伊朗Tabriz大跨度地铁施工.doc

研究新施工方法在伊朗Tabriz大跨度地铁站的应用
Mohammad H. Sadaghiani *, Saleh Dadizadeh Department of Civil Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
摘要：
在这篇文章里我们介绍一种以超前支护系统为基础的大型地下空间的建设方法，在Mansour的Tabriz地铁站（Tabriz市的第一条地铁线路）的建设时，伊朗已经采用了这种方法。Mansour地铁站有些特殊的地质环境特征，如浅埋、软土覆盖、大跨度及重要交通要道等，因此就需要一种既可以保持地下空间稳定又能很好控制地面沉降的施工方法，它就是包含了超前支护系统的的混凝土拱桥预支撑体系（CAPS）。这种方法主要是基于伊朗以前在修建小型水工隧道时的Quanat施工方法，Quanat法在超前支护方面比其他方法更加经济和快速，CAPS法是用地下结构的混凝土桩和周围将修建的拱梁组成类似肋骨型的建筑，利用该方法于2002年的德黑兰地铁建设时已经建成多个地铁车站，也适用于任何类似的大跨度地下空间建设。利用数值模拟来模拟所有的施工阶段，并分析地面的行为，结果表明CAPS法具有减少地面的沉降和加强地面的稳定性的作用，同时梁拱尺寸和大小的选择也对地面变形有显著的效果。
1、 简单介绍
土体中的隧道掘进所引起的应力重分部最终将表现在地面的变形上，随着必须控制城市地区地表沉降的观点被人们广泛的认识，新的施工方法也不断的在发展，由于地下空间的开挖所引起的沉降可能对附近建筑及地下公用事业空间造成严重的损坏，Peck、 Chow 、 Wang、 Sampaco 、ITA 等人提出了几种预测地表沉降量的方法，在最近的学术研究中，人们也发现了多种地基处理技术来提高地下空间开挖时的稳定性及地表沉降量。Carrieri、Kontolhanassis、Lignola及Ocak等人也解释了在小的水平混凝土隧道中应用不同的超前支护和注浆加固的方法。
本文所介绍的CAPS是一种新的预支撑的方法，他用于稳定大跨度浅埋软土地基的效果非常好，这种技术在桩、曲梁等钢筋混凝土构件主要围绕该地下空间的挖掘而设立的，保证地下工程中的地面施工部分的施工。随后的超前支撑和开挖可以用多种不同的方案实行。在这种情况下，在需要的部分可以配套应用多级开挖和支护方法。
在过去的几十年中，数值模拟已迅速成长为解决稳定性分析和预测体系等工程问题的主要手段。有限元法是数值模拟中用于在分析地下空间连续施工稳定性和决定有效参数的有用工具。Tabriz地铁站中利用数值方法中参数的变化分析了CAPS法及施工工序。
2、地理位置及地质概况
Tabriz是在伊朗西北部超过两百万人口的大城市，Tabriz地铁站始建于2003年，1号线从东到西分为两个阶段，第一阶段长约6千米并连接着东边的Elgoli Park和Daneshgah地铁站。这一阶段包括6个地铁站，它的修建应用了明挖法施工。第二阶段全长12千米，共设14个站，连接着Daneshgah站和西边的Laleh 站，这一阶段的主要部分位于城市的交通繁忙和拥挤的地下公用线路地区；因此，明挖法并不适用于这一阶段，而是主要采用暗挖法进行施工。将要采用土压平衡式盾构机修建这两个单独的隧道（双隧道），共有10个地铁站。根据施工计划，紧接着就会修建双线隧道和车站，正在审议的Mansour站（站号10）是一个长约110米的岛式车站，它的总截面如下图：

地质概况：Tabriz位于伊朗西北部的岩石构造地区，它是沿阿尔卑斯 - 喜马拉雅活动带，同时位于Bamesheh构造区.该地区主要是由泥灰岩、砾石、粉砂及上游冲积沉积物形成硬质泥灰岩。常年水位不断变化，该站位于冲击层深度较浅。进行岩土工程勘察时，以确定沿1号线岩土性质和地下水条件（TURO，2004年），在车站附近打3个四十米的钻孔进行取样分析，车站周围的土壤主要是砾石和粉砂，水位深度约为11米，如图2

3、施工方法
该位置不适用于应用明挖法施工，主要由于需要阻断交通和重新安置城市原有的地下管线。正如上边提到的一样，CAPS是一种与支撑系统，它是由钢筋混凝土拱梁相互支撑组成的，其相互支撑是由于用地下施工法修建的两侧边桩形成的反力。该体系首先应用于2002年德黑兰2号线Mellat站的建设中，数值分析的沉降量是24mm，而实际监测到的是19mm。鉴于它的成功建设，CAPS法广泛应用于地下空间建设及Mellat的大跨度地铁站建设中。
CAPS法的主要优点是通过在地下空间开挖前进行预支撑，这样可以很好的减小土壤变形，同时增加软土中大跨度低覆盖的地下空间的稳定性。这一措施限制了地面沉降，从而提高整体的稳定；CAPS法的另一个优点是可以缩短施工时间，由于过梁和拱的相互作用可以再短时间内形成多个工作面。在CAPS法施工后，车站的建设之前，先进行多级挖掘和支撑作业，在大跨度处施工时得安装很轻的初期支护系统，如喷浆，在出土的表面焊接丝网，由于同时连续施工，建设速度提前大幅增加。
3.1、混凝土拱桥预支撑体系CAPS
混凝土拱桥预支撑体系（CAPS）是于1979年被Bengt 和 Stillborg提出的一个类似大鸟肋骨结构的超前加固系统，该法随后也被应用于建筑建设中去，Mellat站也是应用了该法。美国西雅图的贝克区于1983年由Johnson等人建设了一条预支撑水平小隧道，使建筑的底部紧紧扎入土层中的CAPS法是过去伊朗人发明的，当时也被叫做Quanat。Quanat是由垂直导坑和水平坑道连接井组成的。他们都是在冲积层手工挖掘并收集地下水，并分配和传递到下游地区。在非常脆弱的地面上要保持稳定，需要按开挖过程中及时安装小块混凝土管片。在CAPS法中，要把垂直方向上的小导坑作为桩，把半水平和水平导坑当成拱开梁，并在地下空间周围以网状形式手工施做以上导坑作业。说拱开挖洞石的速度是每天3m左右， 通过增加劳动力，可以增加挖掘面的数量，这样几个挖掘面可以同时出土的，因此由桩和拱梁形成的网络结构可以在很短时间内形成。在伊朗这种手工开挖的方法比超前支护方法更加省时间和金钱，在所挖的桩和拱梁中填充钢筋混凝土材料，使他们在正式开挖之前形成一的类似于肋状的框架结构。接着硐室的开挖和浇筑可以同时进行，CAPS法同时要求对施工周围的土壤在开挖时要进行最小限度的预支撑系统。
为了在地铁站中使用这种方法，最初是在新奥法隧道盾构暗挖隧道中的主隧道挖掘时沿线单独挖掘车站。从开始时，挖掘时就在需要的地方设置小的横向出入口。然后从那些横向出入口进行开挖，直到地铁车站的主要线路。在横向硐室完工后，纵向挖掘直到地铁站所要求的尺寸，纵向平硐的位置是超出开挖线的主站起点，在纵向洞室的内部，每隔一定的距离修建一些桩结构和小的拱梁，再从顶不向两边施工从而形成类似马蹄形的拱架结构。再在该拱架完成之后修建另外一个纵向硐室，再按规定间距完成桩和拱部分后，再施做一系列平行的钢筋混凝土拱用来加强。在地铁站主要地区有时在纵向导坑中按需要填充钢筋混凝土，从而形成地下连续拱结构。
对于Mellat站，建议以下切实注意事项。桩的直径为1.0米和深度为8米，马蹄形拱硐室截面的尺寸；拱厚是0.8米，,高1.3米，每拱之间的纵向距离是3米。过程示意图为图3。此隧道的双线部分是由TBM机进行开挖施工，隧道的第一个侧向出入洞口（图3-1，C）和三个纵向导坑（图3-1，A,B）都是沿着车站全长（110M）在指定位置人力手工挖掘的。然后再纵向指定间隔处挖井作桩（图3-2，D），再在加强设施安装完成后浇筑混凝土（图3-3）。紧接着，在两个相对的桩之间挖洞室，使之和桩形成一个拱结构（图3-4，E），同样在加固之后，从顶部浇筑混凝土使它们形成一个整体的拱结构（图3-5）。纵向硐室不进行数值模拟分析，如上所述，起着支撑作用许许多多的拱结构充当肋骨角色来承担建筑施工开挖时的施工扰动。弯曲的部分（即桩和拱梁）在数值模拟时模拟等效矩形截面。CAPS法的数值模拟模型如图4。CAPS的主要优点是，以提高地面稳定和地面变形同时时施工时间大大减少。在前期工作完成之后，在合适距离处开始大部分的挖掘施工。根据地面条件、形状、CAPS法的尺寸和主要地下空间，确定主体开挖的顺序。通常情况下，要在主开挖面形成之前建设三个钢筋混凝土框架。因此，通过提供一些绝缘性材料可以使CAPS法施工和主站建设同时进行。

3.2、地铁站施工阶段
地铁主站处地下空间的开挖与支护分几个阶段进行，为了控制结构的稳定性和减混凝土的喷射量（喷浆），主要施工作业时在桩和拱梁之间挂一道金属网。在最后阶段，使用加强的钢筋混凝土材料作为最终衬砌。图5显示了主要断面的施工阶段。首先是做上部分的挖掘和喷射混凝土（图5-1）工作，然后再做墙体、中间部分及最后做下部分的开挖和支护（图5-2和图5-3）。最后在做墙体和上部拱出的衬砌，使上下两部分的衬砌相对形成一个闭合结构（图5-4和5-5）。纵向部分的开挖每次进尺最少有3米，图6展示了这些施工步骤。在前一个施工台阶之后，紧接着的一个台阶施工进尺是6米。基础和墙部分的衬砌施工落后于前边6米，最终的顶部拱处衬砌之后于下个工作面12米。在建设过程中，假设地下水位降低到水平面。其降水主要是通过周边井眼降水，因此在挖掘时没有大的地下水涌出，但是当开挖及衬砌施工完毕后，降水作业停止，水位恢复到自然水位出，此时衬砌将承受其产生的静水压力。通过不同条件下的数值模拟分析来确定每一阶段之间的距离， 适当的施工顺序最初是用来启动建设阶段，在施工现场进行现场的检测，可以及时对施工方案进行修改和优化。

4、数值模拟
为了全面了解系统的性能和地面支撑之间的相互作用，利用有限元法数值模拟体系预测地表沉降、应力分布及其他地面情况，同时为了对系统更加客观地预测，应用了三维有限元体系进行模拟。PLAXIS三维隧道代码就是用来执行这些分析的。对支护体系和主地铁站的施工顺序进行了模拟和分析，一步一步进行精确模拟开挖施工阶段。对施工阶段分3步进行模拟，总共大概把施工分成40个步骤。图7的a图显示了截面一半的模拟分析，由于隧道的对称性，则它的全部就是图7的b图。该模型的尺寸为宽度为46米（x轴.），高度为40米（y轴）和深度为48米的（z轴.）。边界条件是：沿垂直侧边界，模型不能在x方向移动，但在y和z方向自由移动，x沿底部边界运动，Y、z方向是固定的，
正如3.2节中所讲到的，由于降水施工期间，它的防渗和巩固在模型中没有考虑，因而不存在液压边界条件，然而在衬砌施工完成后，降水作业会被停止；因此，自然水下位静水压力就适用于最终衬砌，以土壤元素的Mohr-Coulomb模型为样本的混凝土构件（即桩，拱梁，锚喷支护和衬砌）是线性弹性材料，实地调查得到岩土参数如表1所示。由于开挖后的混凝土预支持单元的承载力已经达到足够的强度，因此，混凝土单元的弹性模量假定为18GPA，衬砌和喷射混凝土砂浆的模量依次为25GPA、12GPA。

选地面构造部分的四个位置进行调查比较其位移关系，结果如图8所示。地表的最大断面处的地表沉降的形状如图9所示。明确的是距车站中心1.5D距离的地方沉降达到零点（D是车站的宽度）。地表沉降也显示一些施工阶段的横截面如图10和纵剖面如图11所示，每条曲线上的数字表示开挖处到起始位置的距离。随着挖掘的继续位移在不断增加，但是随着开挖步骤的进行距起点距离的增长速度在不断减缓。在隧道开挖30米及衬砌施工后，该位置的地面沉降几乎固定在27毫米，这些位移是可以接受的。一般情况下，车辆在地面交通和地下交通中所产生的附加荷载均约为20KPA。交通负荷变化对位移的影响如图12所示， 可以观察到约25千帕的交通负荷对拱梁顶部的位移和沉降的影响。交通负荷率增加超过25千帕时位移增加，交通荷载对地下空间的底部起伏和侧墙变化几乎没有影响。为了确定拱梁结构的稳定性，在考虑到拱梁尺寸（主要是高度）和纵向拱梁间距后进行了分析，其结果如图13和图14所示。推断可知，拱梁的高度变化引起刚度变化对其位移变化有很大影响，这个参数对基底的起伏没有影响。拱梁结构之间的纵向距离对位移变化有着重要作用，尤其是地面位移和拱顶位移的变化 。

5、结论
现在我们已经引入了一个新的大型地下空间修建的施工，就是方法混凝土拱梁预支撑系统（CAPS）。在CAPS在建设中应用之后，人们会在地铁站的建设中初期支护体系的施工量会降到最少，由于CAPS法的成本低且各部分和整体之间可以同时进行施工，所以对于增加浅埋深、大跨度的地下洞室群的稳定性而言，CAPS法是一种快速、经济的方法。CAPS法已经成功的应用到德黑兰的20多个单线隧道地铁岛式车站中去，目前研究的双线隧道岛式站台乃是先例。对伊朗的1号线Tabriz Metro上Mansour地铁站的主要地下空间和拱梁结构进行了非线性三维模拟，研究一些参数对结构的影响程度。数值模拟的结果，包括地面沉降和地下空间周围位移变化。地下空间的位移的变化幅度和地面沉降量主要与下结构施工阶段密切相关，日常交通负荷对城市地面沉降的影响极小，但重型和特殊的交通负荷将大大增加地面沉降。观察地面指定定点相对拱梁拱帧的高度和纵向间距的变化情况，对于明确地面的沉降和稳定性的变化发挥着重要作用。
地面沉降量的大部分发生在主体结构的拱顶部分施工时，如果要求的话，在存在较弱的地面、繁忙的交通负荷的地方要求更少的地面沉降；例如拱门的高度增加或空间减小等情况应作出适当的考虑，建模施工阶段和上部的位移、沉降变化有助于不断及时的了解施工阶段地面上的行为。数值模拟可以在施工建设之前来确定最佳的初步施工方法，动工后，实地观察、仪器仪表测量与数值模拟研究同步进行，可确定出更适当和切实可行的施工方法
致谢
作者在此想感谢谢里夫科技大学为该研究合作提供了软件和其他设施，感谢Tabriz市铁路组织为该研究提供了查阅所需资料。