地下拱箱復(fù)合結(jié)構(gòu)隧道明挖順筑法修建關(guān)鍵技術(shù)

周彥軍，劉化寬

(1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

在國(guó)內(nèi)外明挖暗埋隧道工程施工中，普遍采用框架結(jié)構(gòu)形式，其施工技術(shù)和工藝均比較成熟，而上拱下箱的大型拱箱復(fù)合結(jié)構(gòu)形式的明挖暗埋方法則在國(guó)內(nèi)外明挖隧道設(shè)計(jì)施工中較少采用。廈門機(jī)場(chǎng)路(仙岳路—演武大橋段)JC3合同明挖段在國(guó)內(nèi)屬首次采用這種方法，且施工周邊環(huán)境復(fù)雜，施工難度非常大。在以往的相關(guān)文獻(xiàn)中:文獻(xiàn)［1］對(duì)城市下穿式矩形框架隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化，利用有限元軟件ANSYS對(duì)隧道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，結(jié)果表明矩形框架隧道在拐角處受力最不利;文獻(xiàn)［2］論述了拱－框架結(jié)構(gòu)體系的形成及該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分析了拱與框架間的結(jié)合關(guān)系，但其主要用于建筑結(jié)構(gòu)，而非隧道結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)［3］針對(duì)鐵路明挖車站寬大深基坑分步開挖及基坑開挖完畢后鄰近航站樓樁基礎(chǔ)的加載對(duì)建筑物的影響，分析了大樓基礎(chǔ)的位移場(chǎng)，提出采用旋噴樁咬合形成地下隔離墻對(duì)土體進(jìn)行加固的方案，并驗(yàn)證了該加固方案的有效性，為前期安全評(píng)估及制定相應(yīng)的加固措施提供了參考;文獻(xiàn)［4］分析了復(fù)雜條件下深大基坑開挖過程中對(duì)周邊建筑和已有地下洞室的影響以及其支護(hù)體系結(jié)構(gòu)體的受力特點(diǎn);文獻(xiàn)［5］論述了大型基坑在軟土地區(qū)采用放坡開挖是可行的，但其理論計(jì)算很不成熟，應(yīng)關(guān)注大型基坑放坡開挖施工時(shí)，基坑變形的時(shí)間和空間效應(yīng);文獻(xiàn)［6－7］結(jié)合工程中的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加強(qiáng)露天深孔爆破的組織管理和技術(shù)管理進(jìn)行了歸納總結(jié)。另外，模板臺(tái)車的使用可極大地提高隧道襯砌混凝土施工的質(zhì)量和機(jī)械化程度，文獻(xiàn)［8－10］則結(jié)合工程實(shí)例，就其工程性質(zhì)的特殊性，采用可調(diào)斷面滑動(dòng)式模板臺(tái)車，介紹了模板臺(tái)車的結(jié)構(gòu)及其施工工藝，指出其與傳統(tǒng)模板臺(tái)車相比具有的優(yōu)越性。

以上文獻(xiàn)大部分是介紹在復(fù)雜城市環(huán)境下深大基坑開挖過程中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和所應(yīng)用的開挖支護(hù)方式等技術(shù)措施及不同的模板臺(tái)車在工程中的使用情況，本文在以上文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，從聯(lián)拱對(duì)稱施工、模板臺(tái)車設(shè)計(jì)、拱圈混凝土澆筑等方面探討地下拱箱復(fù)合結(jié)構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 依托工程情況

1.1 工程概況

廈門機(jī)場(chǎng)路仙岳立交至演武大橋段是廈門市南北走向的一條重要城市快速干道，全長(zhǎng)10.532 km，設(shè)計(jì)車速80 km/h。第JC3合同段位于廈門島中部，起訖里程為 YK7+018～KY8+150(右線)、ZK7+ 003.901～ZK8+150(左線)，途經(jīng)浦南片區(qū)、大厝山、梧村山，工程主要下穿蓮前西路和軍事管理區(qū)。本合同段工程主要包括明挖段通道和暗挖隧道2部分，其中明挖段通道設(shè)計(jì)樁號(hào)為YK7+018～+500，全長(zhǎng)482 m，主要采用“框架+拱”組合式結(jié)構(gòu)(見圖1)?？蚣苄熊嚨?含加寬段)寬11.5～21.5 m，框架凈跨13.5～23 m;拱凈跨24.7 m，凈高6.175 m，矢跨比為1/4，拱圈厚度為70 cm。

圖1 典型“框架+拱”組合式結(jié)構(gòu)橫斷面Fig.1 Cross-section of arch-box structure

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

廈門機(jī)場(chǎng)路JC3標(biāo)明挖段以正長(zhǎng)巖為主，正長(zhǎng)巖與花崗巖交界面走向大致為北西向，巖脈與花崗巖多為高角度接觸。此段巖石風(fēng)化差異顯著，風(fēng)化面起伏變化復(fù)雜、巖體上覆蓋土體厚度大，基坑左邊坡直立，高度為15.00～28.00 m。

場(chǎng)區(qū)地下水位以下殘積土和全風(fēng)化層富含孔隙水和殘存裂隙水，結(jié)構(gòu)松散、無(wú)膠結(jié)、自穩(wěn)性差、滲透性弱，不利于壓漿加固。

2 施工組織順序方案

2.1 施工步序

地下拱箱復(fù)合結(jié)構(gòu)隧道明挖順筑法施工順序如圖2所示。

2.2 主要施工方案

2.2.1 帽梁和對(duì)撐施工

1)設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土帽梁，其斷面尺寸為1 500 mm×1 200 mm。

2)直橫撐為鋼筋混凝土支撐，共計(jì)8根，斷面尺寸為800 mm×800 mm。

圖2 明挖順筑法施工順序圖Fig.2 Flowchart of cut-and-cover method

3)考慮到洞口段基坑作為后期暗挖段的施工場(chǎng)地，曝露時(shí)間比較長(zhǎng)，同時(shí)為保護(hù)基坑左側(cè)的鐵塔，在YK7+400～+500暗挖進(jìn)口基坑的第1道橫撐除了原有的帽梁外，另加設(shè)6道組合橫撐。組合橫撐的斷面尺寸如圖3所示。

圖3 組合橫撐尺寸圖(單位:cm)Fig.3 Dimension of waling(cm)

4)帽梁和對(duì)撐施工步序?yàn)?帽梁及對(duì)撐土方開挖—樁頂混凝土浮漿破除—鋼筋綁扎—安設(shè)模板—澆注混凝土。帽梁和對(duì)撐施工如圖4所示。

圖4 帽梁和對(duì)撐施工圖Fig.4 Cap beam and waling

2.2.2 結(jié)構(gòu)施工

主要包括順筑箱型結(jié)構(gòu)和雙聯(lián)拱形結(jié)構(gòu)施工，所采用的結(jié)構(gòu)形式、模板體系及混凝土施工方法如下:

1)結(jié)構(gòu)形式。箱型框架底板與頂板采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式，墻體與聯(lián)拱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2)模板體系。箱型結(jié)構(gòu)側(cè)墻模板采用膠合板作為面板，方木作為次楞，雙鋼管作為主楞，碗扣式腳手架作為支撐，板縫用寬膠帶進(jìn)行密封，模板采用拉桿加固體系;箱型結(jié)構(gòu)頂板模板體系采用“碗扣腳手架+底托+頂托+扣件式鋼管+方木背楞+木模板”的型式。雙聯(lián)拱形結(jié)構(gòu)模板體系采用模板臺(tái)車。

3)混凝土澆注。采取分段分層的方法進(jìn)行澆注。

3 大型拱箱復(fù)合結(jié)構(gòu)施工重難點(diǎn)分析及對(duì)策

3.1 施工重難點(diǎn)分析

“框架+拱”組合式結(jié)構(gòu)的拱圈設(shè)計(jì)采用模板臺(tái)車澆注施工。在施工中存在以下難點(diǎn):

1)本工程聯(lián)拱跨度大，需要對(duì)稱施工，時(shí)刻防止偏壓。

2)在臺(tái)車行走過程中，由于隧道在縱向高程不一，有縱向傾斜，超出了原有的調(diào)高標(biāo)準(zhǔn)。

3)臺(tái)車自重很大，要考慮支撐箱體的穩(wěn)定與安全。

4)在拱圈的大體積混凝土澆注中，要保證混凝土裂縫控制和澆注混凝土質(zhì)量難度較大［11］。

3.2 施工對(duì)策

針對(duì)以上施工難點(diǎn)，依據(jù)隧道設(shè)計(jì)斷面和其他相關(guān)施工和技術(shù)要求，研制出了具有3排立柱的復(fù)雜大斷面和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模板臺(tái)車，且在拱圈大體積混凝土澆注中做到混凝土連續(xù)供應(yīng)和對(duì)稱澆注。

3.2.1 模板臺(tái)車設(shè)計(jì)

臺(tái)車由模板總成、頂模架體總成、平移機(jī)構(gòu)、門架總成、主從行走機(jī)構(gòu)、絲杠千斤頂、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)組成。襯砌臺(tái)車外形控制尺寸依據(jù)隧道設(shè)計(jì)斷面和其他的相關(guān)施工要求和技術(shù)要求確定，模板臺(tái)車長(zhǎng)24.7 m，寬13.5 m。模板臺(tái)車正視圖如圖5所示。

圖5 模板臺(tái)車正視圖(單位:mm)Fig.5 Front view of formwork trolley(mm)

3.2.2 聯(lián)拱對(duì)稱施工

本工程屬于聯(lián)拱隧道，需要2臺(tái)模板臺(tái)車對(duì)稱施工。為防止模板臺(tái)車和墩座受偏壓，在混凝土澆注過程中，左中右同步進(jìn)行，以保證內(nèi)側(cè)和外側(cè)的拱腳及拱腰位置受力均衡。聯(lián)拱隧道模板臺(tái)車施工如圖6所示。

3.2.3 臺(tái)車縱向行車

因外側(cè)匝道的縱向坡度與主線坡度相差較大(見圖7)，故隨臺(tái)車的縱向移動(dòng)，需要不斷地調(diào)整支柱的高程。為此，采取了回填土和接長(zhǎng)支柱的方式。匝道填土密實(shí)度要求達(dá)到95%以上，并且臺(tái)車在匝道內(nèi)的2縱向立柱底面澆注20 cm厚C20混凝土。

3.2.4 對(duì)下層框架結(jié)構(gòu)的保護(hù)

在澆注上層的拱圈混凝土?xí)r，模板臺(tái)車的2個(gè)支腳支撐于下層的框架結(jié)構(gòu)上。在模板臺(tái)車和拱圈混凝土自重都很大的情況下，需要保證支撐框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

對(duì)下層框架結(jié)構(gòu)能夠承受模板臺(tái)車集中荷載的安全性進(jìn)行了檢算，并采取在臺(tái)車軌道對(duì)應(yīng)的框架內(nèi)利用腳手架設(shè)置縱向支撐的措施來加強(qiáng)對(duì)框架結(jié)構(gòu)的保護(hù)。臺(tái)車位置及其加固如圖8所示。

圖8 臺(tái)車位置及其加固示意圖Fig.8 Position of formwork trolley and support of box structure

3.2.5 拱圈混凝土澆筑

為避免混凝土澆注過程中出現(xiàn)施工冷縫，采取分段分層的方法澆注［12］。拱圈混凝土澆注采用左右對(duì)稱分層澆注，每層50 cm;2臺(tái)泵車均先從大里程端中隔墻處開始澆注(第1步)，中隔墻拱腳處第1層澆注完成后，同時(shí)澆注左、右拱腳處第1層(第2步)，依次類推，左右拱圈必須對(duì)稱平衡澆注(如圖9所示，從①到⑥依次澆注);在澆注拱腳以上6 m范圍內(nèi)，澆注速度控制在24 m3/h內(nèi)，測(cè)量人員要對(duì)拱頂模板上隆與沉降變化進(jìn)行全過程監(jiān)控，變化量超出拱圈模板預(yù)壓變化量時(shí)應(yīng)立即停止混凝土的澆注，待分析原因和采取補(bǔ)救措施至變化量穩(wěn)定后再繼續(xù)澆注?，F(xiàn)場(chǎng)拱圈混凝土澆注如圖10所示。

4 結(jié)論與討論

1)運(yùn)用拱箱復(fù)合結(jié)構(gòu)明挖暗埋隧道理念及技術(shù)方案，解決了廈門市成功大道梧村山隧道進(jìn)口段在周邊環(huán)境復(fù)雜、場(chǎng)地狹小條件下隧道與既有道路的立體銜接問題，并解決了深大基坑結(jié)構(gòu)尺度大、施工難度高等技術(shù)難題。

2)大跨度拱結(jié)構(gòu)襯砌模板臺(tái)車在梧村山隧道明挖段跨度為24.7 m、高度為18 m、縱坡為4%的明挖隧道拱結(jié)構(gòu)混凝土襯砌中已成功應(yīng)用，較通常的萬(wàn)能桿件組合模板襯砌方法大幅提高了襯砌施工的質(zhì)量和工效。

3)針對(duì)基坑周邊環(huán)境復(fù)雜、基坑寬度大、深度大、地層土石交互混合和地形高差大等特點(diǎn)，因地制宜地采用了多種圍護(hù)結(jié)構(gòu)、止水方法及控制爆破技術(shù)，確保了基坑穩(wěn)定及周邊建筑與居民的安全。

4)在拱箱復(fù)合結(jié)構(gòu)大體積混凝土施工中，拱圈混凝土澆注采用聯(lián)拱對(duì)稱、分層分段的施工方法，有效地避免了施工冷縫，控制了混凝土裂縫。

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