城市地下铁道连拱隧道群施工技术研究摘 要 利用广州地铁三号线某一工程实例,对连拱隧道群施工工法进行探讨。在广州地铁施工中首次提出了将连拱隧道改为单洞隧道施工技术,并对单一式中墙和分离式中墙结构的技术方案进行了比选,得出了满足结构安全、施工安全和经济效益较好的技术方案,可为今后类似工程的设计和施工提供借鉴和参考。关键词 连拱隧道群 单一式中隔墙 分离式中隔墙 施工技术 地铁隧道由于线路设计要求,产生多种隧道结构形式,其中由不等跨双连拱和三连拱隧道组成的连拱隧道段常用于正线和渡线的连接。本文结合工程实例,根据隧道所处地质条件、工期要求,通过比选提出了可达到快速施工和节省施工成本目的的最佳施工方案。1 工程概况 广州地铁三号线体育西路站折返线为体育西路站站后折返线,结构形式复杂,在DK3+016.047~+037.157段设置了不等跨双连拱结构、三连拱结构等隧道群。不等跨连拱隧道开挖跨度为20.1m,开挖高度为10.076m,跨矢比为1∶0.5,小洞衬砌后跨度为5.2m,大洞衬砌后跨度为11.4m,中墙厚度为1.6m。三连拱隧道开挖跨度为19.9m,开挖高度为7.885m,跨矢比为1∶0.1。连拱隧道段的围岩自上而下有:人工填土层、冲—洪积砂层、冲积—洪积土层、河湖相沉积土层、可塑状残积土、硬塑—坚硬状残积土、全风化岩层、强风化岩层、中风化层和微风化层。隧道通过地层岩质较为均一,强度较高,承载能力强,稳定性好。隧道拱顶覆盖层厚度为15.5~18m,其中拱顶Ⅳ级围岩层厚度为5.6~7.6m。连拱隧道段地下水埋深为2.28~4.1m,主要是第四系孔隙水和裂隙水。2 双连拱段施工方案比选 由于连拱隧道段结构比较复杂,隧道断面变化较大,施工工序繁复,施工难度高,施工周期长,所以选择一个好的施工方案对优质高效完成连拱隧道段的施工尤为重要。选择施工方案时主要考虑以下几个方面:(1)施工安全和结构安全;(2)施工难度;(3)施工周期;(4)经济效益。本着这四条原则,经过施工方案的研究和论证,选出下面两个施工方案进行比较甄选。2.1 单一式中墙施工方案 该方案的主要施工步骤及措施如下: (1)从右线双连拱小洞隧道内向折返线侧进行临时施工通道、双连拱和三连拱中墙施工,完成后中墙及时支撑,施工时防止偏压。 (2)中墙衬砌施工完成后,按照“先小后大、封闭成环”的原则,用台阶法进行右线施工,用CRD工法进行折返线大跨度隧道施工。 (3)当折返线侧施工到三连拱隧道中墙后,再按照右线中墙施工方法进行三连拱和双连拱中墙施工,这期间右线停止掘进,直到中墙施工完成。 (4)折返线侧中墙施工完成后,右线继续往前施工。 该工法为国内连拱隧道常规施工工法,广州地铁、南京地铁和北京地铁中均有应用,并能安全顺利地完成隧道群的施工。但是对以往的工程实例和施工技术的研究可以发现,该方案还存在不足和缺陷。 (1)本方案运用于本工程上,在短短的21.11m的连拱隧道内,隧道的初期支护和二次衬砌间将转换4次,转换过于频繁。 (2)中墙和边洞隧道衬砌涉及的防水层施工、钢筋工程、模板工程、混凝土浇注均需多次转换,施工周期长达2个月。 (3)衬砌完成后,中墙防偏压支撑和材料设备的投入,导致施工成本增高,经济效益降低。2.2 分离式中墙施工方案 该方案的主要施工步骤及措施如下: (1)将不等跨双连拱隧道改为两个单洞,变更为分离式中墙,先从右线单线隧道往前施工。 (2)对三连拱隧道先不施作中墙衬砌,按单线工况通过。 (3)对右线的大断面双连拱隧道按照CRD工法侧壁通过。 (4)折返线侧则按照右线相反的施工顺序进行施工。 采用本方案实际就是按照两条单线的施工方法进行,与上一方案进行对比后,具有如下优点: (1)减少施工工序,加快工序的衔接转换。 (2)降低了施工难度,缩短了施工周期。 (3)降低了施工成本,提高了经济效益。 (4)变单一式中墙为分离式中墙,彻底地解决了连拱隧道结构的防水上的缺陷。 (5)三连拱隧道中洞后期施工,相当于大跨度隧道预留了核心岩体,有利于两侧双连拱隧道施工安全(表1)。3 三连拱段施工方案 从右线直接进入三连拱隧道,其支护参数以原设计进行,格栅全环安设,按设计全环喷射混凝土,并加强中墙拱顶处的锚杆设置(折返侧同右线施工方法),在中墙施工时需要破除隧道格栅接头处设一纵向加强梁。 严格控制每循环开挖进尺,格栅间距为0.6m/榀。中墙开挖采用微差弱爆破方案(有条件尽量采用静态爆破方案),最大限度地减少对中墙岩层和已衬砌隧道的扰动,确保施工安全。中墙开挖完成后,立即进行二次衬砌。中墙施工完成后对中墙空隙进行回填,加千斤顶支护。一侧施工完成后,才进行另一侧中墙施工。当两侧中墙施工完成后,及时进行两侧单洞隧道的二次衬砌,然后进行三连拱隧道中间岩体的开挖和衬砌。施工中应特别注意三连拱隧道中墙处的沉降和收敛变形,如出现异常现象,立即进行加固处理。4 施工时结构受力性态分析 将不等跨双连拱的中墙取消,改为分离式中墙,在国内城市地下铁道工程中尚未有类似工程设计及施工经验,也没有类似隧道结构设计,因此结构是否安全,以及施工过程中工序转换时施工是否安全,将是本方案研究的重点。 应用ANSYS有限元通用程序软件对不等跨连拱隧道进行数值模拟计算,采用地层-结构的模式对隧道结构的受力和变形进行分析(图1、图2、图3)。所取受力范围水平方向沿隧道横断面方向以洞跨的3倍为限,垂直方向上方取至地表、下方以洞跨的3倍为限,单元模型采用DP地层材料的弹塑性实体,隧道衬砌采用弹性梁单元模拟,梁单元和实体单元采用藕合方程连接。通过表2中的数据分析可以看出,大隧道在施工时对小隧道的影响较大,如果对小断面隧道采用必要的加强措施,并控制临时支撑的纵向拆除间距,该方案是有益并可行的。5 施工关键技术及对应措施 连拱隧道段的施工是需要在严密的施工组织和强有力的技术保证措施下进行的,组织好各施工步骤,准备好各种技术预防措施是施工成功的关键。5.1 对拉锚杆及加强锚杆 取消单一式中墙后,开挖完成后中墙厚度为0.8m,对拉锚杆和加强锚杆的设置是非常必要的。对拉锚杆采用Φ22钢筋药卷锚杆,间距为0.6m×0.5m,长度根据中墙的厚度变化为0.8~2.0m。加强锚杆设于中墙两侧仰拱和边墙处,采用3.0m的Φ25中空注浆锚杆,间距0.6m×0.8m。5.2 中墙夹岩柱体注浆加固 中墙岩体最薄处为0.15m,经过多次爆破开挖过程的影响,中墙周围的围岩松动,其承载力受影响。因此,必须分别在中墙拱顶、墙、仰拱处对松动围岩进行注浆。预埋Φ42钢管,浆液采取水泥-水玻璃双液浆,参数为1∶1水泥浆和30~45Be水玻璃溶液,注浆压力为0.2~1.0MPa。在两次开挖中中墙均进行注浆,最后开挖完成后对中墙夹层进行饱和注浆。
5.3 微差微震爆破技术 隧道开挖全部采用钻爆法施工。由于地处广州市繁华地段,地面建筑物密集,且隧道采用“0”间距开挖,爆破时必须按照预留光面层光面微震微差爆破方案进行施工,将爆破震动控制在容许范围内。对于连拱隧道所处地层为Ⅲ、Ⅳ级围岩采取的爆破措施为: (1)爆破器材采用低震速乳化炸药。 (2)严格控制每循环进尺(0.6~0.8m),周边炮眼间距为0.4m,减少装药量,控制光面爆破效果(图4)。 (3)每次爆破使用多段位雷管起爆,采用非电毫秒雷管不对称起爆网路微震动技术。 (4)中墙处采取二次开挖施工,先预留1m光面层,掏槽眼布置在远离中墙的一侧,对预留的光面层二次爆破时周边眼光面层多布置空眼、少装药。杜绝超挖,局部欠挖时采用人工风镐开挖。 通过以上有效措施,在中墙二次爆破施工时,对0.15m厚的中墙基本未造成破坏,顺利通过了连拱隧道的“0”距离开挖。
5.4 辅助剪刀撑加强支护 通过ANSYS模拟分析,为确保小断面隧道施工安全,必须对小断面隧道进行辅助支撑加固,抵御爆破产生的瞬时冲击和岩层开挖时荷载释放产生的偏压。 支撑材料采用I20型钢,焊接于两端格栅预埋钢板上,并采用高强螺栓加固。支撑布置间距为0.6m,即每一榀格栅上均布置,布置范围延长至双连拱两边各1.2m,并在开挖大端面前完成。支撑布置的高度和角度要确保施工机械设备能顺利通行。通过施工证明,支撑的设置是必要和有效的,小断面隧道在加设辅助剪刀撑后收敛仅为5mm。5.5 信息化施工 为确保结构安全和施工安全,在隧道施工过程中开展实时监控量测,研究支护结构和周边地层的变形特征,预测相应的支护结构变位并验证支护结构的合理性,为信息化施工提供依据。施工中监控量测显示,小断面隧道最大沉降为14.6mm,大断面隧道最大沉降为17.2mm,结构收敛最大值为7.6mm,地面最大沉降为10mm,三连拱中洞开挖拱顶最大沉降为22.8mm。6 施工总结 通过本工程实例,证明了采用分离式中墙施工方案能够保证连拱隧道群段的施工安全和结构安全,工期比采用单一式中墙施工方案快1.0~1.5个月。本工程为今后类似的地下铁道建设取得了成功的经验和应用实例。 通过总结分析,得出以下结论: (1)根据实际地质情况大胆地改双连拱单一式中墙为分离式中墙进行施工,类似于常规的超小净距隧道施工,摒弃双连拱隧道必须先施工中墙的常规工法,对最终衬砌结构受力影响较小,对结构防水更有利,并且缩短了施工工期。通过本工程的两次施工,实现了超小间距隧道“0”间距开挖施工技术的重大突破。 (2)施工中的关键技术是减少围岩的破坏及扰动,以及对已经成型隧道结构的保护。因此在双连拱薄弱的中墙处控制好微差弱爆破将是施工取得成功的重点。采用预留光面层光面爆破取得了理想的效果。如果对预留的光面层岩体采取静态爆破将更加理想。 (3)对薄弱中墙的加强支护也是本次施工取得成功的重要原因。从受力分析看,仰拱与侧墙连接处受影响最大,确保了初期支护承受足量荷载;其次是加强对中夹岩柱体的注浆加固,对其采用对拉锚杆、加强锚杆和注浆加固,确保了围岩的稳定。施工采用的对拉锚杆如果充分运用预应力加固,效果可能会更好。 (4)合理安排好施工先后顺序,使各工序在转换施工时相互影响最小。参考文献[1]刘小兵.双跨连拱隧道中墙结构合理形式研究[J].施工技术,2004-10,15[2]汪俊明.软弱围岩地段双连拱隧道施工技术[J].西部探矿工程,2003-06[3]GB50299-1999 地下铁道工程施工及验收规范[S].北京:中国计划出版社,1999
