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大跨度不对称双联拱隧道在复杂地质条件下的施工技术
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内容提示：介绍广州地铁三号线番禺折返线工程大跨度不对称双联拱的设计与施工过程, 针对隧道结构特点进行受力分析, 采取一系列施工技术措施使工程顺利完工, 为今后复杂地质条件下同类结构施工积累了宝贵的经验。
摘 要: 介绍广州地铁三号线番禺折返线工程大跨度不对称双联拱的设计与施工过程, 针对隧道结构特点进行受力分析, 采取一系列施工技术措施使工程顺利完工, 为今后复杂地质条件下同类结构施工积累了宝贵的经验。（参考《建筑中文网》）
关键词: 大跨度; 不对称双联拱; 区间隧道; 施工
1 工程概况
广州地铁三号线番禺折返线隧道西起番禺广场站, 沿清河东路向东, 穿过东环路跨线桥, 止于外经贸中心大楼, 该区间由左右两条正线及存车线组成。左右线设计里程为 ZDK28( 431.80￣ 786.30), 全长354.5m, 两线隧道的净距为 1.75～8.1m, 埋深 14.0～17.5m。该区间线路相互交错, 断面类型较多, 变化频繁, 断面跨度大, 结构较复杂。其中大跨度不对称双联拱地段位于 DK28( 546.05￣ 566.5), 开挖跨度为21.7m, 开挖高度 10.21m, 隧道拱顶埋深 15.2m, 是施工难度很大的地下洞室群。
大跨度不对称双联拱段基岩为燕山三期(γy3)花岗岩。隧道洞身位于一条宽达 15m 的断层破碎带上, 该破碎带岩石多为全风化花岗岩, 绿泥石化严重, 岩石呈碎粒、碎块状、地下裂隙水丰富, 岩石粘结力差, 开挖易坍塌。
由于该双联拱所处地段附近地面建筑物较少,仅北边 20m 外为某电脑城, 故只需确保双联拱施工安全, 防止双联拱地段出现较大沉降和地下失水, 即可保证地面和地下结构物的安全。针对双联拱跨度大且不对称、地质条件复杂等特点, 采用“中墙法 台阶法 CRD 法”进行施工, 并以超前注浆小导管为辅助措施确保施工安全。
2 模拟计算及隧道结构设计
2.1 结构计算模型
结构尺寸设计时充分考虑地铁限界和暗挖结构的施工工艺要求, 以及结构受力特性、围岩级别、地表建筑等条件, 经计算分析优化并类比后综合确定。
结构计算采用荷载—结构模型平面杆系有限单元法, 计算基本假定衬砌为小变形弹性梁, 衬砌离散为多个等厚度直杆梁单元; 用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与衬砌的相互约束; 弹簧只承受压力, 其受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力;初期支护在施工期间承受水土压力。正常使用期间二次衬砌承受全水头压力; 排水措施作为安全储备,不在结构计算中加以考虑。
隧道所承受的荷载主要有土压力、水压力、围岩抗力、混凝土收缩作用力以及背后注浆压力等。考虑到大跨度不对称双联拱隧道为浅埋隧道, 其荷载组合按作用基本组合和偶然组合进行分析, 根据经验,作用偶然组合对截面设计不加控制, 故不作分析。基本组合关系如下: 结构重要性系数 1.1; 各作用力及其分项系数分别为地面荷载 1.4, 土压力 1.2, 主体结构水压力 1.1, 活载产生的侧压力 1.4。
采用 SAP8450 程序进行计算, 可得出大跨度不对称双联拱隧道初期支护弯矩及轴力如图 1 所示, 据此进行结构设计。再通过计算得出挖土支护各工序( 如图 2), 分别为: ①中导洞上导挖支; ②中导洞下导挖支; ③双线断面右半侧上导挖支; ④双线断面右半侧下导挖支; ⑤中墙衬砌; ⑥单线断面上导挖支; ⑦单线断面下导挖支; ⑧单线断面仰拱衬砌及回填; ⑨单线断面拱墙衬砌; ⑩双线断面左半侧上导挖支; ,⑾双线断面左半侧下导挖支;.⑿双线断面仰拱衬砌及回填; ⒀双线断面拱墙衬砌。各工序开挖的最小错开距离分别为: ①与②、③与④、⑥与⑦、⑩与⑾为3m,其余均为15m。
2.2 结构设计
本隧道结构设计断面如图 3 所示。
3 施工方法
结合单、双线断面的施工方法, 该大跨度不对称双联拱的施工采取“中墙法 台阶法 CRD 法”施工技术, 先施工中导洞和浇筑中墙混凝土, 再进行单线断面和双线断面施工。
中导洞按短台阶法进行施工, 上下台阶拉开步距 3～5m, 每循环进尺 0.5～1.2m。根据现场围岩情况,开挖前沿中导洞开挖轮廓外侧拱部环向布置超前注浆小导管, 采用 f 42 热轧无缝钢管, 壁厚 3.5mm, L=4.0m, 间距为环向 0.35m, 纵向 2.4m, 外插角约 10°。
开挖完成后及时初喷 C20 混凝土, 厚约 5cm,临时封闭掌子面, 以防止掌子面失稳而出现坍塌, 然后依次设格栅钢架, 间距 50cm, 挂设钢筋网喷射混凝土至设计厚度。钢筋网采用 f 6.5@150×150 钢筋单层铺设于格栅外侧, 喷射混凝土厚 20mm 以上。
上导喷混凝土完成后进行下导施工, 依次为开挖→立设格栅钢架→挂设钢筋网→喷设 C20 早强混凝土, 上下导保持步距为 3～5m, 然后几时进行中墙衬砌施工, 处理基面→铺设 PVC 防水板→浇筑C25 防水混凝土, 抗渗等级 S8。
3.2 单线断面台阶法施工
中导洞施工完成后, 应及时对中墙顶进行注浆,并回填拱部空隙, 待中墙混凝土达到设计值的 70%后方可进行单线断面施工。单线断面开挖前必须对中导洞右侧进行支撑, 以防中墙受偏压产生位移。单线断面仍按短台阶法施工, 上半断面环形开挖留核心土, 上下导拉开步距 3～5m, 每循环进尺 0.5～1.2m。按设计要求及现场围岩实际情况, 考虑到围岩情况, 即Ⅱ类围岩、全风化花岗岩, 与水溶解成泥状, 依次进行掌子面临时喷混凝土封闭, 超前小导管注浆加固围岩, 浆液采用 42.5R 普通硅酸盐水泥浆, 水灰比为1∶0.5～1∶0.8, 注浆压力 0.5MPa, 浆液强度为 20MPa。
单线断面的初期支护为格栅钢架喷锚支护, 格栅钢架间距为 0.5m, 喷射混凝土厚 30cm。然后及时进行二次衬砌, 需事先拆除中导洞侧墙格栅钢架及喷射混凝土, 格栅钢架拆除采用微差松动爆破技术,施工过程中注意保护中墙混凝土面以及中墙顶预留的 PVC 防水板不受损坏, 除在爆破中严格控制钻孔及装药量外, 爆破时还需对防水板采用薄铁皮包裹防护, 对中墙混凝土表面需用木板或竹耙进行遮挡。
3.3 双线断面 CRD 法施工
双线断面采用 CRD 法施工, 先施工右半侧上下导, 即工序③、④, ③、④与①、②的错开距离约 5m。根据围岩情况并考虑施工方便, 工序③施工前钻设超前小导管进行注浆加固围岩, 开挖时预留核心土呈环形开挖, 及时支立格栅钢架、临时隔壁及仰拱型钢, 挂设钢筋网并喷射 C20 早强混凝土, 厚度为格栅钢架 30cm, 临时隔壁和仰拱 20cm, 然后进行工序④施工, 拉开步距 3～5m, 仍按开挖土体→立设格栅钢架及临时隔壁型钢→钻设侧墙锚杆→喷射格栅及隔壁混凝土的顺序依次进行。
单线断面二次衬砌完成后方可进行双线断面即工序⑩、,⑾的施工, 仍采取短台阶法, 需拆除中导洞侧墙及拱部部分格栅, 并及时将临时仰拱型钢延伸至中墙混凝土面, 采用膨胀螺栓进行联接固定, 仰拱格栅应及时封闭成环。
根据“新奥法”原理, 双线断面挖支完成后及时布设沉降观测点进行拱顶沉降及收敛观测, 根据监测数据确定二衬施工时间。双线断面二衬施工时先进行工序⑿施工, 即先施工仰拱混凝土、轨底回填和拱墙混凝土, 需事先拆除临时隔壁竖向型钢至轨底回填面, 仰拱型钢拆除每次不大于 5m, 待仰拱回填后竖撑即可恢复, 仰拱施工后可进行工序⒀施工, 施工前先拆除临时隔壁及仰拱支撑, 每次拆除长度不大于 4.8m, 然后施作拱墙二衬混凝土。
3.4 双联拱防水施工技术
由于双联拱段纵环向施工缝较多, 结构复杂, 故成为防水施工的薄弱环节。防水施工遵循“以防为主、防排结合、因地制宜、综合治理”的原则进行, 对双联拱段采用外贴式 PVC 防水板实现全包防水, 防水板外侧设置单层无纺布作为缓冲层。双联拱纵环向施工缝中部埋设镀锌钢板止水, 每条环向施工缝外侧设置一道平蹼式止水带, 以实现分区防水的目的。双联拱全包防水施工如图 4 所示。
4 监控量测
根据本工程施工的特点及方案, 在双联拱施工中需对隧道结构及其周围受影响的地面进行沉降、收敛及爆破震动监测, 以确保隧道结构及周围环境安全。对监测获得的各项数据及时反馈, 进行分析和相互验证, 以确保监测结果的可靠性。根据监测数据预测发展趋势, 掌握施工中结构的受力以及对周围环境的影响情况, 以便及时调整施工参数和施工方案, 根据实际情况采取应对措施, 为现场施工安全提供服务。
现场采用 WRM- 3 收敛仪进行拱顶位移和内净空位移进行量测, 挖支完成后即布设量测点, 每个测量断面共设拱顶沉降量测点 3 个(分别位于中导洞和单、双线断面的拱顶), 收敛量测点 4 个(分别位于单、双线断面最大跨度处和中导洞起拱线的左右侧)。双联拱段按 10m 左右设 1 个断面, 共设 2 个。具体量测结果见表 1, 据此进行数据处理,断面开挖后围岩一般在 12d 内趋于稳定。所有临时支撑体系在半月内不应拆除, 以防拱顶变形过大而造成破坏。
5 结束语
通过结构的受力模拟分析, 确定本文大跨度不对称双联拱的合理施工方案, 实现了工程的顺利进行, 确保了施工安全, 证明采用“中墙法 台阶法 CRD 法”是合理可行的。通过现场地面量测、拱顶下沉和隧道收敛的监测结果, 证明该法可确保结构安全, 有效控制地表沉降和隧道结构变形。此外, 超前注浆小导管、预留核心土环型开挖等辅助施工措施也为开挖施工安全提供了有力的保障。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200807/9044.htm
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