砂层中三联拱暗挖地铁隧道中洞法施工
2010-06-18 23:28
砂层中三联拱暗挖地铁隧道中洞法施工技术
[摘要]三联拱结构在暗挖地铁车站浅埋暗挖中已经越来越普遍的被采用,该结构的暗挖大多采用安全性高,灵活性好,可操作性强,机械化程度低,出土效率高,工序间干扰较少的中洞法施工技术。北京地铁四号线石榴庄路站三联洞暗挖段穿越粉质粘土和中粗砂地层,采用中洞法施工,即中洞先行开挖,然后开挖两侧隧道,分部衬砌,施工过程中受力转换复杂,分部沉降对地层影响大,通过采用合理施工方法,信息化调整支护参数,有效控制了地面沉降,确保了结构的安全稳定。
[关键词]三联拱;中洞法;浅埋暗挖;地铁
矿山法是暗挖法中目前最为常用的一种开挖方法,特点如下:施工工艺简单,应用灵活,减少拆迁和交通疏解及造价合理等。中洞法作为矿山法的一种,具有:①安全性好,在先完成中墙和第一期底板,后再进行开挖时可将临时支撑和拱架都支撑于坑道中墙及第一期底板上;②灵活性好,可因地制宜地选择断面形状和尺寸;③可操作性强、机械化程度低,挖土可用人工采用简便挖掘机具;④出土效率高,开挖上部断面时的大量石渣可通过上下导坑间一系列漏渣孔装车后从下导坑运出;⑤工序间干扰较少,完成中洞后,可左右侧同时施工;⑥造价低、经济性强。中洞法适用于软岩类的地质条件较好且施工受地下水影响较少的工程项目。
1 工程概况
北京地铁四号线石榴庄路站位于马家堡西路与石榴庄路交叉口地下,车站主体在马家堡西路路面下,车站有效站台中心里程为K1+539. 28。车站采用明暗挖结合的施工方法,南北基坑采用明挖法施工,车站主体中部穿越石榴庄路,为了不影响道路交通并避免地下管线的改迁,采用暗挖三联拱中洞法施工。该暗挖段为单层三联拱结构,长31. 5m,跨度为22. 1m,高13.2m,顶板埋深7.75m。
2 地质情况
石榴庄路站地层自地表以下依次为:人工填土、第四纪全新世冲洪积地层(厚度约为10m)、以下为晚更新世冲洪积地层,基岩埋深即为第四系覆盖层厚度。车站主要修建在粉质粘土、粉细砂、圆砾卵石和粘土层中,底板进入圆砾卵石层中。在车站范围内,自地面下20m范围内的饱和粉土及砂类土不液化(见表1)。地下车站的水位为地下22m,在车站底板以下。
3 模拟计算
三联拱结构开挖采用中洞先行法施工,共分12部分,由于分部较多,力学转换复杂,施工时累计沉降将会较大,支护结构的稳定性十分重要。施工时采用有限元法对各步序工况进行模拟分析,确定临时支撑的强度、刚度,以此作为安全保证的理论基础。根据监控量测、信息反馈、位移反分析来调整支护参数,达到安全施工的目的。
分析过程中地层选用弹塑性模型实体单元模拟、永久初支护采用壳体单元模拟、临时初支护采用梁体单元模拟(见图1),结构近似按平面应变问题处理,环向单元(格栅+喷射混凝土)宽取1m,纵向单元(连接筋+喷射混凝土)宽取0.3m,弹性模量取2.8×107,泊松比取0.2。
考虑施工中的不利影响,荷载分项系数取1. 2,刚度折减系数取0. 8,地层按均质连续介质,粘聚力c=28kPa,内摩擦角φ=30°,天然重度γ=19kN/m3取值。考虑到计算方便,周围地层划分为3 000个有限单元,用ANSYS软件进行分析,开挖后的地层屈服如图2所示。计算结果表明。
1)由于围岩条件差,拱部土体破坏接近度很高,必须对地层进行预注浆加固,并采取超前支护措施。
2)在地层没进行加固前施工,地表沉降位移较大,达到27.1mm。在地层进行预加固时(隧道周围地层弹性模量达到1GPa),地表沉降得到较好控制,经按改变弹性模量后的地层计算,沉降为5.5mm。
4 施工步骤
石榴庄路站三联拱隧道施工步骤如下:①第1步进行中洞及侧洞拱部大管棚超前支护(见图3a);②第2步 小导管注浆加固地层,依次进行CRD法施工中洞,并及时支护(见图3b);③第3步:依次跳槽破除临时中隔壁,施工二衬底纵梁及底板A、框架柱B、顶纵梁及顶拱C(见图3c);④第4步 按图3所示依次对称开挖10、11、12号导洞,并进行相应的超前支护施工,及时施作封闭初期支护(见图3d);⑤第5步 拆除中洞下部临时支护,铺设两侧边跨底板D、侧墙E及侧拱F防水层,施作相应部位二衬,必要时在中隔壁下加临时支撑(见图3e);⑥第6步 跳槽拆除临时支护,铺设防水层,施作侧洞二次衬砌,二衬封闭成环。二衬完成后应及时注浆,拆除临时支护(见图3f)。
5 关键技术
5.1 中洞隧道施工
5.1.1 拱部超前大管棚施工
超前支护采用大管棚、超前小导管及部分地面注浆加固,管棚选用Φ108mm×8mm的热轧钢管,长度过8m,搭接6m,无缝钢管沿车站开挖轮廓倾角20°~30°设置,环向间距500mm,钢管内灌注水泥砂浆。管棚间插Φ42mm的小导管超前预注浆加固地层。
5.1.2 拱部小导管注浆
拱部超前小导管选用壁厚3.5mm的热轧钢管,长度过3. 0m,纵向每两榀一道。小导管外插角30°~45°,根据地层条件调整外插角的参数。浆液选用水泥-水玻璃双液浆,利用浆液凝胶时间可调、结石率高、抗压强度大的特点,在隧道结构外形成1. 5m厚的土体改良加固圈。
5.1.3 CRD开挖
中洞采用交叉中隔壁法施工,将隧道分成4个部分开进行分部开挖,部与部相隔1~2倍开挖洞径,开挖进尺为每榀格栅间距0.5m,严禁多榀一次开挖。
开挖施工时主要采取以下措施。
1)严格控制先行导洞的开挖中线和水平高程,确保开挖断面圆顺,钢格栅安装位置正确。
2)尽可能缩短开挖台阶和各开挖分部的施工间隔,使初期支护尽快闭合,以控制围岩变形。
3)增设锁脚锚管,对拱脚部位加强注浆,稳定地层,对基底进行注浆加固,防止基底变形。
4)加强量测监控,做好信息反馈,及时调整方法。
5.1.4 拆除临时支撑
中洞临时支撑采用分段拆除方式,每次拆除长度不超过10m。为进一步了解在初期临时支护拆除过程的应力变化形式及规律,分别在隧道底部、拱腰及拟拆除的钢拱架上安设应力钢筋计及沉降、收敛点,每天观测两次,并绘制变化曲线及时反馈,用以指导临时支护的拆除,防止临时支护拆除后沉降突变的发生。
5.1.5 中洞二次衬砌
中洞衬砌包括防水层施工、底板混凝土浇筑、中隔墙及拱顶混凝土浇筑工作。隧道为复合式衬砌,防水层设计为无纺布缓冲层+ECB防水板,防水板采用无钉孔铺设悬挂,自动爬焊机焊接。
1)基面处理 防水板铺设前严格对初期支护混凝土表面进行处理,达到干燥无水状态,清除基面上的尖锐突出物,在割除部位用水泥砂浆抹成圆曲面,避免防水板扎破。隧道断面变化或转弯时的阴阳角应抹成R>50mm的圆弧。底板基面达到平整,无明显的凹凸起伏。
2)土工布悬挂 在台架上用射钉加橡胶垫圈固定,梅花状布置,拱部间距0. 5~0. 8m,底板间距0.8~1.2m。
3)防水层铺设 防水板裁剪要考虑搭接宽度,由拱顶向两侧铺设,采用双焊缝热合机将相邻两幅卷材进行热熔焊接,卷材之间的搭接宽度为100mm,避免纵向焊缝与环向焊缝成十字相交,采用T形接缝法进行焊接,并对纵向焊缝外的多余搭接部分齐根削去,确保焊接质量和焊机通过顺利。纵向一次铺设长度可根据隧道断面大小、二次衬砌混凝土循环灌筑长度等因素确定。分段铺设的卷材的边缘部位预留至少500mm的搭接余量。为防止临时支撑拆除时损坏中洞防水层,中洞拱部防水层施作之前,在拱部防水层与中洞初期支护之间安设0.8mm厚钢板保护层。
4)钢筋连接及安装 为保证钢筋连接接头的质量,加快施工进度,施工中根据钢筋的不同直径、不同部位而采用人工绑扎和直螺纹套筒相结合来施工。
5)模板架立及浇筑混凝土三联拱隧道中洞二衬分为仰拱、两个中隔墙、拱部3个步骤施工。仰拱不设模板,直接浇筑成型;中隔墙采用1 500mm×600mm×50mm、1 500mm×200mm×50mm、1 500mm×150mm×50mm组合钢模板立模浇筑;拱部采用1 500mm×1 200mm×80mm可调式钢模板+型钢拱架+碗扣式脚手架+500mm托盘支撑立模浇筑。
安装模板前先检查模板的表面平整、光滑程度,涂刷脱模剂,按测量定位立模,模板U形卡、L形插销、拉杆螺栓等必须安装牢固,防止变形。模板拆除时先支后拆,按先非承重部位后承重部位,先上后下的顺序拆模。
5.2 侧洞施工
5.2.1 侧洞开挖
拱顶小导管注浆与中洞拱顶注浆工艺相同,侧洞采用正台阶法施工,分两部开挖,上下部之间设临时仰拱。根据临时仰拱的位置上部一次性开挖留核心土,临时仰拱紧跟。下部开挖后及时封闭,初期支护采用钢格栅+连接筋+C25喷混凝土支护体系。
5.2.2 拆除临时支撑
侧洞临时支撑拆除同中洞施工方式,分段拆除,加强监测,避免在初期支护拆除过程中沉降突变现象,为防止割除中洞初期支护拱架时烧穿防水板,在割除格栅时采用石棉板进行遮挡。
5.2.3 侧洞二衬施工
侧洞二次衬砌分两次跳槽模筑,仰拱及部分边墙混凝土一次性浇筑,钢筋采用直螺纹机械连接,侧洞边墙及拱部采用可调式拉弧钢模板+型钢拱架+碗扣式脚手架+托盘支撑立模的综合式模板体系,采用泵送混凝土浇筑。基本和中洞二衬施工方法相同。
6 监控量测
为减少三联拱隧道暗挖施工时对现况路面的影响,在路面和洞内布置了沉降观测点,并在开工前测得了初始值,在施工过程中对路面沉降每天进行监测,监测数据显示,在中洞第1~5步骤开挖时由于断面较小,路面沉降值较小,在进行第6步骤(开挖中洞右侧下部)时,路面沉降明显加大,达到17. 1mm(出现在路中位置,两端相对要小),通过采取注浆加固和增加锁脚锚杆,之后的沉降变化曲线开始缓和,总沉降量得到控制。
通过对洞内格栅钢架轴力测点数据分析,钢筋内力在每一步开挖时其结构受力形式均要进行转换,在结构中洞左侧拱部位置,测得格栅钢架最大轴压力P=67.3kN,从监测数据可以看出,结构钢筋基本处于受压状态,但都能满足设计要求。
7 结语
1)三联拱结构中洞法施工在软岩类的地质条件较好且施工受地下水影响较少的工程项目中,能取得良好的社会和经济效益。
2)采用CRD分部开挖时,超前加固和及时支护非常关键。浅埋隧道由于受力复杂,分部开挖时地层扰动较大,各步序在施工时进行地层加固要超前并且满足需要,土体开挖后,及时立设格栅拱架,布设锁脚锚杆,进行回填注浆。
3)第四纪地层地铁区间隧道施工时,基底及时充填注浆非常必要。由于地层开挖施作结构后,初期支护基底可能出现不密实状态,基底承载力受到影响,对基底及时进行充填注浆,较好地保证了隧道上方建筑物的沉降变化值。
4)加强施工监测,进行信息反馈是施工的安全保证。城市地铁浅埋隧道施工时,地表建筑物及管线复杂,通过对地表沉降及洞内变形监测,能较好地控制围岩变形趋势,能够使变形、沉降处于可控状态,保证隧道施工周边结构物的安全。
参考文献:
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