城市地下鐵道連拱隧道群施工技術研究

城市地下鐵道連拱隧道群施工技術研究摘　要　利用廣州地鐵三號線某一工程實例,對連拱隧道群施工工法進行探討。在廣州地鐵施工中首次提出了將連拱隧道改為單洞隧道施工技術,并對單一式中墻和分離式中墻結構的技術方案進行了比選,得出了滿足結構安全、施工安全和經濟效益較好的技術方案,可為今后類似工程的設計和施工提供借鑒和參考。關鍵詞　連拱隧道群　單一式中隔墻　分離式中隔墻　施工技術　　地鐵隧道由于線路設計要求,產生多種隧道結構形式,其中由不等跨雙連拱和三連拱隧道組成的連拱隧道段常用于正線和渡線的連接。本文結合工程實例,根據隧道所處地質條件、工期要求,通過比選提出了可達到快速施工和節省施工成本目的的最佳施工方案。1 工程概況 廣州地鐵三號線體育西路站折返線為體育西路站站后折返線,結構形式復雜,在DK3+016.047~+037.157段設置了不等跨雙連拱結構、三連拱結構等隧道群。不等跨連拱隧道開挖跨度為20.1m,開挖高度為10.076m,跨矢比為1∶0.5,小洞襯砌后跨度為5.2m,大洞襯砌后跨度為11.4m,中墻厚度為1.6m。三連拱隧道開挖跨度為19.9m,開挖高度為7.885m,跨矢比為1∶0.1。連拱隧道段的圍巖自上而下有:人工填土層、沖—洪積砂層、沖積—洪積土層、河湖相沉積土層、可塑狀殘積土、硬塑—堅硬狀殘積土、全風化巖層、強風化巖層、中風化層和微風化層。隧道通過地層巖質較為均一,強度較高,承載能力強,穩定性好。隧道拱頂覆蓋層厚度為15.5~18m,其中拱頂Ⅳ級圍巖層厚度為5.6~7.6m。連拱隧道段地下水埋深為2.28~4.1m,主要是第四系孔隙水和裂隙水。2 雙連拱段施工方案比選 由于連拱隧道段結構比較復雜,隧道斷面變化較大,施工工序繁復,施工難度高,施工周期長,所以選擇一個好的施工方案對優質高效完成連拱隧道段的施工尤為重要。選擇施工方案時主要考慮以下幾個方面:(1)施工安全和結構安全;(2)施工難度;(3)施工周期;(4)經濟效益。本著這四條原則,經過施工方案的研究和論證,選出下面兩個施工方案進行比較甄選。2.1 單一式中墻施工方案 該方案的主要施工步驟及措施如下: (1)從右線雙連拱小洞隧道內向折返線側進行臨時施工通道、雙連拱和三連拱中墻施工,完成后中墻及時支撐,施工時防止偏壓。 (2)中墻襯砌施工完成后,按照“先小后大、封閉成環”的原則,用臺階法進行右線施工,用CRD工法進行折返線大跨度隧道施工。 (3)當折返線側施工到三連拱隧道中墻后,再按照右線中墻施工方法進行三連拱和雙連拱中墻施工,這期間右線停止掘進,直到中墻施工完成。 (4)折返線側中墻施工完成后,右線繼續往前施工。 該工法為國內連拱隧道常規施工工法,廣州地鐵、南京地鐵和北京地鐵中均有應用,并能安全順利地完成隧道群的施工。但是對以往的工程實例和施工技術的研究可以發現,該方案還存在不足和缺陷。　　(1)本方案運用于本工程上,在短短的21.11m的連拱隧道內,隧道的初期支護和二次襯砌間將轉換4次,轉換過于頻繁。 (2)中墻和邊洞隧道襯砌涉及的防水層施工、鋼筋工程、模板工程、混凝土澆注均需多次轉換,施工周期長達2個月。 (3)襯砌完成后,中墻防偏壓支撐和材料設備的投入,導致施工成本增高,經濟效益降低。2.2 分離式中墻施工方案 該方案的主要施工步驟及措施如下: (1)將不等跨雙連拱隧道改為兩個單洞,變更為分離式中墻,先從右線單線隧道往前施工。 (2)對三連拱隧道先不施作中墻襯砌,按單線工況通過。 (3)對右線的大斷面雙連拱隧道按照CRD工法側壁通過。 (4)折返線側則按照右線相反的施工順序進行施工。 采用本方案實際就是按照兩條單線的施工方法進行,與上一方案進行對比后,具有如下優點: (1)減少施工工序,加快工序的銜接轉換。 (2)降低了施工難度,縮短了施工周期。 (3)降低了施工成本,提高了經濟效益。 (4)變單一式中墻為分離式中墻,徹底地解決了連拱隧道結構的防水上的缺陷。 (5)三連拱隧道中洞后期施工,相當于大跨度隧道預留了核心巖體,有利于兩側雙連拱隧道施工安全(表1)。3 三連拱段施工方案 從右線直接進入三連拱隧道,其支護參數以原設計進行,格柵全環安設,按設計全環噴射混凝土,并加強中墻拱頂處的錨桿設置(折返側同右線施工方法),在中墻施工時需要破除隧道格柵接頭處設一縱向加強梁。 嚴格控制每循環開挖進尺,格柵間距為0.6m/榀。中墻開挖采用微差弱爆破方案(有條件盡量采用靜態爆破方案),最大限度地減少對中墻巖層和已襯砌隧道的擾動,確保施工安全。中墻開挖完成后,立即進行二次襯砌。中墻施工完成后對中墻空隙進行回填,加千斤頂支護。一側施工完成后,才進行另一側中墻施工。當兩側中墻施工完成后,及時進行兩側單洞隧道的二次襯砌,然后進行三連拱隧道中間巖體的開挖和襯砌。施工中應特別注意三連拱隧道中墻處的沉降和收斂變形,如出現異常現象,立即進行加固處理。4 施工時結構受力性態分析 將不等跨雙連拱的中墻取消,改為分離式中墻,在國內城市地下鐵道工程中尚未有類似工程設計及施工經驗,也沒有類似隧道結構設計,因此結構是否安全,以及施工過程中工序轉換時施工是否安全,將是本方案研究的重點。 應用ANSYS有限元通用程序軟件對不等跨連拱隧道進行數值模擬計算,采用地層-結構的模式對隧道結構的受力和變形進行分析(圖1、圖2、圖3)。所取受力范圍水平方向沿隧道橫斷面方向以洞跨的3倍為限,垂直方向上方取至地表、下方以洞跨的3倍為限,單元模型采用DP地層材料的彈塑性實體,隧道襯砌采用彈性梁單元模擬,梁單元和實體單元采用藕合方程連接。通過表2中的數據分析可以看出,大隧道在施工時對小隧道的影響較大,如果對小斷面隧道采用必要的加強措施,并控制臨時支撐的縱向拆除間距,該方案是有益并可行的。5 施工關鍵技術及對應措施 連拱隧道段的施工是需要在嚴密的施工組織和強有力的技術保證措施下進行的,組織好各施工步驟,準備好各種技術預防措施是施工成功的關鍵。5.1 對拉錨桿及加強錨桿 取消單一式中墻后,開挖完成后中墻厚度為0.8m,對拉錨桿和加強錨桿的設置是非常必要的。對拉錨桿采用Φ22鋼筋藥卷錨桿,間距為0.6m×0.5m,長度根據中墻的厚度變化為0.8~2.0m。加強錨桿設于中墻兩側仰拱和邊墻處,采用3.0m的Φ25中空注漿錨桿,間距0.6m×0.8m。5.2 中墻夾巖柱體注漿加固 中墻巖體最薄處為0.15m,經過多次爆破開挖過程的影響,中墻周圍的圍巖松動,其承載力受影響。因此,必須分別在中墻拱頂、墻、仰拱處對松動圍巖進行注漿。預埋Φ42鋼管,漿液采取水泥-水玻璃雙液漿,參數為1∶1水泥漿和30~45Be水玻璃溶液,注漿壓力為0.2~1.0MPa。在兩次開挖中中墻均進行注漿,最后開挖完成后對中墻夾層進行飽和注漿。5.3 微差微震爆破技術 隧道開挖全部采用鉆爆法施工。由于地處廣州市繁華地段,地面建筑物密集,且隧道采用“0”間距開挖,爆破時必須按照預留光面層光面微震微差爆破方案進行施工,將爆破震動控制在容許范圍內。對于連拱隧道所處地層為Ⅲ、Ⅳ級圍巖采取的爆破措施為: (1)爆破器材采用低震速乳化炸藥。 (2)嚴格控制每循環進尺(0.6~0.8m),周邊炮眼間距為0.4m,減少裝藥量,控制光面爆破效果(圖4)。 (3)每次爆破使用多段位雷管起爆,采用非電毫秒雷管不對稱起爆網路微震動技術。 (4)中墻處采取二次開挖施工,先預留1m光面層,掏槽眼布置在遠離中墻的一側,對預留的光面層二次爆破時周邊眼光面層多布置空眼、少裝藥。杜絕超挖,局部欠挖時采用人工風鎬開挖。 通過以上有效措施,在中墻二次爆破施工時,對0.15m厚的中墻基本未造成破壞,順利通過了連拱隧道的“0”距離開挖。5.4 輔助剪刀撐加強支護 通過ANSYS模擬分析,為確保小斷面隧道施工安全,必須對小斷面隧道進行輔助支撐加固,抵御爆破產生的瞬時沖擊和巖層開挖時荷載釋放產生的偏壓。 支撐材料采用I20型鋼,焊接于兩端格柵預埋鋼板上,并采用高強螺栓加固。支撐布置間距為0.6m,即每一榀格柵上均布置,布置范圍延長至雙連拱兩邊各1.2m,并在開挖大端面前完成。支撐布置的高度和角度要確保施工機械設備能順利通行。通過施工證明,支撐的設置是必要和有效的,小斷面隧道在加設輔助剪刀撐后收斂僅為5mm。5.5 信息化施工 為確保結構安全和施工安全,在隧道施工過程中開展實時監控量測,研究支護結構和周邊地層的變形特征,預測相應的支護結構變位并驗證支護結構的合理性,為信息化施工提供依據。施工中監控量測顯示,小斷面隧道最大沉降為14.6mm,大斷面隧道最大沉降為17.2mm,結構收斂最大值為7.6mm,地面最大沉降為10mm,三連拱中洞開挖拱頂最大沉降為22.8mm。6 施工總結 通過本工程實例,證明了采用分離式中墻施工方案能夠保證連拱隧道群段的施工安全和結構安全,工期比采用單一式中墻施工方案快1.0~1.5個月。本工程為今后類似的地下鐵道建設取得了成功的經驗和應用實例。 通過總結分析,得出以下結論: (1)根據實際地質情況大膽地改雙連拱單一式中墻為分離式中墻進行施工,類似于常規的超小凈距隧道施工,摒棄雙連拱隧道必須先施工中墻的常規工法,對最終襯砌結構受力影響較小,對結構防水更有利,并且縮短了施工工期。通過本工程的兩次施工,實現了超小間距隧道“0”間距開挖施工技術的重大突破。 (2)施工中的關鍵技術是減少圍巖的破壞及擾動,以及對已經成型隧道結構的保護。因此在雙連拱薄弱的中墻處控制好微差弱爆破將是施工取得成功的重點。采用預留光面層光面爆破取得了理想的效果。如果對預留的光面層巖體采取靜態爆破將更加理想。 (3)對薄弱中墻的加強支護也是本次施工取得成功的重要原因。從受力分析看,仰拱與側墻連接處受影響最大,確保了初期支護承受足量荷載;其次是加強對中夾巖柱體的注漿加固,對其采用對拉錨桿、加強錨桿和注漿加固,確保了圍巖的穩定。施工采用的對拉錨桿如果充分運用預應力加固,效果可能會更好。 (4)合理安排好施工先后順序,使各工序在轉換施工時相互影響最小。參考文獻[1]劉小兵.雙跨連拱隧道中墻結構合理形式研究[J].施工技術,2004-10,15[2]汪俊明.軟弱圍巖地段雙連拱隧道施工技術[J].西部探礦工程,2003-06[3]GB50299-1999　地下鐵道工程施工及驗收規范[S].北京:中國計劃出版社,1999