工顺序，并逐步进行这些分析。取每段3m长度模拟施工阶段，而整个施工过程共取约。图7a展示了这一通用模型，并且因左右对称可以只考虑一半截面（图7b）。模型尺寸为宽46m（x方向），高40m（y方向），深48m（z方向）。边界条件为 ：沿洞口侧面边界，模型x方向上无法产生位移，但是y方向和z方向上可以自由运动。沿底部边界，x方向、y方向、z方向上的位移是固定的。如在3.2节中所述一样，在施工期间因为排水，在模型中可不考虑渗流和固结，因此便没有水力边界条件。然而在内层衬砌施工完成后就停止了降水，因此静水压力最大可等同于常态下地下水压力，并作用于衬砌之上。混凝土构件（例如桩、拱梁、喷射混凝土和衬砌）都按线弹性材料模拟，土体则使用摩尔-库伦模型。土工技术参数从场地获取，实验室试验结果如表1所示。因为在混凝土预支撑构件达到足够强度后才开挖主体，因此预支撑构件中混凝土构件的弹性系数假设为18GPa，喷射混凝土为12GPa，内层衬砌25GPa。
图7(a)一般3-D有限元模型，(b)部分截面和阶段施工的有限元模型
表1-曼苏尔站附近的土壤参数
|
土层名称 |
干重度（kN/m3） |
饱和重度（kN/m3） |
Phi; （°） |
C （KPa） |
E （MPa） |
nu; |
|
表土 |
17.6 |
— |
31 |
0 |
23 |
0.22 |
|
粉砂砾石 |
18.2 |
20.1 |
36 |
0 |
29 |
0.25 |
|
泥灰土，泥灰岩 |
23.7 |
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