头塘站(原虾子蝙站)为重庆市轨道交通4号线与9号线换乘车站,上下叠岛设置,9号线在下,4号线在上。车站位于海尔路与内环快速路交叉口虾子蝙立交处,平行于海尔路路侧地下敷设,总体呈东西走向。东北侧为兰溪社区,西北侧为阳明山水高层住宅小区,西南侧为江北区人民政府,东南侧为荒地和加油站、加气站。

头塘站为地下3层岛式暗挖车站,采用15m岛式站台,车站主体断面为马蹄形,净宽23.10m,净高25.34m,总长度237m。车站拱顶覆盖层厚度为20.0～32.4m,围岩级别为Ⅳ级,属于浅埋隧道。该站为超大断面地下暗挖车站,且水文地质条件较差,周边环境复杂,设计和施工难度大。

车站所在区段的原始地貌为丘陵地带,经人工改造后地形整体较平坦。场地位于龙王洞背斜东翼,无不良现象,水文地质条件较简单。隧道围岩主要为砂质泥岩夹砂岩,围岩基本分级为Ⅳ级;地下水状态为Ⅰ级,修正后围岩级别为Ⅳ级。本段隧道隧顶埋深20.0～32.4m,上覆素土层最大厚度约16.6m,隧顶中等风化基岩厚11.1～25.7m,小于2.5倍围岩压力拱高度27.9m,属于浅埋隧道。场地地层由上而下依次可分为第四系全新统填土层(Q₄^ml)、残坡积层(Q₄^el+dl)和侏罗系中统沙溪庙组(J2s)沉积岩层。场地地下水以其含水介质可分为松散层孔隙水和基岩裂隙水2类。场地地下水主要为大气降水和地下管网渗漏补给,水量总体较小。车站位于头塘立交处,附近地上建(构)筑物较多,绝大部分均位于车站拱顶,其基础较为复杂,基础深度均在车站塌落拱范围内。

勘察区位于龙王洞背斜东翼,无断裂构造发育。岩层产状倾向105°～125°,倾角为30°～40°,其优势产状约倾向120°倾角为35°,层间结构面结合较差,属软弱结构面。J1倾向330°～340°,倾角为50°～65°,其优势产状约倾向335°,倾角为55°。裂隙面平直,宽度1～3mm,局部由泥质、岩屑碎石或方解石充填,裂隙间距为1～4m,延伸一般为5～8m;结构面发育程度好,结合差,属硬性结构面。J2倾向220°～230°,倾角为70°～85°,其优势产状倾向约225°,倾角为75°。裂隙面较粗糙,宽1～3mm,局部由泥质、岩屑碎石或方解石充填,裂隙间距为2～6m,延伸3～5m,结合一般,属硬性结构面。采用车站赤平投影图分析隧道侧壁稳定性:左侧壁与J1裂隙反向,与J2裂隙垂直,但岩层面顺向临空,因此左侧壁存在偏压,洞壁易沿岩层面产生滑塌破坏;右侧壁与岩层面反向,与J2裂隙反向,J1裂隙顺向临空,右侧壁有可能沿J1裂隙发生掉块(见图1)。

根据车站位置和规模、场地水文地质条件和周边环境情况,结合以往工程经验,经详细分析研究,设计重难点梳理如下。

1)依据轨道线路设计和建筑布置,本站为地下3层岛式暗挖车站,隧道为单拱超大断面浅埋隧道。纵观重庆地区及全国范围的隧道案例,在类似地质条件和围岩等级下,仅有地铁标准车站(开挖断面约350m²)的设计和施工成熟案例。针对超大断面浅埋隧道,现有施工工艺和机具均不具备。由此,需根据现有设计和施工水平,独创性地设计可靠安全的超大断面隧道施工工法。

2)本站位于海尔路与内环快速路交叉口虾子蝙立交处,属于交通繁忙区域,附近地上建(构)筑物较多,绝大部分均位于车站拱顶,且局部不利地段的素土层最大厚度约16.6m,故在保证隧道开挖安全可靠的前提下,需严格控制隧道开挖引起的隧道围岩变形和地表沉降。

3)根据地勘资料,隧道左侧壁的稳定性由层面控制,右侧壁的稳定性由J1裂隙结构面控制,如无可靠的支护措施,隧道开挖时极易发生失稳破坏。经调查,场地周边的边坡施工时发生边坡失稳的机率很大,故针对超大断面隧道施工时的侧壁稳定性,需充分保障边坡稳定。

为克服以上重难点,拟订新工法时应考虑以下原则:把大洞分解为多个小洞。充分利用围岩自身的自承能力;利用合理措施及时支护高侧壁。

经过反复推敲和研究,独创性地提出“预留T型岩梁岩柱施工工法”(见图2),该工法具体过程如下。

1)分段、分层开挖隧道两侧岩土体,及时施作锚杆+钢拱架+钢筋网片+喷射混凝土的初期支护,采用预应力锚索控制隧道左、右侧壁的变形,形成稳定的预留T形岩梁岩柱断面形式。

2)施作左、右侧壁的防水层及二衬结构,及时分层回填并压实土石料,在每层顶面设置300mm厚素混凝土,进一步控制隧道水平变形。

3)待第二步基本施作完毕后,开挖T形岩梁岩柱的T形两侧区域,及时施作初期支护和临时钢支撑。

4)分段间隔、跳槽开挖T形岩梁岩柱的T形顶部区域,及时施作初期支护和临时钢支撑。

5)拆除临时钢支撑,及时施作车站上部拱形大断面的防水层和二衬结构,使主体二衬结构基本成形。

6)开挖T形岩梁岩柱的T形中部区域,清除回填土石料和素混凝土,施作防水层及二衬结构。

7)施工车站内部结构(梁板柱等)。

根据地质勘察报告和预留T型岩梁岩柱施工方法,采用三维有限元软件Midas GTS,进行车站开挖和支护的全过程模拟分析。开挖顶部T形两侧及拱顶岩土时为最不利时段,截取地质条件最不利地段的变形(见图3),其结果为拱顶最大竖向位移11mm,拱墙侧壁最大水平位移6mm。通过工程类比法分析,地层结构法计算出的围岩变形处于可控状态。

经过2年多快速有序的施工,本站顺利完成车站主体的土建工程。结合现场实际监控量测数据,拱顶最终沉降值为5.3mm,车站上方的地表最大沉降值为7.4mm,净空收敛的最后稳定值为-8mm。故由此认为,独创性的“预留T型岩梁岩柱施工工法”安全可靠、符合实际、施工便捷、经济合理。