楊 崢

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

我國(guó)目前處于大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)期,隨著社會(huì)的發(fā)展,我國(guó)將從土建大國(guó)變成修繕大國(guó),因此有必要對(duì)工程維修及擴(kuò)能改造等一系列問(wèn)題進(jìn)行深入研究,為今后工程維修積累經(jīng)驗(yàn)。

哈爾濱某人防工程建于20世紀(jì)70年代,使用鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范,采用當(dāng)時(shí)北京地鐵1號(hào)線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。哈爾濱地鐵1號(hào)線一期工程利用其中5.4 km作為地鐵區(qū)間。受當(dāng)時(shí)施工條件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等因素的限制,既有人防隧道不能直接為地鐵區(qū)間加以利用,必須加以修繕改造后利用。因此如何利用既有隧道結(jié)構(gòu)就成為哈市地鐵能否順利通車的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

該人防工程既有隧道修復(fù)利用技術(shù)具有很高的復(fù)雜性和綜合性,其中包括既有車站的加固利用、既有區(qū)間的擴(kuò)挖、地下商業(yè)街下方矩形斷面的處理等一系列技術(shù)問(wèn)題,其中既有區(qū)間的單邊擴(kuò)挖工法在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。其修繕經(jīng)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外也屈指可數(shù)。

文章依托既有人防隧道改造利用工程,對(duì)采用單側(cè)擴(kuò)挖法改造利用的隧道進(jìn)行了深入的分析,所得的數(shù)據(jù)和結(jié)論不僅為改造隧道的支護(hù)體系設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù),進(jìn)而可以指導(dǎo)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工,而且可望為同類隧道的設(shè)計(jì)、施工和研究提供有益的借鑒和參考。

2 工程概況

既有人防隧道工程使用鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范,采用“馬蹄形”設(shè)計(jì)斷面形式,按北京地鐵1號(hào)線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),限界按DK-3型地鐵機(jī)車車型。人防隧道為雙線隧道,隧道上方覆土厚12～15 m。

哈爾濱地鐵1號(hào)線一期工程利用既有人防隧道結(jié)構(gòu)5.4 km,既有標(biāo)準(zhǔn)斷面改造區(qū)間斷面采用單洞雙線馬蹄形斷面,結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示,采用暗挖法施工,限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件,以人力挖掘?yàn)橹?簡(jiǎn)單的機(jī)械施工為輔,土方開挖形式采取正臺(tái)階法,襯砌采用單層襯砌結(jié)構(gòu),施工過(guò)程中先澆筑襯砌的拱部結(jié)構(gòu),后澆筑邊墻及仰拱結(jié)構(gòu),限于當(dāng)時(shí)客觀條件,多數(shù)襯砌背后超挖部分未按要求壓漿回填,僅以建筑垃圾、碎石等回填。

圖1 人防隧道結(jié)構(gòu)橫剖面(單位：mm)

既有人防隧道改造利用段地層主要由第四紀(jì)全新世人工堆積層(Q4ml)、上更新統(tǒng)哈爾濱組地層(Q3hr2al)、中更新統(tǒng)上荒山組地層(Q2h2l)、下荒山組地層(Q2hlal)、下更新統(tǒng)東深井組地層(Q1dn2l)、猞猁組地層(Q1sh1al)組成,巖性為黏質(zhì)黏土、粉土、砂類土,穩(wěn)定地下水位于結(jié)構(gòu)仰拱以下,對(duì)施工影響較小。

3 施工方法及支護(hù)參數(shù)

隧道及地下洞室工程,其核心問(wèn)題都?xì)w結(jié)在開挖和支護(hù)2個(gè)關(guān)鍵工序上。即如何開挖,才能更有利于洞室的穩(wěn)定和便于支護(hù)；若需支護(hù)時(shí),又如何支護(hù)才能更有效地保證洞室穩(wěn)定和便于開挖。這是隧道及地下工程中2個(gè)相互促進(jìn)又相互制約的問(wèn)題。地下工程在施工過(guò)程中應(yīng)以少擾動(dòng)圍巖、盡快施工初期支護(hù)并及時(shí)量測(cè)為原則,既“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”。

為充分利用既有人防隧道結(jié)構(gòu)。方案設(shè)計(jì)將線位在既有人防隧道結(jié)構(gòu)線位基礎(chǔ)上橫向偏移400～600 mm,軌頂面下移300～400 mm。利用拱形結(jié)構(gòu)在空間上位置關(guān)系,充分利用既有人防隧道結(jié)構(gòu)作為初期支護(hù),局部開挖,局部支護(hù),在此基礎(chǔ)上修建二次襯砌,新建結(jié)構(gòu)與既有人防隧道結(jié)構(gòu)關(guān)系詳見(jiàn)圖2。

圖2 人防隧道結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)關(guān)系(單位：mm)

為充分利用既有人防隧道結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)大面積的鑿除破壞的同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)限界及線路等方面的要求,確定施工工序如下(圖3)。

圖3 施工工序

第1步：采用跳槽法破除既有人防隧道結(jié)構(gòu)在仰拱填充及仰拱處侵限界的混凝土結(jié)構(gòu)。

第2步：施工仰拱部分初期支護(hù)結(jié)構(gòu),仰拱部分初期支護(hù)施做完成后,在槽段兩側(cè)架設(shè)臨時(shí)型鋼支撐。

第3步：破除該槽段內(nèi)既有人防隧道側(cè)墻結(jié)構(gòu),擴(kuò)挖土體至設(shè)計(jì)輪廓線。

第4步：打設(shè)小導(dǎo)管等超前支護(hù)結(jié)構(gòu),架設(shè)側(cè)墻格柵鋼架并將格柵鋼架與既有結(jié)構(gòu)連接成環(huán),噴射混凝土,封閉該環(huán)初期支護(hù)。

第5步：鋪設(shè)防水板,施做二次襯砌仰拱結(jié)構(gòu),預(yù)留鋼筋及防水連接條件。

第6步：施做拱墻二次襯砌。

在縱向人防隧道改造施工采用跳槽法施工,施工槽段長(zhǎng)1.5 m,施工段間距12 m,第1步先施工1、3槽段,第2步施工5、7槽段,第3步施工2、4槽段,第4步施工6、8槽段,沿隧道縱向施工工序詳見(jiàn)圖4。

圖4 沿隧道縱向施工工序

該施工方案采用了局部擴(kuò)挖,局部支護(hù)的施工方法,施工過(guò)程中采用跳槽法施工,槽段長(zhǎng)1.5 m。該施工方案在既有人防隧道結(jié)構(gòu)破除后能迅速封閉成環(huán),結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換明確。

單側(cè)擴(kuò)挖法超前支護(hù)采用鋼管超前注漿輔以超前導(dǎo)管方式,小導(dǎo)管采用φ42 mm普通鋼管,壁厚4 mm。環(huán)向間距30 cm。管頭為30°的錐體,預(yù)留止?jié){段長(zhǎng)1.0 m,花管部分鉆有φ8 mm注漿孔,梅花形布置,間距30 cm。支護(hù)體系采用格柵拱架。格柵鋼架0.75 m,網(wǎng)噴30 cm噴射混凝土。二次襯砌采用40 cm厚C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4 數(shù)值模擬

人防洞體改造采用單側(cè)擴(kuò)挖法施工,結(jié)構(gòu)在鑿除過(guò)程中,不可避免地會(huì)出現(xiàn)因既有人防隧道結(jié)構(gòu)鑿除而結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)剛度削弱,因此利用人防結(jié)構(gòu)在縱向上的剛度將成為工程能否順利實(shí)施的關(guān)鍵。

由于既有人防隧道改造施工采用分步擴(kuò)挖,跳槽施工,施工工序復(fù)雜,對(duì)圍巖有多次擾動(dòng),槽段長(zhǎng)度及二次襯砌施做時(shí)機(jī)等參數(shù)直接影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以把握擴(kuò)挖、支護(hù)過(guò)程中既有人防隧道及新建支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)顯得尤為重要。

考慮空間效應(yīng)等對(duì)模擬分析的影響,確定模型長(zhǎng)45 m,寬度100 m,高度為50 m,模型劃分為30個(gè)施工步驟,槽段長(zhǎng)度1.5 m,結(jié)合機(jī)械設(shè)備情況,確定施工間隔18 m,模型前、后及左、右面邊界均采用水平約束,底邊界受豎向約束,頂面為自由面；模擬分析軟件采用Midas Gen,計(jì)算模型共劃分79 260個(gè)單元,79 296個(gè)節(jié)點(diǎn)；巖土體本構(gòu)方程采用DP彈塑性非線性本構(gòu)模型,計(jì)算模型見(jiàn)圖5,考慮地面超載考慮20 kPa。

隧道開挖,實(shí)質(zhì)上是襯砌結(jié)構(gòu)剛度和荷載的遷移,在破除和支護(hù)處均有“預(yù)設(shè)單元”,利用Midas Gen的“鈍化”和“激活”功能模擬施工工況。每破除及開挖一步,破除及開挖的土體單元被“鈍化”,同時(shí)支護(hù)單元被“激活”來(lái)模擬支護(hù)作用,如此循環(huán)前進(jìn),直至完成該段施工。

圖5 既有人防洞體有限元模型

模擬過(guò)程按照施工步1、2、3、4分別進(jìn)行模擬分析,取已施工完成段區(qū)1施工槽段為分析對(duì)象,圖6為1、2、3、4施工步施工完成后,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)以完成段1的主應(yīng)力圖。

圖6 初支結(jié)構(gòu)主應(yīng)力圖

從已完成區(qū)段1施工槽段主應(yīng)力圖可以看出,最大主應(yīng)力為擴(kuò)挖段新建初期支護(hù)側(cè)墻部位,擴(kuò)挖段側(cè)墻結(jié)構(gòu)格柵鋼架輔以30 cm厚網(wǎng)噴C25混凝土,結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)既有結(jié)構(gòu)較弱,初期支護(hù)封閉成環(huán)后,相應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大,結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力出現(xiàn)在墻角部位,因此初期支護(hù)在該處采用擴(kuò)大端墻角結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng),確保初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

與新建隧道不同,改造隧道沿隧道縱向采用跳槽法施工,施工槽段施工相互影響,表1為1、2、3、4施工步施工完成后,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)已完成段1的主應(yīng)力增減情況。從表1中可以看出施工步1、3完成后,內(nèi)力增加較小,其中施工步1完成后,初期支護(hù)主應(yīng)力增加0.02～0.04 MPa,施工步3完成后,初期支護(hù)主應(yīng)力增加0.05～0.08 MPa,施工步2、4完成后,內(nèi)力增加較大,特別是施工步4完成后,內(nèi)力增加0.09～0.13 MPa,因此相關(guān)施工段施工過(guò)程中,對(duì)已施工完初期支護(hù)的監(jiān)測(cè)顯得非常重要。

表1 初期支護(hù)內(nèi)力增量 MPa

圖7為1、2、3、4施工步施工完成后,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)以完成段1的豎向位移圖。結(jié)構(gòu)最大豎向位移出現(xiàn)在仰拱部位,豎向位移為+17 mm,仰拱在施工過(guò)程中受力相對(duì)較為薄弱,因此初期支護(hù)完成后,快速完成二次襯砌仰拱部分結(jié)構(gòu),不僅可以為下一施工工序創(chuàng)造施工通道,而且可以確保施工過(guò)程中仰拱的穩(wěn)定。

圖7 初支結(jié)構(gòu)豎向位移圖

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及數(shù)據(jù)處理與信息反饋

周邊收斂和拱頂沉降是地下結(jié)構(gòu)信息化施工的重要觀測(cè)數(shù)據(jù),其結(jié)果是判斷支護(hù)效果,指導(dǎo)施工工序,保證施工質(zhì)量和安全的最基本的資料。根據(jù)單側(cè)擴(kuò)挖法施工工序的特點(diǎn),每個(gè)周邊收斂布置3條測(cè)設(shè)基線,側(cè)線布置詳見(jiàn)圖8。

圖8 周邊收斂側(cè)線布置

圖9為初期支護(hù)周邊收斂時(shí)態(tài)曲線,結(jié)合施工工序,通過(guò)對(duì)時(shí)態(tài)曲線的分析可得出相鄰槽段施工對(duì)以施工完成段影響較大,在相鄰槽段施工期內(nèi),施工已完成段水平收斂達(dá)到6 mm,在相鄰槽段施工完成后,時(shí)態(tài)曲線收斂。

初期支護(hù)新建側(cè)側(cè)墻收斂曲線數(shù)值稍大于既有側(cè)側(cè)墻收斂結(jié)果,分析其原因主要為新建側(cè)初期支護(hù)剛度相對(duì)既有結(jié)構(gòu)較弱,結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較大,人防工程在施工過(guò)程中已擾動(dòng)原狀地層,擾動(dòng)后地層經(jīng)幾十年的固結(jié)沉降,可認(rèn)為應(yīng)力重新分布完成。新建側(cè)土體擴(kuò)挖后應(yīng)力釋放后對(duì)未擴(kuò)挖側(cè)也有影響,但影響相對(duì)擴(kuò)挖側(cè)較小。

圖9 周邊收斂時(shí)態(tài)曲線

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)既有人防隧道改造為地鐵區(qū)間的施工力學(xué)行為研究分析,結(jié)合監(jiān)控量測(cè)結(jié)果,得到如下結(jié)論。

(1)初期支護(hù)封閉成環(huán)后,結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大部位為擴(kuò)挖側(cè)側(cè)墻部位,結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力出現(xiàn)在墻角部位,因此初期支護(hù)在該處特別是墻角部位應(yīng)采取必要的加強(qiáng)措施，確保初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

(2)初期支護(hù)完成后,仰拱部位位移收斂較大,因此初支完成后,應(yīng)盡快完成二次襯砌仰拱部分結(jié)構(gòu),不僅可以為下一施工工序創(chuàng)造施工通道,而且可以確保施工過(guò)程中仰拱的穩(wěn)定。

(3)擴(kuò)挖側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)及初支背后的土體的穩(wěn)定與相鄰槽段施工關(guān)系密切,相鄰槽段施工過(guò)程中需對(duì)以施工完成槽段加強(qiáng)觀測(cè)。

(4)施工槽段的長(zhǎng)度,施工段落的劃分務(wù)必結(jié)合隧道的地質(zhì)條件、初期支護(hù)強(qiáng)度及收斂速率等做出準(zhǔn)確的判斷與計(jì)算,防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

[1] 中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所.哈爾濱市軌道交通工程利用“7381”隧道結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)研究報(bào)告[R].北京：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,2001.

[2] 關(guān)寶樹.隧道工程維修管理要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社,2004.

[3] 李曉紅.隧道新奧法及其量測(cè)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2002.

[4] 關(guān)寶樹,國(guó)兆林.隧道及地下工程[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2004.

[5] 江見(jiàn)鯨,何放龍,何益斌,陸新征.有限元法及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[6] 濮加騮,李廣信.土的本構(gòu)關(guān)系及其驗(yàn)證與應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),1986,8(1):47-75.

[7] 李廣信.計(jì)算土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[8] 劉江峰,漆泰岳,曠文濤.“先隧后站”法施工引起地表沉降分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(4)：80-81.

[9] 呂奇峰,黃明利,韓雪峰.重疊隧道施工順序研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(10)：102-105.

[10] 周劉剛,王海祥.淺埋暗挖地鐵車站管棚與交叉小導(dǎo)管超前注漿預(yù)加固施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(11)：68-71.