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        青島地鐵大斷面隧道雙側(cè)壁和大拱腳施工技術(shù)

        2013-08-23 07:26:42張國輝
        山西建筑 2013年15期
        關(guān)鍵詞:施作導坑側(cè)壁

        張國輝

        (中鐵十九局集團第五工程有限公司,遼寧大連 116100)

        1 工程概況

        青島地鐵江西路車站位于南京路與江西路十字路口南側(cè),沿南京路南北走向,與遠期規(guī)劃的地鐵5號線換乘,為地下兩層島式站臺車站。車站起訖里程為:K8+358.491~K8+605.491,車站全長247 m,車站主體結(jié)構(gòu)采用暗挖法施工,拱頂埋深9.3 m~10.5 m,雙層大拱腳復合襯砌結(jié)構(gòu),寬 20.6 m,高14.65 m。車站設(shè)風井2座,均為單跨雙層拱形結(jié)構(gòu),出入口3座。

        江西路站前接五四廣場站,后接寧夏路車站,車站所處位置地面交通流量較大;車站西北角及西側(cè)均為高層建筑,東側(cè)為多層住宅小區(qū),建筑為6層~7層,東北側(cè)為南京路小學操場。路面地勢較為平坦,南京路現(xiàn)狀路寬25 m~35 m,地面交通流量較大。車站位置道路下市政管線密集,并且在江西路路口以北的南京路下方有雨水蓋板涵,寬約3 m,埋深在2.5 m左右,其他管線埋深較淺。

        2 車站地質(zhì)情況

        沿線為密集居住樓和商鋪,沿主干道南京路分布,交通繁忙。地貌為山前侵蝕堆積坡地,地面標高10.70 m~12.20 m,地形較平坦。第四系填土層厚度較淺,粉質(zhì)粘土局限分布,下伏基巖為中生代燕山晚期侵入巖,主要為花崗巖,見煌斑巖巖脈,強風化帶厚度較大。填土分布較淺,補給條件較差?;◢弾r強風化帶較厚處,含水較豐富,中等透水性。

        3 施工方法

        地鐵隧道淺埋暗挖雙側(cè)壁導坑法施工是礦山法中的一種,其原理是把整個隧道大斷面分成左右上下多個小斷面施工,每一小斷面單獨掘進,最后形成一個大的隧道,且利用土層在開挖過程中短時間的自穩(wěn)能力,采用網(wǎng)狀支護形式,使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護結(jié)構(gòu),且用中隔壁及中隔板承擔部分受力,適合于城市地區(qū)松散土介質(zhì)圍巖條件下,隧道埋深不大于隧道直徑,以很小的地表沉降修筑隧道的技術(shù)方法。它的突出優(yōu)勢在于不影響城市交通,有效控制地表沉降,保證施工安全,無污染、無噪聲,而且適合于各種尺寸與斷面形式的隧道洞室。

        大拱腳施工方法是指在隧道施工過程中將作業(yè)面分為多個開挖面,以前后多個不同的位置相互錯開同時開挖。然后分部同時進行支護形成支護整體,縮短作業(yè)循環(huán)時間,逐步向縱深進行推進的方法。對于軟弱圍巖承載力不足,擴大上部鋼架拱腳及墊板或增加鎖腳錨管增大地基承載力,每循環(huán)進尺0.5 m~0.8 m,盡量縮短臺階長度,確保初期支護及早成環(huán),仰拱和襯砌及時跟進,及時形成穩(wěn)定的支護體系。

        綜合施工條件、圍巖條件、隧道斷面面積大、埋深淺、工期、環(huán)境條件復雜等因素考慮,江西路車站選用雙側(cè)壁導坑法和大拱腳法施工,確保施工安全。車站結(jié)構(gòu)斷面形式有ZA型大拱腳薄邊墻斷面結(jié)構(gòu)形式和ZB復合式襯砌結(jié)構(gòu)形式兩種,ZA型斷面長211 m,采用大拱腳施工;ZB型斷面長36 m,采用雙側(cè)壁導坑法施工,中間涉及到由雙側(cè)壁施工轉(zhuǎn)換到大拱腳施工工藝。根據(jù)青島“上軟下硬”的地層特點,充分利用硬巖地層承載能力高的特點,本站以大拱腳邊墻斷面結(jié)構(gòu)形式為主,在穿越斷層破碎帶及節(jié)理發(fā)育密集帶處采用單拱直墻復合式襯砌。

        3.1 總體原則

        江西路車站隧道圍巖軟弱,地質(zhì)條件復雜,埋深淺,跨度大,在施工中嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”等技術(shù)措施。在開挖導坑時,盡量減少對圍巖的擾動,導坑斷面近似橢圓,周邊輪廓圓順,避免應力集中。初期支護采用格柵鋼架、掛網(wǎng)、噴混凝土柔性支護體系,及時施作,使斷面及早閉合,以充分利用圍巖的自承能力,控制圍巖變形。建立一整套圍巖支護結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測系統(tǒng),進行信息化施工管理,隨時掌握施工過程中的動態(tài)變化,合理安排,調(diào)整施工工藝和設(shè)計參數(shù),確保施工安全。

        3.2 施工步驟

        江西路車站首先從車站兩頭施工ZB型斷面,再施工ZA型斷面,考慮到隧道斷面面積大,車站拱部總體采用108超前大管棚支護和超前小導管支護輔助施工,在過斷層時采用拱部帷幕注漿輔助施工,確保施工安全,總體施工步序圖如圖1所示。

        圖1 江西路車站總體施工步序圖

        3.2.1 雙側(cè)壁導坑法施工

        雙側(cè)壁導坑法分9個導洞,每個導洞分上中下3個臺階開挖,隧道施工步序如下,施工步序圖如圖2所示。

        圖2 江西路車站雙側(cè)壁施工步序圖

        1)施作拱部超前大管棚支護,完成長管棚注漿施工后,在管棚支護環(huán)的保護下,按設(shè)計的施工步驟進行掘進開挖,管棚的施作應保證二次襯砌厚度,長管棚設(shè)計參數(shù)如下:

        a.鋼管規(guī)格:熱軋無縫鋼管φ108 mm,壁厚6 mm。

        b.管距:環(huán)向間距40 cm。

        c.傾角:仰角1°~3°(不包括路線縱坡),方向:與路線中線平行。

        d.鋼管施工誤差:徑向不大于10 cm。

        e.隧道縱向同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%,相鄰鋼管的接頭至少須錯開1 m。

        f.長管棚注漿按劈裂注漿進行設(shè)計,注漿采用分段注漿,灌注純水泥漿液,水泥漿水灰比 1∶1~1∶1.5;注漿壓力:0.7 MPa~1.0 MPa。

        2)雙側(cè)壁導坑1,1′開挖支護時,左右兩側(cè)應錯開不小于15 m,避免開挖一側(cè)導坑所引起的圍巖應力重分布影響另一側(cè)的已成導坑。每循環(huán)進尺1 m,并打設(shè)φ32超前小導管,L=3.5 m,環(huán)向間距400 mm,縱向間距1.5 m。開挖支護后及時架設(shè)橫撐和側(cè)壁臨時支撐,及早閉合成環(huán),臨時橫撐和側(cè)壁支撐采用Ⅰ22a工字鋼,間距50 cm,側(cè)壁支撐需臨時噴射30 cm厚C25混凝土。

        3)當中洞距離最近的側(cè)洞大于15 m時,可以開挖核心巖柱上部4,開挖前打設(shè)超前小導管,及時施作拱部初期支護。為確保掌子面穩(wěn)定安全,開挖采取預留核心土,同時可以在核心土上人工打鉆并進行初期支護,方便施工,也節(jié)約了施工成本。

        4)下部導坑 2,3,2′,3′分短臺階開挖,2 步滯后于 1 步 5 m ~8 m,3步滯后于2步6 m~10 m,并且及時施作支護和臨時支撐,閉合成環(huán),右側(cè)2′,3′與左側(cè)錯開15 m距離后施工方法與2,3步相同。

        5)根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果,分段拆除臨時支撐,一次拆撐縱向長度4.5 m~6 m,施作拱墻防水層及二次襯砌Ⅳ,5,6步為施工預留并隨施工進行逐步開挖。

        6)拆除剩余臨時支撐,施作底部防水層及二次襯砌。7)施工車站中板、立柱等內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝修。

        3.2.2 雙側(cè)壁—大拱腳轉(zhuǎn)換施工

        由于ZA型大拱腳斷面拱腳處寬于ZB型雙側(cè)壁斷面2.2 m,所以拱腳轉(zhuǎn)換處需要向外擴挖。為確保兩種斷面類型能夠連接牢固,在轉(zhuǎn)換處兩種斷面類型都增加了4m長的鎖腳錨桿8根,并將此處的連接筋由原來的1 m間距加密到0.5 m。

        3.2.3 大拱腳施工

        江西路車站ZA型斷面大拱腳施工方法可以比喻成在車站上部扣上了一頂“帽子”,在這個“帽子”的保護下進行下部的開挖,開挖步序圖如圖3所示。

        圖3 大拱腳施工步序圖

        4 監(jiān)控量測

        現(xiàn)場監(jiān)控量測是現(xiàn)代化施工管理的主要組成部分,它不僅能指導施工,預報險情,確保安全,而且還能獲得圍巖動態(tài)和支護工作狀態(tài)的數(shù)據(jù),為修正、確定初期支護參數(shù)及混凝土二襯提供依據(jù)。為此在隧道施工過程中進行了全過程監(jiān)控量測。

        開挖支護后,測量組應及時按每10 m埋設(shè)一個量測斷面,每斷面不少于3個點(拱頂1點,水平2點或4點)。勤測量拱頂下沉及凈空收斂情況并及時匯報,發(fā)現(xiàn)變形過大時及時采取措施,并要求每個斷面每天測1次~2次。

        5 施工中遇到的問題及解決方案

        1)因施工工藝的原因,將大斷面隧道轉(zhuǎn)化成小斷面隧道,因此挖掘機及裝載機開挖及倒碴必須是正面進入導洞,然后倒退出隧道,不能掉頭。并且是必須等一臺進入出來一個循環(huán)后,另一臺機械設(shè)備才能再進入。隨著隧道的開挖掘進深入,循環(huán)時間加長,若一臺大型機械設(shè)備在導洞內(nèi)工作時出現(xiàn)故障,基本上各工序都得停滯,鋼架、噴漿料的材料運輸?shù)纫彩艿搅撕艽蟮南拗?。對此解決的方案是在不影響隧道結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,將臨時側(cè)壁支撐處每隔40 m切斷支撐7 m,留一個側(cè)門進行渣土和材料的倒運,并且避免了因開挖下導而導致對上導的影響,加快了每循環(huán)的時間,左右兩側(cè)所預留的側(cè)門也應該錯開相應的距離。

        2)由于臨時中隔壁支護與初期支護形成了全封閉,造成臨時中隔壁為連續(xù)的鋼筋噴射混凝土,對后期的二襯時的鋼筋噴射混凝土破除難度有很大的影響,并且臨時豎撐與橫撐的拆除會打破原有的力學平衡狀態(tài),形成具有普遍性的天窗時間,影響地鐵車站的施工安全。并且每次拆除臨時支撐長度不大于6 m,也造成了施工進度緩慢。所以擬對臨時支撐的拆除過程與二次襯砌的施作工法進行優(yōu)化調(diào)整,調(diào)整的思想就是“以錨代撐”,表現(xiàn)為拆撐前在相應部位安設(shè)預應力錨索,在臨時支撐與錨索之間實現(xiàn)應力轉(zhuǎn)化后,再進行大規(guī)模的支撐拆除和二次襯砌工作。預應力錨索按長度分為兩種,其中長錨索長度為8 m~10 m,短錨索長度為5 m~6 m。錨索的打設(shè)角度以向兩側(cè)傾斜為主,適當向掌子面前方傾斜,為了保護隧道拱頂附近的地下管線,建議盡量水平鉆設(shè),但應避免中間部位的兩組間錨索相互干擾。

        3)大拱腳施工工藝對拱腳處要求嚴格,拱腳處一定要落于堅實的基礎(chǔ)上,這樣才能有效支撐上部土體的壓力,保護下部施工的安全。但是由于施工爆破技術(shù)的限制,難以嚴格控制拱腳處超欠挖;其次由于拱腳圍巖多變,遇到強風化圍巖也難以保證拱腳處受力穩(wěn)定;再次后續(xù)防水的施工也增加了難度。因此解決的方案是進行設(shè)計變更,在拱腳超挖部位,增加高為800 mm,寬為1 260 mm的明梁,混凝土等級為C45,配構(gòu)造鋼筋,該方案將會為后期防水層的施作提供便利。

        6 對雙側(cè)壁、大拱腳施工工藝的幾點總結(jié)

        目前,國內(nèi)的地鐵工程工期一般比較緊張,所以,施工方法選擇除考慮經(jīng)濟、安全因素之外,更重要的還要考慮如何確??焖倬蜻M。

        1)雙側(cè)壁導坑法能夠適應巖溶、破碎、斷層、膨脹巖為體的特別復雜的大斷面隧道,而且其施工過程易控制,從總體上說,這是一種安全可靠的施工方法,這種施工方法,為我們今后在復雜的地層修建大斷面地下工程開辟了新的途徑。并且從市區(qū)的施工情況來看,這種工法在措施得當?shù)那闆r下,能夠保證每月30 m~40 m的掘進速度。

        2)雙側(cè)壁導坑法、大拱腳工法由于工作面多,施工組織難度較大。其運輸組織應根據(jù)現(xiàn)場的實際情況及采用的設(shè)備來確定,運輸設(shè)備最好采用小型機械。

        3)在施工過程中,一定要保證中隔壁以及橫撐鋼架、噴混凝土的質(zhì)量,以確保施工安全。施工初期支護是其重要組成部分,其中,支護剛度在整個施工過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用,如果剛度過大,則容易造成浪費,而且也不符合新奧法的基本原理;反之,如果剛度過小,則因不能提供足夠的支護阻力造成塌方,因此,我們必須遵循剛度“適度”的原則,防止有關(guān)事故的發(fā)生。

        4)加強結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換時的監(jiān)測,及時反饋信息,由監(jiān)測反饋信息指導施工,做到信息正常,嚴密監(jiān)測;信息反常,即刻采取應對措施。嚴格控制各導洞開挖步距及各部工作面間隔距離,避免出現(xiàn)群洞效應。如果導洞間工作面齊頭并進,會造成多個導洞的應力和沉降疊加,加大地表沉降,危及地面管線安全。

        5)為了減小地面沉降,導洞暗挖施工中,重點采取及時打設(shè)鎖腳錨桿,格柵底部鋪木板增加受力面,及時進行拱背回填注漿等加強措施。格柵結(jié)點板處是初支結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié),連接筋的焊接質(zhì)量應嚴格控制。

        6)針對淺埋暗挖風險比較大的特點,施工中應制定防坍塌及管線保護措施以及詳細的應急預案。如掌子面出現(xiàn)土體含水量增多、土體坍塌、管線滲漏、遇中雨以上的降雨天氣等特殊情況,應停止開挖,封閉掌子面,并采取相應措施。

        7 結(jié)語

        雙側(cè)壁導坑法和大拱腳工法施工雖然具有安全度高,地表沉降小等優(yōu)點,非常適用于地質(zhì)條件差的大斷面開挖施工。但其方法最大的缺點就是工序多,施工干擾大,因此青島地鐵江西路車站為了保證隧道開挖的進度,考慮到開挖方法、人員配置、機械選型等一整套施工組織問題,從幾套方案中根據(jù)現(xiàn)場實際擇優(yōu)選擇。始終堅持信息化施工,以監(jiān)控量測的信息數(shù)據(jù)指導并檢驗施工方案的正確與否,隨時調(diào)整施工工藝及施工參數(shù)為隧道施工技術(shù)的根本。施工工藝必須科學并符合施工現(xiàn)場實際情況,只有這樣施工過程才能省時省力,同時也將帶來可觀的經(jīng)濟效益。

        [1]李善英.雙側(cè)壁導坑法在黃土隧道軟弱段施工中的應用[J].青海交通科技,2008(6):39-40.

        [2]王夢恕.隧道工程淺埋暗挖法施工要點[J].隧道建設(shè),2006,26(5):1-4.

        [3]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.

        [4]李德武.隧道[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

        [5]陳建平,吳 立.地下建筑工程設(shè)計與施工[M].武漢:中國地質(zhì)大學出版社,2000.

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