多功能型钢台车拆除高大核心土施工技术
［摘 要］大断面暗挖地铁车站普遍采用双侧壁导坑法施工，在完成双侧壁开挖后，中间留下了高大核心土，要进行下一道工序二衬的施工，则必须先拆除高大核心土，将拱顶初支闭合，保证初期支护整体结构稳定，避免出现拱顶塌方、沉降等安全事故。结合重庆市轨道交通 6 号线小什字车站工程，介绍了在采用双侧壁导坑法完成双侧壁开挖后，运用自由伸缩手臂多功能型钢台车拆除 18m 高、6m 宽高大核心土的施工情况，探讨了特大断面暗挖隧道安全拆除高大核心土施工技术。
［关键词］地铁工程; 型钢台车; 核心土; 施工技术
据调查，目前国内在建的特大断面隧道断面面积普遍在 200 ～ 300m2，在运用双侧壁导坑法完成左、右上导坑开挖后，就进行拱部核心土的开挖，这样的施工工序避免了后期开挖高大核心土的诸多困难。重庆轨道交通 6 号线小什字地铁车站最大断面面积在 400m2以上，属于城市建筑密集区的浅埋特大断面隧道，国内尚无成熟的施工技术。为控制安全风险，小什字地铁车站不能按常规的完成左、右上导坑开挖后，就开挖拱部核心土的施工工序。实际施工工序为: 两侧上导坑开挖初支→两侧中导坑开挖初支→两侧下导坑开挖初支→仰拱开挖→仰拱混凝土浇筑→核心土开挖→拱部初期支护→大断面二衬施工。这样留下了后期处理高大核心土的诸多困难和安全风险。
1 地质状况
场地出露地层自上而下分别为第四系全新统人工填土、河流冲积层，下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组砂岩和砂质泥岩。
2 工程概况
重庆轨道交通 6 号线小什字地铁车站属于特大断面隧道，车站全长 257m，车站断面变化频繁，最大断面跨度 26m，高 19m，断面面积 430m2。全部采用双侧壁导坑法开挖，左、右导坑开挖完成后，中间留下了长 257m，高 15 ～ 18m，宽 6m 的高大核心土。车站围岩覆盖层厚度为 8 ～ 10m，属于浅埋隧道，围岩级别为 IV 级砂质泥岩和 IV 级砂岩，局部区域还存在岩层破碎带。岩层含水丰富，在开挖的过程中屡见渗水。车站上方为重庆市解放碑商业繁华地带，地下管网众多，拆除核心土形成全断面施工风险大，存在诸多困难。
1) 留下的核心土纵向长 257m，高 15 ～ 18m，宽6m，即使大型机械也无法到达该高度对拱部进行机械开挖。
2) 由于核心土太高，若设置钢爬梯让工人攀爬上去进行拱部核心土开挖和安装钢拱架，开挖设备和材料难以升降，工人无操作平台，在开挖的过程中十分危险。
3) 核心土开挖后，在核心土前堆积了大量渣土，而混凝土衬砌台车是靠轨道行走。由于渣土堆积前方不具备铺轨条件，混凝土衬砌台车无法行走，拱部初期支护无法闭合，且二衬施工难以开展，在特大断面隧道中，拱部初期支护长时间无法闭合以及初期支护长时间裸露均存在较大风险。
4) 对于小什字车站这种特大断面车站，二次衬砌厚度在 1m 以上，在绑扎迎水面二衬钢筋和绑扎背水面二衬钢筋时，其横向跨度差距较大，劳务人员施工时安全距离不够，操作不便，影响工程质量。
3 多功能型钢台车设计构造
多功能型钢台车根据小什字大断面车站技术参数设计，由工字钢加工组合而成，高 15m，跨度 23m，纵向长 6m，竖向分为 5 层，每一层都设操作平台，每层前后左右都设有能够自由伸缩的型钢悬挑梁( 由 2根槽钢焊接闭合而成) ，在悬挑梁上面设操作平台供工人进行核心土的开挖或二衬施工。底部设置行走系统，测量放线定位后，铺设轨道，多功能型钢台车能够按需要前后行走，多功能型钢台车主要由台车车架、伸缩悬挑梁、行走系统组成( 见图 1) 。
3. 1 台车车架
台车车架主要包括行走梁、横梁、立柱、斜撑、纵横连杆。在满足强度、刚度的情况下，采用型钢设计，保证结构合理，加工简便、迅速。横梁、立柱和纵横连杆能够根据车站不同的断面，调整跨度和高度，满足车站各种断面的使用。当型钢台车位于车站较大断面时，则竖向增加型钢台车层数，横向调节增长横梁长度，还能够通过伸长悬挑梁的方式来增加型钢台车的跨度。当型钢台车位于车站较小断面时，则竖向减少型钢台车层数，横向调节减小横梁长度，还能够通过缩短悬挑梁的方式来减小型钢台车的跨度。
3. 2 伸缩悬挑梁
自由伸缩悬挑梁分为横向伸缩悬挑梁和纵向伸缩悬挑梁，横向伸缩悬挑梁作用为增加或减小型钢台车横向的跨度，纵向伸缩悬挑梁的作用为增加或减小型钢台车纵向的悬挑长度，以此用来进行高大核心土的开挖。伸缩悬挑梁的主梁由 1 组 2 榀纵向或横向长度 4m 的 I22 焊接合并组成，在中间插入1 根伸缩式悬挑梁 ( 由 2 根根据现场实际尺寸设计的槽钢焊接闭合而成) 。伸缩式悬挑梁的伸缩长度依靠螺栓卡销( 间距 1m) 来控制，其伸缩依靠悬挑梁上的滑轮自由活动( 见图 2) 。
3. 3 行走系统
多功能型钢台车行走系统由 2 个主动行走机构及 2 个从动行走机构组成。电机功率为 2 × 11kW，台车运行速度为 6. 8m/min。根据现场施工的需要，多功能型钢台车可自由前后移动。
4 多功能型钢台车施工工艺
4. 1 施工工艺流程
多功能型钢台车施工工艺流程如图 3 所示。
4. 2 具体施工工艺
1) 核心土 1 ～ 3 台阶开挖 首先利用型钢台车进行 1 ～ 3 台阶开挖，每个台阶开挖高度为 3m，每次施工循环为 1. 5m，每个台阶超前下一个台阶纵向长度 3. 0m( 见图 4a) ，1 台阶开挖完成之后立即进行拱架的闭合，然后埋设拱架应力计，进行监控量测。若通过监控量测反馈出的数据未出现异常，则通过螺栓卡销调节型钢悬挑梁的长度，将悬挑梁伸长，并在悬挑梁上放置 2cm 厚的钢板，两侧设置安全防护网，提供工人安全操作的平台，继续开挖下一个循环的核心土 1 ～ 3 台阶( 见图 4b) ，将初期支护闭合，并且埋设拱架应力计，解决了纵向距离远，无法开挖核心土的问题; 若通过监控量测反馈出的数据出现了异常，则暂时停止核心土 1 ～ 3 台阶的开挖，及时施作型钢井字架，加强车站拱顶的支撑，防止拱顶出现大量沉降引起安全事故。
2) 核心土 4 ～ 6 台阶开挖 核心土 4 ～ 6 台阶纵向长 6m，合并为一次开挖，开挖完成后出渣。
3) 伸长悬挑梁继续开挖核心土 1 ～ 3 台阶 在开挖核心土 4 ～ 6 台阶时，纵向伸长悬挑梁继续开挖核心土 1 ～ 3 台阶，这个工序可以和开挖核心土 4 ～6 台阶平行施工。
4) 二衬防排水、二衬钢筋施工 在开挖核心土4 ～ 6 台阶时，横向伸长悬挑梁进行二衬防排水、二衬钢筋施工，这个工序同样也可以和开挖核心土 4～ 6 台阶平行施工。 小什字车站断面大，防水板铺设的面积大，每个断面的钢筋环向长度大，最长达56m，车站最大断面二次衬砌厚度为 1. 5m，在绑扎迎水面二衬钢筋和绑扎背水面二衬钢筋时，其横向跨度差距较大，在铺设防水板和绑扎迎水面钢筋时，伸长型钢悬挑梁并设置操作平台进行操作; 在绑扎背水面钢筋时，缩短型钢悬挑梁进行背水面钢筋的绑扎，后续制安模板时也同样以伸缩悬挑梁的方式进行操作( 见图 5) 。
5) 开挖 6m 长的仰拱 因为混凝土衬砌台车长度为 6m，6m 即为一模，因此开挖纵向 6m 长的仰拱，仰拱开挖到设计底标高后，将渣土运出洞外。
6) 仰拱施工 6m 长的仰拱开挖完成后，进行垫层混凝土浇筑覆盖仰拱底板基岩，然后铺设防水板、浇筑混凝土保护层、绑扎仰拱钢筋，最后进行仰拱混凝土浇筑。
7) 拱墙二衬施工 仰拱混凝土浇筑完成后浇筑矮边墙混凝土，接着将型钢台车前移，开挖下一个循环的核心土。混凝土衬砌台车紧跟多功能型钢台车也往前移，将前一模绑扎好的 6m 二衬钢筋用挡头模板封闭，接着进行二衬混凝土浇筑。
5 施工注意事项
1) 由施工工艺流程图可以看出，在利用多功能型钢台车拆除暗挖车站高大核心土时，同时利用多功能型钢台车进行拱墙二衬防排水和二衬钢筋的施工，当前面一模仰拱开挖完成且混凝土浇筑完成后，多功能型钢台车前移至新施工完成的仰拱面上，后面的混凝土衬砌台车紧紧跟上，进行拱墙二衬混凝土浇筑。整个施工工艺为流水作业，为保证这一流水作业，施工完成的仰拱必须至少超前施工完成的拱墙二衬两模( 混凝土衬砌台车长 6m，两模即 12m) 。开挖完成的仰拱也要超前两模，超前的第 1 模仰拱在开挖时，超前的第 2 模能够平行作业，进行仰拱防排水和钢筋的施工，超前的第 2 模仰拱在进行混凝土浇筑时，则超前的第 1 模仰拱平行作业进行防排水和钢筋施工; 超前的第 2 模仰拱混凝土浇筑完成且强度达到设计要求后，多功能型钢台车往前推移，进行下一个核心土开挖、拱墙二衬施工、仰拱开挖、仰拱混凝土浇筑等又一个工作循环。
2) 在开挖核心土 1 ～ 3 台阶时，台阶的高度和超前下一个台阶的纵向长度须控制准确，不能太超前，为保证施工安全，超前开挖后，必须立即埋设拱架应力计，进行监控量测，待监测数据稳定后，才能进行核心土下一个循环的开挖。
3) 应采用减振控制爆破 + 光面爆破的方法进行爆破作业，减少对车站拱部围岩的扰动和减小因爆破产生的振动，防止型钢台车遭受飞石破坏。
6 施工效率和经济效益分析
6. 1 施工效率分析
利用自由伸缩手臂多功能型钢台车拆除高大核心土有效解决了隧道施工场地狭小的弊端，可步步推进紧靠核心土开挖，每开挖一段核心土，渣土运输后，多功能型钢台车便往前推进进行下一段核心土的开挖，形成流水作业。
利用多功能型钢台车拆除高大核心土，平均每天可开挖核心土 324m3，2d 便可完成核心土一个循环段( 6m) 的开挖。由于多功能型钢台车的自由伸缩手臂可纵向伸长不断进行核心土的开挖，前方的工作面在不断展开，为后续仰拱开挖、仰拱防水板铺设、仰拱钢筋制安、仰拱混凝土浇筑等工序不断地提供新的作业面，仰拱混凝土浇筑完成后，同时也为横向的二衬防水板铺设、二衬钢筋制安、二衬混凝土浇筑等工序提供了新的作业面，利用自由伸缩手臂多功能型钢台车横向伸缩手臂的横向伸长或缩短进行横向二衬等一系列工序的施工。大断面隧道纵向核心土开挖、仰拱开挖在纵向形成流水作业，同时横向二衬防水板铺设、二衬钢筋制安、二衬混凝土浇筑等工序在核心土、仰拱开挖的过程中展开了平行作业。在空间狭小的隧道内利用自由伸缩手臂多功能型钢台车可进行纵向空间和横向空间的交叉作业施工，各道工序衔接有序，各个作业班组互不干扰，提高了施工效率。自由伸缩手臂多功能型钢台车施工工艺与传统的搭设脚手架等施工工艺日生产量对比如表 1 所示。
6. 2 经济效益分析
1) 自由伸缩手臂多功能型钢台车施工工艺与传统的搭设脚手架等施工工艺相比，在进度上缩短了工期，在人工、材料周转等方面降低了成本。
2) 多功能型钢台车是拼装组合式的，因此对于台车的跨度和高度可以进行调整。本工程为 6 号线小什字车站，与 1 号线小什字车站存在换乘通道，能够将多功能型钢台车尺寸调小后用作换乘通道的开挖，节省再次加工操作平台的费用，而且保证了安全地开挖换乘通道。
3) 车站二衬施工完毕后，后续为车站站内结构的施工，还能够根据站厅层的高度调整多功能型钢台车的尺寸进行车站站厅板的施工，节省了搭设脚手架的费用，并且提供了更加宽阔的操作空间。
7 适用范围
1) 暗挖隧道断面面积 ＞ 200m2的特大断面隧道。
2) 运用双侧壁导坑法开挖后，中间留下高度 ＞10m 的高大核心土的特大断面隧道。
3) 存在多种类型断面，且断面变化频繁的隧道。
4) 位于城市建筑密集区、施工风险大、埋深在 5～ 12m 的浅埋隧道。
8 结语
1) 利用多功能型钢台车有效地实现了流水作业，加快了施工进度，缩短了施工工期。
2) 自由伸缩手臂多功能型钢台车拆除高大核心土施工工艺能够让劳务人员更加安全地开挖高大核心土，提高了拱部初期支护质量，同时能够更加安全地进行后续二衬防排水、二衬钢筋的施工，提高了二衬质量。
3) 多功能型钢台车适用于暗挖车站各种类型的断面，节约了成本，具有可观的经济效益。
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