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      國內罕見超大斷面四聯拱隧道施工技術
      2021-08-30  

        連拱隧道由于跨度大及分多步開挖多次擾動土體,造成地表沉降明顯,給施工安全帶來很大隱患。文章以哈爾濱地鐵一號線哈爾濱南站—哈達站區間四連拱隧道段工程為背景,對大斷面四連拱隧道雙側壁+中導洞法的施工工法展開研究,主要闡述了雙側壁+中導洞工法的原理和特點、施工步驟、關鍵技術等,可為類似條件下的隧道施工提供有益的借鑒。

        1概述

        哈爾濱地鐵一號線哈爾濱南站站—哈達站區間位于哈爾濱市主干道學府路正下方,區間全長1160m。由于哈南停車場出入場雙線從區間正線引出,在SK1+374~SK1+456.985里程范圍設計為國內罕見的超大斷面四連拱隧道。隧道所處地層為淺埋軟塑粘土地層,結構底板埋深約16~26m。隧道采用分部開挖的雙側壁導坑+中導洞法施工,開挖寬度28m,開挖高度8m,開挖面積近217m2。隧道最淺埋置深度約為8.5m,與開挖高度非常接近,屬于高寒地區超大斷面連拱隧道。

        2四聯拱超大斷面隧道施工技術

        四聯拱大斷面隧道施工總體上分為開挖和襯砌兩部分。在開挖方法上又分為整體全斷面“雙側壁導坑+中導洞工法”、區間正線(上下行線)局部斷面"CRD工法"、中導洞及出入場線局部斷面"上下導坑法(或臺階法)"等。

        在襯砌施工方面,四聯拱隧道(區間正線CRD法斷面)襯砌分四步進行:仰拱施工—仰拱回填施工—隧道內側直墻混凝土施工—隧道外側拱墻施工;四聯拱隧道(中導洞斷面)襯砌分仰拱和中隔壁兩步進行;四聯拱隧道(出入場線斷面)襯砌分仰拱和拱部進行施工。四聯拱襯砌在完成初期支護背后注漿,初期支護驗收合格后進行。

        2.1四聯拱超大斷面隧道開挖施工工序及施工方法

        四聯拱隧道整體雙側壁導坑+中導洞工法施工工序及施工方法如圖1~圖7所示,區間正線隧道(上下行線)局部斷面CRD工法施工工序及施工方法如2.1.2節所述,中導洞及出入場線局部斷面上下導坑法屬常規施工,不再贅述。

        2.2.1雙側壁導坑+中導洞法施工工序及施工方法

       ?。?)第一步:采用"CRD工法"錯開步距分別施做四聯拱隧道兩側區間正線(上下行線)側導洞,同時施做型鋼+掛網+錨噴初期支護,施工前先進行拱部?42小導管注漿超前支護(圖1)。

        

        圖1第一步開挖示意

       ?。?)第二步:利用上下導洞法(或臺階法)施做中導坑,同時施做型鋼+掛網+錨噴初期支護,施工前先進行拱部?42小導管注漿超前支護(圖2)。

        

        圖2第二步開挖示意

       ?。?)第三步:在上述開挖完成的3個導坑內施做二次襯砌,施工順序為:鋪掛防水層—細石混凝土保護層—二次襯砌鋼筋施工—二次襯砌混凝土施工,中導洞二次襯砌施工完畢后在其拱部回填C20混凝土(圖3)。

        

        圖3第三步開挖示意

       ?。?)第四步:在完成上述二次襯砌作業后,開始開挖介于上述3個導坑之間的尚未開挖的左右兩部分土體??傮w上采用從上到下的步序,首先開挖左上、右上兩個導坑,同時施做型鋼+掛網+錨噴初期支護,施工前先進行拱部?42小導管注漿超前支護(圖4)。

        

        圖4第四步開挖示意

       ?。?)第五步:依次拆除左右兩部分上導坑的型鋼支撐,施做拱部二次襯砌混凝土,施工順序為:鋪掛防水層—二次襯砌鋼筋施工—二次襯砌混凝土施工(圖5)。

        

        圖5第五步開挖示意

       ?。?)第六步:待左右兩部分上導坑拱部二次襯砌混凝土強度滿足設計要求后,開挖最后剩余的左右兩部分下導坑土體,同時施做型鋼+掛網+錨噴初期支護(圖6)。

        

        圖6第六步開挖示意

       ?。?)第七步:依次拆除左右兩部分下導坑的型鋼支撐,施做仰拱二次襯砌混凝土,施工順序為:鋪設防水層—細石混凝土保護層—仰拱二次襯砌鋼筋施工—仰拱二次襯砌混凝土施工。至此所有四聯拱結構的仰拱、頂拱、邊墻封閉成整體,之后及時對四聯拱隧道二次襯砌背后進行回填灌漿,最后施做仰拱隧底回填,整個四聯拱隧道結構施工完畢(圖7)。

        

        圖7第七步開挖示意

        2.2.2區間正線局部斷面CRD工法施工工序及施工方法

       ?。?)第一步:區間正線右上斷面拱部超前支護;開挖右上斷面,施做初期支護及臨時支撐。

       ?。?)第二步:區間正線右下斷面開挖并施做初期支護和臨時支撐。

       ?。?)第三步:區間正線左上斷面超前支護,開挖后施做初期支護、臨時支撐。

       ?。?)第四步:開挖區間正線左下斷面,施作左下斷面初期支護,并施作臨時支撐。

       ?。?)第五步:分段拆除臨時支撐,進行隧道仰拱二次襯砌及隧底回填層施工。

       ?。?)第六步:分段施作隧道拱墻二次襯砌混凝土。

        3四聯拱隧道(區間正線CRD法斷面)襯砌施工

        3.1仰拱施工

       ?。?)CRD豎撐破除

        為保證安全,豎撐破除切割高度為仰拱回填頂面10cm,仰拱每循環施工長度為6m,采取跳段破除。在工字鋼豎撐破除切割、工字鋼墊板加設前做好監控量測,當變形速率超警戒值時立即恢復破除的鋼支撐,在穩定后再采用隔榀破除方式進行施工。鋼支撐破除時采用風鎬破除,嚴禁破碎錘施工(圖8)。

        

        圖8 CRD豎撐破除

       ?。?)仰拱防水層施工

        在仰拱基面處理合格后進行仰拱防水層施工,為確保中導洞側防水的搭接,利用5cm厚苯板對防水層進行保護,在中導洞仰拱施工時去除苯板,實現防水層順接。

       ?。?)仰拱鋼筋施工

        為確保中導洞仰拱鋼筋與CRD仰拱鋼筋的整體連接,且鋼筋接頭滿足規范要求,在中導洞側鋼筋接頭采用直螺紋套筒,并使用5cm厚苯板對套筒進行保護,防止混凝土進入套筒內而影響下步鋼筋連接。其它部位鋼筋按區間正洞襯砌鋼筋要求施工。

       ?。?)仰拱混凝土施工

        為保證凈空尺寸,仰拱模板外放5cm進行加工和支立,按要求做好模板加固,在尺寸報驗合格后進行澆筑(圖9)。

        

        圖9仰拱混凝土施工

        3.2仰拱回填施工

        根據設計,軌面以下56cm采用C20混凝土進行回填,為便于拱墻襯砌支架搭設,在仰拱混凝土強度達到2.5MPa時進行仰拱回填施工,回填混凝土具備強度后在回填頂面加設工字鋼或鋼板,使豎撐和回填混凝土緊密接觸,確保初期支護穩定(圖10)。

        

        圖10仰拱回填施工

        3.3中導洞側直墻施工

        在仰拱回填強度滿足上部作業要求后破除中導洞側橫支撐,搭設腳手架并支立模板,進行中導洞側直墻混凝土施工。

       ?。?)中導洞側支撐破除其要求同仰拱豎撐破除。

       ?。?)防水、鋼筋施工

        在拱部混凝土施工范圍鋪設防水層,為確保與中導洞防水的搭接,利用兩層5cm厚苯板對防水層進行保護,在中導洞初期支護破除后去除苯板,實現與出入場線防水層的順接,同時防水層隧道外側防水層伸出模板超過20cm,便于下步拱墻防水層施工時進行搭接(圖11)。

        

        圖11直墻防水層保護

       ?。?)支架搭設、模板支立?50滿堂腳手架搭設,橫桿步距h=0.6m,橫距為0.6m,縱距為0.75m,上下均使用頂托;直墻模板采用18mm厚多層板,模板背側設10cm×10cm的方木內楞(間距0.3m),外側設?48雙鋼管外楞(間距60cm),鋼管外楞和支架鋼管連接;內外模板采用?14對拉螺栓固定在鋼管外楞之間(螺桿外套PVC管,便于螺桿的重復利用,螺桿間距60cm)。

       ?。?)混凝土施工

        為確?;炷琳駬v到位,在模板上設置混凝土輸送口,窗口大小為30cm×30cm,豎向及縱向間距為3m,用HBT60輸送泵從窗口處直接入模澆筑,在窗口處插入振搗器充分振搗,確?;炷翝仓娘枬M(圖12)。

        

        圖12中導洞側直墻施工

        3.4拱墻施工

       ?。?)中隔壁拆除

        在中導洞側直墻混凝土澆筑完成后,利用現有支架搭設平臺,對剩余中隔壁支撐進行拆除。拱墻襯砌長度為6m,為便于防水及預留鋼筋接頭,鋼支撐拆除長度增加1~2m。

       ?。?)支架、鋼架、模板支立施工步驟見直墻施工。

       ?。?)邊墻及拱部混凝土澆筑

        在模板上設置混凝土輸送口,窗口大小為30cm×30cm,用HBT60輸送泵從窗口處直接入模澆筑,在窗口處插入振搗器充分振搗,確?;炷翝仓娘枬M(圖13)。

        

        圖13拱墻混凝土施工

        4四聯拱隧道(中導洞斷面)襯砌混凝土施工

        4.1中導洞仰拱施工

       ?。?)防水層、防水保護層、仰拱鋼筋施工具體施工步驟見CRD斷面仰拱施工。

       ?。?)仰拱混凝土施工

        在防水保護層、仰拱鋼筋施工完成后進行中導洞仰拱混凝土施工,中導洞仰拱每循環施工長度為20~30m(圖14)。

        

        圖14中導洞仰拱施工

        4.2中隔壁施工

       ?。?)橫撐拆除

        在仰拱模板拆除后跳段拆除中導洞橫撐,每次拆除長度為7~8m。

       ?。?)支架支立

        施工步驟見中導洞側直墻部分。

       ?。?)拱部防水鋪設

        為確保與中導洞防水與出入場線防水的搭接,利用兩層5cm厚苯板對防水層進行保護,在中導洞初期支護破除后去除苯板,實現與出入場線防水層的順接。

       ?。?)鋼筋綁扎

        具體步驟見中導洞側直墻施工。

       ?。?)模板安裝

        直墻模板采用18mm厚多層板,模板背側設10cm×10cm的方木內楞(間距0.3m),外側設?48雙鋼管外楞(間距60cm),鋼管外楞和支架鋼管連接;內外模板采用?14對拉螺栓固定在鋼管外楞之間(螺桿外套PVC管,便于螺桿的重復利用,螺桿間距60cm)?;⌒文0宀捎眉庸さ亩ㄐ弯撃0?。

       ?。?)混凝土施工

        在模板上設置混凝土輸送口,間距3m,窗口大小為30cm×30cm,混凝土直接從窗口處灌入模內,并從窗口處進行振搗(圖15)。

        

        圖15中隔壁施工

        5四聯拱隧道(出入場線斷面)襯砌混凝土施工

        5.1拱部混凝土施工

       ?。?)上導洞初期支護破除

        上導洞橫支撐作為拱部襯砌支架基礎,因此從橫支撐以上1.5m開始向上進行支撐破除,破除采用人工風鎬施工,跳段破除,每段長度為7~7.5m。

       ?。?)支架支立

        具體步驟見中導洞施工部分。

       ?。?)拱部防水層施工

        具體步驟見中導洞施工部分。

       ?。?)鋼筋施工

        具體步驟見中導洞施工部分。

       ?。?)支架、鋼架、模板支立

        具體步驟見中導洞施工部分。

       ?。?)混凝土澆筑

        在拱頂每隔3m設置一個混凝土泵送孔,確保拱頂混凝土的飽滿密實(圖16)。

        

        圖16出入場線拱部混凝土施工

        5.2仰拱混凝土施工

        在拱部襯砌施工完成后,拆除出入場線剩余初期支護進行仰拱襯砌施工。仰拱每次施工長度以30m左右為宜。

        5.3仰拱回填施工

        仰拱施工完成后進行仰拱回填施工(圖17)。

        

        圖17出入場線仰拱及回填施工

        6四聯拱隧道施工監測技術

        為了掌握圍巖的穩定性和支護結構的受力狀態,分析區域性施工特征,及時發現不穩定因素,驗證設計并指導施工,必須加強施工監測。監測的重點主要為地表沉降、拱頂下沉以及洞身收斂,其次為結構及圍巖應力的測量。由于四聯拱隧道施工共進行17次分步開挖,對土體產生多次擾動和累計沉降,因此地表沉降量的監測和控制是控制施工安全的最核心內容和最關鍵的重要措施。因篇幅所限,僅對地表沉降過程和結果作簡要敘述。

        地表沉降觀測點的布設按照規范要求,縱向布設間距5m,位置在拱頂的正上方。在代表性地段布設橫斷面,斷面監測點間距2~5m,由隧道中線向外側距離逐漸增大,四連拱隧道拱頂及兩拱結合處均應布設,按此原則每一監測斷面布置17個監測點。由于地表沉降監測點及隧道結構都具有對稱性,故選取左半部分數據進行分析。根據最終統計數據和分析結果可知:

       ?。?)四連拱隧道斷面地表沉降最大點位于下行線正上方的地表測點S6,其最大沉降量為23.6mm;其次為左導洞上方地表測點,其最大沉降量為17.8mm,中導洞對應地表沉降相對較小,為14.8mm。在隧道開挖20d時,距掌子面約3D處沉降量約占總沉降量的80%~90%,20d以后變化趨于穩定。

       ?。?)在上下行線開挖過程引起的地表沉降的相互作用及其影響方面,對地表沉降點S6影響最大的為上行線的開挖,其次為中導洞的開挖。上行線開挖時下行線地表沉降還未穩定,而中導洞及左右導洞施工時,S6測點沉降趨勢已趨于平緩。

       ?。?)及時施作二次襯砌對控制地表沉降具有明顯作用。圖18顯示在6月3日施作二次襯砌后S5、S6、S7測點沉降曲線明顯變緩。

        

        圖18地表沉降測點隨時間的累積沉降曲線

        7四聯拱隧道施工控制要點

       ?。?)嚴格控制支撐拆除長度,仰拱防水施工完成后立即對所切割豎撐隔榀回撐,支撐拆除、切割前后必須進行監測,當監測數據超警戒值或突變時,對全部切割的豎撐進行回撐,同時確?;負钨|量,使回撐后的豎撐真正受力。

       ?。?)在區間正線襯砌、中隔墻襯砌及出入場線仰拱及拱墻襯砌施工時,施工縫設置在同一里程,確保防水成環而發揮作用。

       ?。?)做好防水層、鋼筋直螺紋套筒的保護,確保下步襯砌施工時能夠很好連接。

       ?。?)腳手架、鋼模支撐鋼架按方案支立、加固,防止混凝土施工時因變形而影響凈空尺寸。

       ?。?)為確保襯砌內實外美,必須利用設置的工作窗進行振搗,拱部可設置小功率的附著式振動器進行振搗。

       ?。?)采取跳段襯砌時,為提前進行出入場線開挖,及時對跳段預留襯砌進行補充。

        8結語

        連拱隧道在公路、鐵路、地鐵隧道中已有較多的應用,目前,雙連拱和三連拱施工有大量工程實例可以借鑒,同時施工技術基本成型。而對埋深淺、地質條件差、斷面尺寸更大的四聯拱隧道,在地鐵隧道中的應用并不多見,采用何種工法和工序進行施工才能確保施工安全,同時滿足施工質量和工期的需要為本工程施工研究的重點。

        在理論分析和現場實踐基礎上研發的“淺埋軟塑粘土地層四聯拱地鐵隧道施工工法”,其受力條件好,安全性較高,施工工序少,施工效率高,施工周期短,且施工對圍巖及已成結構擾動次數少,隧道建成后結構整體性好。四聯拱段采用“雙側壁導坑+中導洞法”施工,沉降變形控制在允許范圍之內,確保了周邊構筑物安全,避免了管線變形滲漏、路面沉陷及隧道坍塌,保證了施工質量及工期,社會效益及經濟效益明顯,不但填補了國內此類工程的技術空白,實現了軟塑粘土第一跨隧道(27.557m)的安全、快速施工,更對今后其它類似工程的施工積累了經驗。



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