青島地鐵大斷面隧道雙側(cè)壁和大拱腳施工技術(shù)

張國輝

(中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧大連 116100)

1 工程概況

青島地鐵江西路車站位于南京路與江西路十字路口南側(cè)，沿南京路南北走向，與遠(yuǎn)期規(guī)劃的地鐵5號(hào)線換乘，為地下兩層島式站臺(tái)車站。車站起訖里程為:K8+358.491～K8+605.491，車站全長(zhǎng)247 m，車站主體結(jié)構(gòu)采用暗挖法施工，拱頂埋深9.3 m～10.5 m，雙層大拱腳復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，寬 20.6 m，高14.65 m。車站設(shè)風(fēng)井2座，均為單跨雙層拱形結(jié)構(gòu)，出入口3座。

江西路站前接五四廣場(chǎng)站，后接寧夏路車站，車站所處位置地面交通流量較大;車站西北角及西側(cè)均為高層建筑，東側(cè)為多層住宅小區(qū)，建筑為6層～7層，東北側(cè)為南京路小學(xué)操場(chǎng)。路面地勢(shì)較為平坦，南京路現(xiàn)狀路寬25 m～35 m，地面交通流量較大。車站位置道路下市政管線密集，并且在江西路路口以北的南京路下方有雨水蓋板涵，寬約3 m，埋深在2.5 m左右，其他管線埋深較淺。

2 車站地質(zhì)情況

沿線為密集居住樓和商鋪，沿主干道南京路分布，交通繁忙。地貌為山前侵蝕堆積坡地，地面標(biāo)高10.70 m～12.20 m，地形較平坦。第四系填土層厚度較淺，粉質(zhì)粘土局限分布，下伏基巖為中生代燕山晚期侵入巖，主要為花崗巖，見煌斑巖巖脈，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度較大。填土分布較淺，補(bǔ)給條件較差?；◢弾r強(qiáng)風(fēng)化帶較厚處，含水較豐富，中等透水性。

3 施工方法

地鐵隧道淺埋暗挖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工是礦山法中的一種，其原理是把整個(gè)隧道大斷面分成左右上下多個(gè)小斷面施工，每一小斷面單獨(dú)掘進(jìn)，最后形成一個(gè)大的隧道，且利用土層在開挖過程中短時(shí)間的自穩(wěn)能力，采用網(wǎng)狀支護(hù)形式，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)，且用中隔壁及中隔板承擔(dān)部分受力，適合于城市地區(qū)松散土介質(zhì)圍巖條件下，隧道埋深不大于隧道直徑，以很小的地表沉降修筑隧道的技術(shù)方法。它的突出優(yōu)勢(shì)在于不影響城市交通，有效控制地表沉降，保證施工安全，無污染、無噪聲，而且適合于各種尺寸與斷面形式的隧道洞室。

大拱腳施工方法是指在隧道施工過程中將作業(yè)面分為多個(gè)開挖面，以前后多個(gè)不同的位置相互錯(cuò)開同時(shí)開挖。然后分部同時(shí)進(jìn)行支護(hù)形成支護(hù)整體，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，逐步向縱深進(jìn)行推進(jìn)的方法。對(duì)于軟弱圍巖承載力不足，擴(kuò)大上部鋼架拱腳及墊板或增加鎖腳錨管增大地基承載力，每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m～0.8 m，盡量縮短臺(tái)階長(zhǎng)度，確保初期支護(hù)及早成環(huán)，仰拱和襯砌及時(shí)跟進(jìn)，及時(shí)形成穩(wěn)定的支護(hù)體系。

綜合施工條件、圍巖條件、隧道斷面面積大、埋深淺、工期、環(huán)境條件復(fù)雜等因素考慮，江西路車站選用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和大拱腳法施工，確保施工安全。車站結(jié)構(gòu)斷面形式有ZA型大拱腳薄邊墻斷面結(jié)構(gòu)形式和ZB復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式兩種，ZA型斷面長(zhǎng)211 m，采用大拱腳施工;ZB型斷面長(zhǎng)36 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，中間涉及到由雙側(cè)壁施工轉(zhuǎn)換到大拱腳施工工藝。根據(jù)青島“上軟下硬”的地層特點(diǎn)，充分利用硬巖地層承載能力高的特點(diǎn)，本站以大拱腳邊墻斷面結(jié)構(gòu)形式為主，在穿越斷層破碎帶及節(jié)理發(fā)育密集帶處采用單拱直墻復(fù)合式襯砌。

3.1 總體原則

江西路車站隧道圍巖軟弱，地質(zhì)條件復(fù)雜，埋深淺，跨度大，在施工中嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”等技術(shù)措施。在開挖導(dǎo)坑時(shí)，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，導(dǎo)坑斷面近似橢圓，周邊輪廓圓順，避免應(yīng)力集中。初期支護(hù)采用格柵鋼架、掛網(wǎng)、噴混凝土柔性支護(hù)體系，及時(shí)施作，使斷面及早閉合，以充分利用圍巖的自承能力，控制圍巖變形。建立一整套圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行信息化施工管理，隨時(shí)掌握施工過程中的動(dòng)態(tài)變化，合理安排，調(diào)整施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)，確保施工安全。

3.2 施工步驟

江西路車站首先從車站兩頭施工ZB型斷面，再施工ZA型斷面，考慮到隧道斷面面積大，車站拱部總體采用108超前大管棚支護(hù)和超前小導(dǎo)管支護(hù)輔助施工，在過斷層時(shí)采用拱部帷幕注漿輔助施工，確保施工安全，總體施工步序圖如圖1所示。

圖1 江西路車站總體施工步序圖

3.2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分9個(gè)導(dǎo)洞，每個(gè)導(dǎo)洞分上中下3個(gè)臺(tái)階開挖，隧道施工步序如下，施工步序圖如圖2所示。

圖2 江西路車站雙側(cè)壁施工步序圖

1)施作拱部超前大管棚支護(hù)，完成長(zhǎng)管棚注漿施工后，在管棚支護(hù)環(huán)的保護(hù)下，按設(shè)計(jì)的施工步驟進(jìn)行掘進(jìn)開挖，管棚的施作應(yīng)保證二次襯砌厚度，長(zhǎng)管棚設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

a.鋼管規(guī)格:熱軋無縫鋼管φ108 mm，壁厚6 mm。

b.管距:環(huán)向間距40 cm。

c.傾角:仰角1°～3°(不包括路線縱坡)，方向:與路線中線平行。

d.鋼管施工誤差:徑向不大于10 cm。

e.隧道縱向同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少須錯(cuò)開1 m。

f.長(zhǎng)管棚注漿按劈裂注漿進(jìn)行設(shè)計(jì)，注漿采用分段注漿，灌注純水泥漿液，水泥漿水灰比 1∶1～1∶1.5;注漿壓力:0.7 MPa～1.0 MPa。

2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑1，1′開挖支護(hù)時(shí)，左右兩側(cè)應(yīng)錯(cuò)開不小于15 m，避免開挖一側(cè)導(dǎo)坑所引起的圍巖應(yīng)力重分布影響另一側(cè)的已成導(dǎo)坑。每循環(huán)進(jìn)尺1 m，并打設(shè)φ32超前小導(dǎo)管，L=3.5 m，環(huán)向間距400 mm，縱向間距1.5 m。開挖支護(hù)后及時(shí)架設(shè)橫撐和側(cè)壁臨時(shí)支撐，及早閉合成環(huán)，臨時(shí)橫撐和側(cè)壁支撐采用Ⅰ22a工字鋼，間距50 cm，側(cè)壁支撐需臨時(shí)噴射30 cm厚C25混凝土。

3)當(dāng)中洞距離最近的側(cè)洞大于15 m時(shí)，可以開挖核心巖柱上部4，開挖前打設(shè)超前小導(dǎo)管，及時(shí)施作拱部初期支護(hù)。為確保掌子面穩(wěn)定安全，開挖采取預(yù)留核心土，同時(shí)可以在核心土上人工打鉆并進(jìn)行初期支護(hù)，方便施工，也節(jié)約了施工成本。

4)下部導(dǎo)坑 2，3，2′，3′分短臺(tái)階開挖，2 步滯后于 1 步 5 m ～8 m，3步滯后于2步6 m～10 m，并且及時(shí)施作支護(hù)和臨時(shí)支撐，閉合成環(huán)，右側(cè)2′，3′與左側(cè)錯(cuò)開15 m距離后施工方法與2，3步相同。

5)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，分段拆除臨時(shí)支撐，一次拆撐縱向長(zhǎng)度4.5 m～6 m，施作拱墻防水層及二次襯砌Ⅳ，5，6步為施工預(yù)留并隨施工進(jìn)行逐步開挖。

6)拆除剩余臨時(shí)支撐，施作底部防水層及二次襯砌。7)施工車站中板、立柱等內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裝修。

3.2.2 雙側(cè)壁—大拱腳轉(zhuǎn)換施工

由于ZA型大拱腳斷面拱腳處寬于ZB型雙側(cè)壁斷面2.2 m，所以拱腳轉(zhuǎn)換處需要向外擴(kuò)挖。為確保兩種斷面類型能夠連接牢固，在轉(zhuǎn)換處兩種斷面類型都增加了4m長(zhǎng)的鎖腳錨桿8根，并將此處的連接筋由原來的1 m間距加密到0.5 m。

3.2.3 大拱腳施工

江西路車站ZA型斷面大拱腳施工方法可以比喻成在車站上部扣上了一頂“帽子”，在這個(gè)“帽子”的保護(hù)下進(jìn)行下部的開挖，開挖步序圖如圖3所示。

圖3 大拱腳施工步序圖

4 監(jiān)控量測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是現(xiàn)代化施工管理的主要組成部分，它不僅能指導(dǎo)施工，預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，確保安全，而且還能獲得圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，為修正、確定初期支護(hù)參數(shù)及混凝土二襯提供依據(jù)。為此在隧道施工過程中進(jìn)行了全過程監(jiān)控量測(cè)。

開挖支護(hù)后，測(cè)量組應(yīng)及時(shí)按每10 m埋設(shè)一個(gè)量測(cè)斷面，每斷面不少于3個(gè)點(diǎn)(拱頂1點(diǎn)，水平2點(diǎn)或4點(diǎn))。勤測(cè)量拱頂下沉及凈空收斂情況并及時(shí)匯報(bào)，發(fā)現(xiàn)變形過大時(shí)及時(shí)采取措施，并要求每個(gè)斷面每天測(cè)1次～2次。

5 施工中遇到的問題及解決方案

1)因施工工藝的原因，將大斷面隧道轉(zhuǎn)化成小斷面隧道，因此挖掘機(jī)及裝載機(jī)開挖及倒碴必須是正面進(jìn)入導(dǎo)洞，然后倒退出隧道，不能掉頭。并且是必須等一臺(tái)進(jìn)入出來一個(gè)循環(huán)后，另一臺(tái)機(jī)械設(shè)備才能再進(jìn)入。隨著隧道的開挖掘進(jìn)深入，循環(huán)時(shí)間加長(zhǎng)，若一臺(tái)大型機(jī)械設(shè)備在導(dǎo)洞內(nèi)工作時(shí)出現(xiàn)故障，基本上各工序都得停滯，鋼架、噴漿料的材料運(yùn)輸?shù)纫彩艿搅撕艽蟮南拗?。?duì)此解決的方案是在不影響隧道結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，將臨時(shí)側(cè)壁支撐處每隔40 m切斷支撐7 m，留一個(gè)側(cè)門進(jìn)行渣土和材料的倒運(yùn)，并且避免了因開挖下導(dǎo)而導(dǎo)致對(duì)上導(dǎo)的影響，加快了每循環(huán)的時(shí)間，左右兩側(cè)所預(yù)留的側(cè)門也應(yīng)該錯(cuò)開相應(yīng)的距離。

2)由于臨時(shí)中隔壁支護(hù)與初期支護(hù)形成了全封閉，造成臨時(shí)中隔壁為連續(xù)的鋼筋噴射混凝土，對(duì)后期的二襯時(shí)的鋼筋噴射混凝土破除難度有很大的影響，并且臨時(shí)豎撐與橫撐的拆除會(huì)打破原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，形成具有普遍性的天窗時(shí)間，影響地鐵車站的施工安全。并且每次拆除臨時(shí)支撐長(zhǎng)度不大于6 m，也造成了施工進(jìn)度緩慢。所以擬對(duì)臨時(shí)支撐的拆除過程與二次襯砌的施作工法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整的思想就是“以錨代撐”，表現(xiàn)為拆撐前在相應(yīng)部位安設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索，在臨時(shí)支撐與錨索之間實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)化后，再進(jìn)行大規(guī)模的支撐拆除和二次襯砌工作。預(yù)應(yīng)力錨索按長(zhǎng)度分為兩種，其中長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度為8 m～10 m，短錨索長(zhǎng)度為5 m～6 m。錨索的打設(shè)角度以向兩側(cè)傾斜為主，適當(dāng)向掌子面前方傾斜，為了保護(hù)隧道拱頂附近的地下管線，建議盡量水平鉆設(shè)，但應(yīng)避免中間部位的兩組間錨索相互干擾。

3)大拱腳施工工藝對(duì)拱腳處要求嚴(yán)格，拱腳處一定要落于堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上，這樣才能有效支撐上部土體的壓力，保護(hù)下部施工的安全。但是由于施工爆破技術(shù)的限制，難以嚴(yán)格控制拱腳處超欠挖;其次由于拱腳圍巖多變，遇到強(qiáng)風(fēng)化圍巖也難以保證拱腳處受力穩(wěn)定;再次后續(xù)防水的施工也增加了難度。因此解決的方案是進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，在拱腳超挖部位，增加高為800 mm，寬為1 260 mm的明梁，混凝土等級(jí)為C45，配構(gòu)造鋼筋，該方案將會(huì)為后期防水層的施作提供便利。

6 對(duì)雙側(cè)壁、大拱腳施工工藝的幾點(diǎn)總結(jié)

目前，國內(nèi)的地鐵工程工期一般比較緊張，所以，施工方法選擇除考慮經(jīng)濟(jì)、安全因素之外，更重要的還要考慮如何確?？焖倬蜻M(jìn)。

1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠適應(yīng)巖溶、破碎、斷層、膨脹巖為體的特別復(fù)雜的大斷面隧道，而且其施工過程易控制，從總體上說，這是一種安全可靠的施工方法，這種施工方法，為我們今后在復(fù)雜的地層修建大斷面地下工程開辟了新的途徑。并且從市區(qū)的施工情況來看，這種工法在措施得當(dāng)?shù)那闆r下，能夠保證每月30 m～40 m的掘進(jìn)速度。

2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、大拱腳工法由于工作面多，施工組織難度較大。其運(yùn)輸組織應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及采用的設(shè)備來確定，運(yùn)輸設(shè)備最好采用小型機(jī)械。

3)在施工過程中，一定要保證中隔壁以及橫撐鋼架、噴混凝土的質(zhì)量，以確保施工安全。施工初期支護(hù)是其重要組成部分，其中，支護(hù)剛度在整個(gè)施工過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，如果剛度過大，則容易造成浪費(fèi)，而且也不符合新奧法的基本原理;反之，如果剛度過小，則因不能提供足夠的支護(hù)阻力造成塌方，因此，我們必須遵循剛度“適度”的原則，防止有關(guān)事故的發(fā)生。

4)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換時(shí)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋信息，由監(jiān)測(cè)反饋信息指導(dǎo)施工，做到信息正常，嚴(yán)密監(jiān)測(cè);信息反常，即刻采取應(yīng)對(duì)措施。嚴(yán)格控制各導(dǎo)洞開挖步距及各部工作面間隔距離，避免出現(xiàn)群洞效應(yīng)。如果導(dǎo)洞間工作面齊頭并進(jìn)，會(huì)造成多個(gè)導(dǎo)洞的應(yīng)力和沉降疊加，加大地表沉降，危及地面管線安全。

5)為了減小地面沉降，導(dǎo)洞暗挖施工中，重點(diǎn)采取及時(shí)打設(shè)鎖腳錨桿，格柵底部鋪木板增加受力面，及時(shí)進(jìn)行拱背回填注漿等加強(qiáng)措施。格柵結(jié)點(diǎn)板處是初支結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)，連接筋的焊接質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格控制。

6)針對(duì)淺埋暗挖風(fēng)險(xiǎn)比較大的特點(diǎn)，施工中應(yīng)制定防坍塌及管線保護(hù)措施以及詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案。如掌子面出現(xiàn)土體含水量增多、土體坍塌、管線滲漏、遇中雨以上的降雨天氣等特殊情況，應(yīng)停止開挖，封閉掌子面，并采取相應(yīng)措施。

7 結(jié)語

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和大拱腳工法施工雖然具有安全度高，地表沉降小等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于地質(zhì)條件差的大斷面開挖施工。但其方法最大的缺點(diǎn)就是工序多，施工干擾大，因此青島地鐵江西路車站為了保證隧道開挖的進(jìn)度，考慮到開挖方法、人員配置、機(jī)械選型等一整套施工組織問題，從幾套方案中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際擇優(yōu)選擇。始終堅(jiān)持信息化施工，以監(jiān)控量測(cè)的信息數(shù)據(jù)指導(dǎo)并檢驗(yàn)施工方案的正確與否，隨時(shí)調(diào)整施工工藝及施工參數(shù)為隧道施工技術(shù)的根本。施工工藝必須科學(xué)并符合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，只有這樣施工過程才能省時(shí)省力，同時(shí)也將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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