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广州地铁五号线文冲站折返线暗挖段房屋保护方案设计
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内容提示：文章主要论述广州地铁五号线文冲站折返线暗挖隧道上方房屋保护的方案设计,采用合理有效的保护措施,以及运用有限元程序对其进行数值模拟计算指导设计,可为城市同类工程的设计与施工提供参考和经验。
摘 要 文章主要论述广州地铁五号线文冲站折返线暗挖隧道上方房屋保护的方案设计,采用合理有效的保护措施,以及运用有限元程序对其进行数值模拟计算指导设计,可为城市同类工程的设计与施工提供参考和经验。（参考《建筑中文网》）
关键词 暗挖隧道 房屋保护 方案设计
1 工程概况
广州地铁五号线文冲站折返线工程,为明暗挖法结合区间隧道,其中暗挖段由两条单线隧道和一条折返线隧道所组成,采用喷锚构筑法设计和施工。隧道埋深约10.3~11.8m,折返隧道拱顶位于硬塑残积土<5-2>、强风化层<7>中,下部位于中风化层<8>中,单线隧道位于中风化层<8>中。在距明挖竖井进口处约14~45m段暗挖隧道,分别下穿A4和A6房屋,其中A4房桩基础为1200人工挖孔桩,桩长6~10m;A6桩基础为1000人工挖孔桩,桩长6~10m,均为钢筋混凝土桩,共25根桩位于折返线隧道和单线隧道上方,A4楼房有5根桩进入到折返线隧道内约0.5~1m,其平、剖面关系如图1、2所示。
2 方案设计边界条件和难点问题
2.1 方案设计边界条件
由于A4和A6两幢房屋为当地农民私人住宅楼,其外部条件非常复杂,与户主之间协调比较困难,拆迁费用非常高,加之本段隧道为本区间的施工喉咙地段,工期压力大,最终认为拆迁方案无法实施;本段隧道为站后折返线,为满足行车的需要,线路坡度不得大于2%,线路无法进行调坡;如果地面考虑采用筏板基础加固,也只能在A4房采用(A6房楼底以下3m均为浆砌片石,地面以下3m才为桩基础,不能采用筏板),意义不大,地面加固可操作性差。基于上述条件,只能考虑洞内加固处理措施。
2.2 难点问题
由于本设计方案只考虑采用纯洞内加固处理,桩底荷载又比较大(750~1300kN),有5根桩侵入到折返线隧道,折返线隧道跨度大,断面高,拱顶又处于<5-2>、<7>地层,地质条件差,在折返线隧道开挖时,如何对侵入隧道内的桩基础有效保护,既保证隧道施工的安全,又保证上方房屋的安全,为本设计方案中应解决的难点问题。
3 工程难点设计方案和比选
针对本方案设计难点问题和边界条件,设计项目组作了全面深入的研究,提出了两个具体方案进行比选,现分述如下。
(1) 方案A
折返线隧道断面不变,采用超前大钢管和临时托架相结合处理方案。先施工没有桩基侵入隧道的一侧洞,待该侧洞初期支护半封闭后,对有桩基侵入的另一侧洞先在桩底打超前钢管,并在开挖时逐步架设托架,通过托架和拱顶以下钢管对桩基础进行临时保护,并将桩底逐步凿除,使隧道钢架全封闭后(即凿除一半桩,及时架设一榀隧道钢架,并喷混凝土封闭,再凿除另一半桩,再及时架设另一榀隧道钢架,并喷混凝土封闭),拆除钢管及托架,最后将切断后的桩底落到隧道衬砌上,施工步骤如图3所示。
(2)方案B
改变折返线隧道断面,根据桩侵入隧道1m以内,在不能调线路坡度的情况下,将折返线隧道断面高度压底,尽量压至能够绕开桩基。
①方案B1
将断面改为单洞微拱形式,即将拱顶压至极限,但由于该断面与桩底相距较近(只有200mm),在桩底打超前大管棚空间太小,只能打双排小导管,而且断面压低之后,隧道“拱”的作用明显变差,而隧道跨度大,隧道衬砌难以承受顶部桩基载荷。
②方案B2
将断面改为双连拱形式,即在满足隧道限界要求的前提下,改用双连拱隧道(图5),隧道较原隧道断面压低了1400mm,隧道顶部与桩基的最小净距有900mm,可满足打管棚的空间要求。先在桩底打超前大管棚,然后短进尺开挖,在纵向短距离形成“毛洞”时,大管棚对桩基础起到临时保护作用,在初期支护及时封闭并向前开挖一定距离后,由初期支护及洞内临时支撑对桩基础进行保护,逐步拆除洞内临时支撑(注意控制纵向拆除间距),浇注中隔墙及两侧二次衬砌,最终由隧道衬砌承受桩基础底部荷载,施工步骤如图4所示。
通过综合比较(表1),把方案B2作为推荐方案。
4.1 地层沉降原因及对策措施
(1)大管棚施工过程中对地层的扰动引起了地层沉降及基础下沉。措施:隔孔施工,并严格注浆。
(2)开挖及支护过程应力释放和失水引起地层沉降及基础下沉。措施:控制爆破或机械开挖,采用合理的开挖方法,适当加强支护结构、及时支护、及时封闭成环、掌子面及时封闭和临时锚固支护。
(3)拆除临时支撑及施作二次衬砌引起地层沉降及基础下沉。措施:严格控制拆除支撑纵向间距,及时施作二次衬砌,并加强监测。
(4)爆破震动引起地层沉降及基础下沉。措施:严格控制爆破震动速度。
(5)衬砌后地层后期变形所产生的沉降。措施:拱部初期支护背后空隙及周边裂隙填充注浆,拱部初期支护与二次衬砌之间空隙填充注浆。
4.2 房屋基础加固处理具体措施
(1)施工辅助措施
对于折返线隧道和右线隧道拱部采用单排注浆超前大管棚,并辅以超前小导管跟踪注浆;对于左线单线隧道,由于与房屋桩基础距离较远,隧道施工时用超前小导管支护即可。
(2)支护参数
对于折返线隧道和右线隧道,超前大管棚:采用Φ108钢管,长度20~28m,环向间距0.4m;超前小导管:采用Φ42钢管,长度3.5m,间距0.3m×2.0m;支护结构:单线初期支护、二次衬砌厚300mm,折返线隧道初期支护厚300mm、二次衬砌厚500mm,工字钢架分别采用I20a、I22a;系统锚杆:长度3~3.5m,间距0.5m×1m;临时支撑:I22a(包括竖向中壁、横联和斜支撑),间距0.5m。对于左线隧道,除拱顶无大管棚外,支护参数与右线一致。具体参数如图5所示。
(3)施工方法
单线隧道采用环形台阶法(对于地质较差处留核心土)。双连拱断面采用中导洞法施工,分三个面进行开挖,先中导洞、后左侧、最后右侧,并注意短进尺开挖,每一循环控制在0.5~0.8m,控制拆支撑纵向间距并及时施作中隔墙和二次衬砌,详见图4。
(4)隧道施工技术措施
①按先加固及护顶后开挖的原则进行施工,洞内采用大管棚、小导管注浆加固支护前方围岩。
②左右线隧道施工开挖超前30~50m后,方能进行中间连拱隧道施工,采用合理的开挖方式,变大跨为中跨或小跨,边开挖边支护,步步为营。
③尽量采用人工或机械开挖,必须爆破时采用微震爆破,以保护地面房屋及桩基础。
④严格控制开挖循环进尺,不宜超过一榀钢架的施作间距,同时严格控制台阶长度,当台阶较长时应视情况作临时仰拱封底,钢架拱脚需认真处理,安设锁脚注浆锚杆加固。
⑤开挖后应及时进行初期支护或临时支护,工序紧扣、衔接,尽早施作抑拱,尽早封闭成环。掌子面稳定性差时,应随时喷混凝土封闭工作面,必要时掌子面打设临时锚杆。
⑥加强初期支护,初期支护形成后对其背后1~2m范围内的围岩进行系统注浆加固,必要时加大注浆范围,以改善支护受力条件。当在加强初期支护和施作仰拱后,围岩仍不能趋于稳定,或地表下沉较大(对于控制标准值来说)时,则提前施作二次衬砌,并加强二次衬砌结构。
5 数值计算分析
采用ANSYS有限元通用程序对房屋保护方案中暗挖隧道、地层及其上方房屋桩基础施工过程中的应力、变形等进行数值模拟计算分析,得到隧道结构和桩基础的内力值(折返线隧道初期支护最大弯矩128kN·m,对应轴力248kN;二次衬砌最大弯矩369kN·m,对应轴力512kN,其余未列)和变形值(地层最大沉降值11.2mm),如图6~图10所示。由于篇幅关系,只列出有代表性的结果。从计算结果中看出,结构满足承载要求,地表沉降(最大沉降值11.2mm)满足规范要求,本方案是安全、可行的。
6 施工情况与监测情况
本段暗挖隧道自从2006年5月份开始施工,至2006年12月份贯通,施工情况良好。开挖时采用微震爆破法,在地面监测时爆破速度一般在2.0cm/s以内,施工监测地面最大沉降为17mm,拱顶沉降12mm(地面沉降大于拱顶沉降是由于地面沉降不仅由隧道开挖引起,而且受爆破施工、打大管棚对地层的扰动、隧道开挖失水等的影响),对地面房屋影响很小,房屋未出现开裂情况,房屋户主、地铁公司业主比较满意。
7 结 语
在国内外地铁事业迅速发展的今天,由于各大城市过去都没有重视地铁规划,或者规划中没有充分考虑地铁的修建空间,因此地铁线路的规划布置往往非常困难。同时市区常常为居民集中区,商业繁华,地铁线路又必须通过此地,这就不可避免地遇到众多的房屋桩基础,如何在地铁隧道施工时保证地面房屋的安全,不影响居民的正常生活,已成为当今国内外地铁
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200807/8979.htm
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