城市地下工程施工中的马头门开挖技术
2012-08-04 18:54
城市地下工程施工中的马头门开挖技术
摘 要：城市地铁暗挖隧道施工中马头门的开挖改变了原结构的受力状态，如施工不当容易造成原结构的变形，增大地表的沉陷，严重时甚至引起结构破坏。 对马头门的受力状况进行了分析，阐述了开挖前的加固措施，对矩形、圆形竖井开挖马头门的方法做了论述，并分别对从明挖结构的围护桩开挖马头门和通道多个方向开挖马头门的方法做了介绍。 指出，马头门的开挖除应遵循浅埋暗挖“十八字”方针外，还应遵照“强洞口防偏压”的原则，细化施工步序，以确保安全。
关键词：城市地铁；暗挖隧道；马头门；加固环；矩形竖井；圆形竖井；强洞口防偏压
马头门开挖一词，来源于矿山井巷施工。由于矿井直径较小，且与竖井相接的运输通道高度不大（一般巷道高度约在4 m 以内），为便于长大物件能顺利由竖井进入运输通道，常将连接竖井处的运输巷道加高成斜坡状，如图 1 所示。 因为其形状如马头，因此把竖井开口处的施工称作开挖马头门。
城市地铁暗挖隧道施工中，与竖井相连的横通道高度一般均能满足下放长大物件、设备的需要 ，不必加高成斜坡状，虽然形不如马头，但仍沿用马头门开挖这一名词，而且，还把由竖井的横通道开口进入暗挖区间隧道、把从明挖的围护桩开口进入暗挖地段施工，也称作马头门开挖。
马头门开挖改变了原结构的受力状态，如施工不当容易造成原结构的变形，增大地表的沉陷，严重时甚至引起结构破坏。因此，应根据其结构受力变化特点，选择合理的施工方法和施工顺序，并对结构给予必要的加强和支撑。
1 矩形竖井开挖马头门
1. 1 受力特点
马头门开挖各阶段的受力状态如图2 所示。
图2a）为尚未开挖马头门，竖井井筒处于周边承受均匀土压力的状态。 图 2b）为开挖马头门后，洞口处井壁临空，不能提供土压力，井壁处在偏压状态。 偏压力由马头门两侧土压力产生的摩擦力、洞口的支撑力和空间效应来平衡。所谓的空间效应是指开口段上下的井壁及土体拱效应。如果上述的受力状态达不到平衡，则可能产生松弛和失稳，这是开挖马头门时最危险的状况。 因此，应尽快施作洞口的支撑格栅框架，并于洞口对侧的井壁架设对撑，并施作一定长度的横通道以提供支撑力，建立新的平衡。必要时对马头门高度范围的土体进行超前加固，以提高拱效应，达到图 2c）所示的状态。
1. 2 开挖前采取的措施
1）井壁加强和临时封底
由于空间效应，马头门开挖后，马头门上下方的竖井井壁受力增加，因此井壁在马头门开挖上下方和有临时仰拱位置密排钢架，一般为2 榀 ；在开挖横通道时临时仰拱位置密排的钢架和射喷混凝土不破除，开挖前竖井要先封底；必要时注浆进行壁后充填。
当马头门开挖高度较高，为避免搭设较高的脚手架开挖马头门，也可以在井壁施工时预设牛腿，以供开挖上部台阶时搭设施工平台；也可在开挖一定深度进行临时封底后再开挖上层马头门。 临时封底形式建议采用环形，如图3 所示。
2）超前加固
为防止破除井壁后土体失稳，可根据情况，采用超前管棚或者和通道平行的单层或双层小导管注浆，其长度宜超过上台阶高度加1 m，必要时对土体进行环向注浆或上台阶全断面注浆[1]。
3）施作加固环
为承受马头门开挖后井筒对马头门的侧压力，在开挖前应在其横通道的初期支护周边外施工加固环。加固环的作法目前有两种：一是在竖井施工时在井壁内做加固环；二是在井壁完成后，在井壁内侧做加固环。 前者的加固环效果较好，后者施工方便。 现仅介绍前者的施工方法。如图4 所示。
加固环由短节格栅钢架组成，随井壁施工，穿过井圈钢架，并焊接在其上，如图 5 所示。
当横通道高度不大时，加固环也可以做成矩形。
4）施作临时支撑
为平衡在开挖马头门时的井筒偏压，必要时可采用图6 的临时支撑方法。
1. 3 井壁破除和开挖
1）施工顺序
井壁破除应按通道的开挖顺序逐块破除，在上部开挖的井壁破除、向前开挖一段距离后，再破除下部开挖的井壁，并向前开挖。
现以上下台阶开挖横通道为例，阐述马头门破除和开挖顺序，如图7 所示。
图7 中的施工顺序为：Ⅰ.在井壁施工时施工加固环；2.按上台阶环形开挖破除井壁；Ⅲ.施作井壁内的上台阶初期支护；4.上台阶环形开挖 3～4 m；Ⅴ.施作上台阶初期支护；6.拆除上台阶核心部分井壁；7.继续向前开挖上台阶；Ⅷ.施作上台阶初期支护；9.上台阶开挖5～10 m 后拆除下台阶范围内井壁 ；10.开挖下台阶 ；Ⅺ.施作下台阶初期支护。
2）施工要点
①靠近马头门处加密钢架（一般密排 2 榀），其中1 榀在井壁内， 并不用破除的井圈钢架和喷射混凝土作为临时仰拱。
②上下台阶开挖应在开马头门 5 m 范围内增设临时仰拱。
③横通道开挖一定距离（一般大于 10 m）方可破除下部开挖的井壁进行下步开挖。
④横通道初期支护全部成环一定长度后方可拆除临时支撑。
⑤马头门开挖段井壁宜进行应力应变观测。
2 圆形竖井开挖马头门
圆形竖井的受力条件较好，但由于要布置人行梯和开挖马头门困难，现在地铁施工中很少采用。
圆形竖井开挖马头门有两种作法：一是将竖井马头门范围的断面过渡成方便开挖马头门的部分直线型（如图 8 所示），其开挖方法同矩形竖井开挖马头门；另一种作法是不改变断面开挖马头门，但施工较复杂，其特点及施工方法如下。
2. 1 结构特点
圆形竖井开挖马头门的支护结构图如图9 所示。由于横通道伸入井筒内必须对部分井筒进行扩挖，这部分的横通道拱部钢架不闭合，而是焊接在割断的井筒钢筋上，底部不能封底，而是将其边墙的初期支护伸入未破除的结构外；无法施作临时仰拱。
2. 2 开挖前采取的措施
圆型井筒临时支撑较困难，一般均不采用，超前加固措施与矩形竖井相同。
1）井壁加强
小直径竖井和开挖高度不大的通道（例如尺寸小于6 m），除采用前述的加强措施外，一般利用空间效应进行开挖。当尺寸较大时则需对井壁进行特殊加强。如工期允许最好先完成马头门开挖上下各2 m 范围内的井筒二次衬砌，再开挖马头门，这是最好的施工方案。不作二次衬砌开挖马头门应加大马头门上下一定范围内的井筒竖向筋直径，按规定焊接要求进行竖向筋的连接，使竖向筋成为受力钢筋，能将马头门内对方不平衡的侧压力分担到马头门上下的井筒上。
2）施工加固环
和矩形竖井的加固环不同，加固环不在同一平面上，边墙和拱部部分加固环在井筒和横通道的相交线上，底部沿通道深入部分的井筒水平布置。
2. 3 井壁破除和横通道开挖
如图7 所示，在井筒范围内的横通道只能采用无临时仰拱的台阶法施工，井壁随施工顺序逐次破除。由于在井筒范围内左右扩宽，因此施工分左右进行。现仍以横通道台阶法开挖为例说明其施工顺序，如图 10所示。
上台阶开挖距马头门一定距离（一般为 10 m）后停止前进。下台阶仍按上台阶的顺序开挖。 当下台阶距上台阶5 m 时，上下台阶同时向前开挖。
在井筒范围内横通道的拱部高度由零逐渐提高，为方便施工，宜将上下台阶的分界线定在起拱线下 1m。由于在井筒范围的横通道初期支护无法施工临时仰拱，因此有需要时可采用初期支护扩大拱墙脚。
3 在横通道内开马头门
3. 1 开挖顺序
一般情况在横通道内要开挖4 个马头门，从 4 个方向开挖地铁区间隧道，如图 11 所示。
这种情况，对开马头门、对结构受力极为不利，曾发生过重大安全事故，应明令禁止。 施工的正确顺序是：先对角开挖 1、2 号马头门，待各全断面开挖成环一定距离后（例如 10 m）再开 3、4 号马头门。
3. 2 受力特点
开挖马头门前后受力结构处于偏压状态（如图12所示），在开挖马头门后，马头门一侧的拱脚失去了边墙对拱脚的垂直支撑力和大部分水平约束力，结构处于偏压状态仅靠加固环和结构的空间效应来维持平衡，可能会使结构变形过大和失稳，因此一般需在开挖前对结构进行加强。 其他有关分析参见前矩形竖井有关部分。
3. 3 开挖前采取的措施
1）施工加固环
竖井开挖马头门的加固环主要承受侧压力，横通道的加固环主要承受破除横通道边墙初支后由拱脚产生的垂直压力。 加固环可在横通道施工时在边墙内施作，如前所述；也可以在横通道施工后在边墙外面施作。后者施工较方便。 由于要侵占横通道净空，如果在横通道内要施工二次衬砌，则横通道要适当加大开挖宽度。
在边墙外做加固环有两种作法：一是沿隧道初期支护外轮廓线做成拱形加固环；二是做成内框形。 后者的加固环作法如图13 所示。 施工方法是先将框架固定在横通道的边墙上，然后将框架到通道拱顶间、框架与开马头门处的初期支护间的空隙、框架左右侧一定范围用喷射混凝土充填。
2）施作临时支撑
为平衡开挖马头门后对部分边墙的侧压力，可在加固环的顺梁上按间距1～1.5 m 设横撑。 如图 13 所示。
4 从明挖结构的围护桩开挖马头门
从围护桩结构的工程进入相邻的暗挖工程施工时必须先破桩。在围护桩施工时如能根据暗挖工程的外轮廓线适当调整桩间距，则可以减少破桩量。
挖结构尚未完成时进入暗挖施工，一方面要保证不影响桩护结构原来的受力状态和围护能力，同时要减少对明挖施工的干扰，因此一般均采用完成相邻明挖工程的结构后方开始暗挖。 此时马头门仅承受围护桩克服地层摩擦力的自质量。
破桩开挖马头门施工顺序如图14 所示。
图14 中的施工顺序为：1.破除上台阶环形开挖内的半桩和施工加固环范围内的桩间喷射混凝土；Ⅱ.施工加固环，墙脚宜设钢筋混凝土的扩大基础 ，并嵌入左右的桩体内；3.破除前半桩的另一半；Ⅳ1.在破桩范围架设钢架喷射混凝土，同时施作超前防护Ⅳ2；5.环向3开挖 5 m 并完成拱部初期支护 ；Ⅴ.在靠近维护桩处宜架加设1 榀钢架 ；6.破除上台阶范围内维护桩和桩间喷射混凝土；7.继续向前上台阶环形开挖，并完成拱部初期支护；8.待上台阶开挖 10～15 m 后，破除下台阶范围内维护桩和桩间喷混凝土；9.Ⅸ.开挖下台阶并完成初期支护。
该台阶破桩开挖马头门方法，能避免向上破桩的困难并可方便施工超前支护。
5 马头门开挖注意的问题
开挖马头门时，洞口每侧应预留 500～800 mm 的扩大端，以便于施作洞口加强环梁并留有操作空间。 切忌直切和反掏进洞，如图15 所示。
6 结语
马头门开挖除应遵循浅埋暗挖“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”[2]的十八字方针外，还应遵照“强洞口防偏压”的原则，细化施工步序，以确保安全。
参考文献：
[1] 贺长俊，蒋中庸，刘昌用，等. 浅埋暗挖法隧道施工技术的发展[J]. 市政技术，2009，27（3）：278.
[2] 刘昌用. 浅埋暗挖技术在北京地铁复兴门折返线施工中的运用[C]//中国土木工程学会. 中国土木工程学会第四届年会论文集. 北京：中国铁道出版社，1988：190-191.
