地鐵淺埋隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法預(yù)留核心巖柱施工技術(shù)

李祥東，王 偉

(1.青島地鐵集團有限公司，山東青島 266071;2.中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

城市地鐵建設(shè)因受到城市地面既有建筑及管線等影響，多采用暗挖法施工［1］。作為新奧法的一個分支，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法已占據(jù)了重要位置［2－4］，對第四紀(jì)地層特別是軟土地層，對大斷面隧道傳統(tǒng)或常規(guī)多采用雙側(cè)壁，但對巖層有無必要及開挖方案值得探索。

國內(nèi)學(xué)者對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法也有很多研究，如軟弱圍巖開挖的地表沉降規(guī)律［5］;雙側(cè)壁導(dǎo)洞出洞的技術(shù)處理方案［6］;施工參數(shù)如支撐形式和開挖拆撐長度等方面的優(yōu)化［7］;通過數(shù)值模擬分析隧道圍巖應(yīng)力和位移特征等因素研究雙側(cè)壁導(dǎo)坑法［8］;施工工藝及技術(shù)應(yīng)用等研究［9］。實踐證明:雙側(cè)壁導(dǎo)坑法較為安全，但開挖分部較多，支撐支拆量大，不利于進度控制［10］，留設(shè)核心巖柱法減少了導(dǎo)洞開挖個數(shù)及支撐支拆數(shù)量，加快施工進度［11］，如重慶地鐵車站采用全斷面留設(shè)核心巖柱且作為初期支護應(yīng)用［12］。本文以青島市地鐵一期工程(3號線)太平角公園站－延安三路站區(qū)間存車線大斷面的設(shè)計及方案為依托，通過施工工法的優(yōu)化與調(diào)整，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，預(yù)留核心土開挖技術(shù)具有安全可靠、施工簡化、節(jié)約成本及加快進度等優(yōu)點。

1 工程概況

1.1 工程位置與周邊環(huán)境

青島市地鐵一期工程(3號線)太平角公園站－延安三路站區(qū)間位于香港西路下方，其中 K5+795.864～K6+000里程段為單洞四線存車線大斷面，開挖支護采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(2層6部)，穿越新湛二路、東海一路與香港路的交會點;北側(cè)有光大銀行、裕源大廈等高層建筑;南側(cè)局部有7層以下的磚混結(jié)構(gòu)建筑。該段隧道由延安三路站1號風(fēng)道西側(cè)新增的橫通道作為施工通道進行施工，平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 存車線大斷面施工平面位置圖Fig.1 Plan sketch of large cross-section tunnel section

1.2 工程水文地質(zhì)概況

存車線B2斷面隧道頂部埋深約18 m，地面以下地質(zhì)情況依次為素填土層，厚度為1.0～1.5 m，局部含砂黏土層0～2.5 m，全風(fēng)化花崗巖層0～1 m，強風(fēng)化花崗巖層7～9 m，中風(fēng)化花崗巖2.7～7.5 m，往下至隧道拱頂微風(fēng)化花崗巖層1～5 m。隧道結(jié)構(gòu)基本位于微風(fēng)化花崗巖層，局部存在塊狀碎裂帶。右線B2斷面隧道頂部埋深約18.5 m，地面以下地質(zhì)情況依次為雜填土層1.2～2 m，局部含砂黏土層0～8.7 m，局部粉質(zhì)黏土層0～3.5 m，全風(fēng)化花崗巖層0～2 m，強風(fēng)化花崗巖層3～20.5 m，中風(fēng)化花崗巖1.5～7 m。隧道結(jié)構(gòu)基本位于微風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖層，局部位于強風(fēng)化花崗巖下壓帶。圍巖分級為Ⅲ級。

1.3 設(shè)計概況

B2斷面尺寸為寬21.5 m，高13.2 m，初期支護襯砌為350 mm厚C25噴射混凝土，主筋為φ25的鋼格柵，間距 0.5 m/榀，雙層鋼筋網(wǎng) φ8@200 mm ×200 mm，φ22 砂漿錨桿、L=3.5 m、環(huán)向 × 縱向 =1 000 mm×500 mm。二次襯砌為700 mm厚C45、P10防水混凝土。B2斷面結(jié)構(gòu)圖見圖2。

2 施工方法優(yōu)化與調(diào)整

2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑6部預(yù)留核心土開挖

2.1.1 優(yōu)化后的施工開挖步序

雙側(cè)壁導(dǎo)坑預(yù)留核心土施工步序及要點如圖3所示。先開挖1部和2部，再開挖3部，先后錯距不小于15 m，待上層施工完成后再施工下部4部和5部，中間預(yù)留核心巖柱結(jié)合后期二次襯砌施工進度逐步開挖。其中3部采用臺階法開挖，上下臺階只預(yù)留一個循環(huán)進尺的步距，上臺階開挖支護完成后，下臺階立即跟進、完成開挖支護;循環(huán)進尺為0.75 m。施工過程中加強地層判定和施工監(jiān)測管理工作，如有異常情況，及時采取措施，確保施工安全;若監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，及時在上部補強臨時支撐加固。

圖2 B2斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Type B2 cross-section of tunnel

圖3 施工順序與分步方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of construction sequence of tunnel

與常規(guī)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法［13］相比，施工工序相對簡單，后續(xù)二次襯砌前拆撐范圍小，且一次施作寬度較小，有利于隧道整體穩(wěn)定性;人工投入減少，利于施工進度控制，太延區(qū)間大斷面開挖至襯砌結(jié)束共用時約13個月，較采用原設(shè)計施工方法計劃工期減少3個月;太延區(qū)間大斷面較原設(shè)計施工方法費用約減少600萬元，此方案具有明顯的施工優(yōu)勢。

2.1.2 施工參數(shù)

2.1.2.1 爆破開挖參數(shù)

整個斷面分為6部鉆爆開挖，設(shè)有掏槽眼、擴槽眼、掘進眼、周邊眼和地板眼等，分別為1－5部及預(yù)留巖柱。

1部和2部爆破進尺設(shè)計按照750 mm/循環(huán);炸藥單耗量 1.139 kg/m3，每次爆破量 22.52 m3;毫秒管加6發(fā)連接管及引爆管;每循環(huán)共計124發(fā);單段最大裝藥量 4.2 kg。

3部由于斷面高度較大(7 419 mm)，分上下臺階開挖。上臺階爆破進尺設(shè)計按照750 mm/循環(huán);炸藥單耗量1.29 kg/m3，每次爆破量11.72 m3;毫秒管加6發(fā)連接管及引爆管;每循環(huán)共計62發(fā);單段最大裝藥量3.6 kg。下臺階爆破進尺設(shè)計按照1 000 mm/循環(huán);炸藥單耗量 0.28 kg/m3，每次爆破量 27.67 m3;毫秒管加6發(fā)連接管及引爆管;每循環(huán)共計47發(fā);單段最大裝藥量2.4 kg。

4部和5部爆破進尺設(shè)計按照750 mm/循環(huán);炸藥單耗量0.82 kg/m3，每次爆破量 22.63 m3;毫秒管加6發(fā)連接管及引爆管;每循環(huán)共計72發(fā);單段最大裝藥量 3.6 kg。

預(yù)留巖柱爆破進尺設(shè)計按照750 mm/循環(huán);炸藥單耗量0.15 kg/m3，每次爆破量60.53 m3;毫秒管加6發(fā)連接管及引爆管;每循環(huán)共計45發(fā);單段最大裝藥量6 kg。

2.1.2.2 鎖腳錨管(桿)參數(shù)

在每處拱腳位置布設(shè)2根 HRB400的φ22、L=4.0 m的鎖腳錨桿，鎖腳錨桿的孔內(nèi)填塞水泥砂漿、錨桿尾端與鋼架焊接牢固。

2.1.3 臨時支撐拆除

臨時支撐結(jié)合二次襯砌混凝土的施工順序進行拆除，拆除時采用了人工輔助挖掘機(帶破碎頭)，先拆除混凝土及網(wǎng)片，再切割鋼架;每次拆除的長度為9 m;臨時支撐拆除時保證先澆筑的混凝土強度達到設(shè)計強度要求［14］。

與雙側(cè)壁導(dǎo)坑預(yù)留核心土相比，常規(guī)雙側(cè)壁導(dǎo)洞法［13］拆撐需拆3道臨時仰拱，增加臨時破除一層橫向支撐施工工序;施作襯砌仰拱過程需一次拆除2道橫向臨時仰拱，增加拆撐施工安全風(fēng)險，對初期支護襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成不利影響;同時增加橫向及豎向臨時支撐架設(shè)施工作業(yè)，臨時支撐影響后續(xù)支架搭設(shè)等施工的流水作業(yè);最后臨時支撐拆除亦是一項施工內(nèi)容，延長施工工期。

預(yù)留核心巖柱6部施工工法拆撐過程中施工下層臨時中隔壁取消臨時拱架，采用簡單的錨網(wǎng)噴支護方法減小破除拱架的工作量，加快施工進度;太延區(qū)間大斷面采用預(yù)留核心巖柱6部施工方法，充分利用預(yù)留核心巖柱，在下部邊墻及拱頂襯砌施工中，使支架與堅實巖層接觸，減小了支架搭設(shè)工程量的同時又降低拱頂襯砌施工高度，大大降低了施工安全風(fēng)險;同時避免了原設(shè)計施工方法中橫向及豎向臨時支撐架設(shè)的施工風(fēng)險。

2.2 二次襯砌施工

結(jié)構(gòu)二次襯砌采用泵送模筑混凝土進行施工，模板采用900 mm×1 500 mm和300 mm×1 500 mm標(biāo)準(zhǔn)組合鋼模板(面板厚度t=5 mm)，支撐體系采用扣件式滿堂支架。施工采用環(huán)向分部、縱向分組的方法進行。B2斷面結(jié)合斷面形式、臨時支撐位置和核心巖柱的留置及挖除方式，整個斷面的襯砌施工環(huán)向按施工順序共分兩側(cè)仰拱－下部邊墻－上部邊墻－拱部－核心巖柱處仰拱5個步驟。

2.2.1 核心巖柱兩側(cè)仰拱施工

見圖4。

圖4 核心巖柱兩側(cè)仰拱施工方法示意圖(單位:mm)Fig.4 Construction of parts of invert on both sides of core rock(mm)

初期支護襯砌驗收合格及接地施工完成后，按照縱向分組情況開始分段進行核心巖柱兩側(cè)仰拱的施工。本次施工高度為2.023 m，在底部與核心巖柱之間用20 mm厚膠木板進行封堵并加固牢固，與核心巖柱間空隙主要考慮防水板和鋼筋的預(yù)留。

仰拱拆模后，對于仰拱與核心巖柱之間的空隙縱向每隔2 m用C45混凝土預(yù)制塊填塞密實(填塞長度為500 mm)，預(yù)制塊與核心巖體及襯砌混凝土之間的空隙用混凝土砂漿填塞，作為仰拱封閉前的臨時支護措施。預(yù)制塊為目前區(qū)間隧道襯砌施工時的預(yù)料加工制成，尺寸為500 mm×200 mm×100 mm。

2.2.2 下部邊墻施工

仰拱施工完成后，拆除臨時仰拱，搭設(shè)模板支架，施工下部邊墻二次襯砌。本次施工高度為4.272 m，采用300 mm×1 500 mm鋼模板，每側(cè)15塊。支撐系統(tǒng)采用600 mm×600 mm×600 mm扣件式滿堂支架，鋼管為φ48鋼管，t=3.2 mm。次龍骨采用φ48鋼管梳形木，間距500 mm，梳形木采用φ48×3.2鋼管加工制作，每一組的各榀梳形木之間縱向用鋼管連接成整體，梳形木與縱向主龍骨之間用鐵絲捆扎牢固。為防止模板支架的縱向位移，可在模板支架兩端架設(shè)斜向拋撐梳形木加工形式。主龍骨采用50 mm×100 mm方管。

2.2.3 上部邊墻施工

下部邊墻施工完成后，原鋼管支架不拆除，模板和梳形木可根據(jù)拆模要求提前拆除，按圖所示接高模板及支架施工上部邊墻。施工高度為3.717 m，模板均采用300 mm×1 500 mm鋼模板，每側(cè)20塊。模板支架及主次龍骨施工要求同下部邊墻施工。

2.2.4 拱部施工

見圖5。

圖5 拱部施工模板支架示意圖(單位:mm)Fig.5 Falsework for tunnel lining construction(mm)

上部邊墻施工完成后，混凝土達到設(shè)計強度后，如圖5所示拆除上部臨時中隔壁，接長模板和支架，施工拱部襯砌結(jié)構(gòu)。拱部弧度共使用31塊鋼模板拼裝而成，模板由兩側(cè)向中間依次拼裝，在中線右側(cè)有215 mm的空隙用2 mm厚膠木板+方木與兩側(cè)鋼模板拼接嚴(yán)密。模板支架及主次龍骨同2.2.2。

2.2.5 模板支架拆除及上部核心巖柱的挖除

根據(jù)同條件養(yǎng)護試件強度報告，待混凝土強度達到設(shè)計強度后由上至下拆除模板支架。

2.2.6 核心巖柱的開挖

采用松動爆破逐層挖除核心巖柱，每次爆破高度不大于1.5 m，最后預(yù)留2.5 m采用分段的方法進行拆除并及時施工中間仰拱。后期核心巖體爆破挖除施工時須對已成型的混凝土和預(yù)留防水板、鋼筋進行保護，具體措施如下。

1)下部2.5 m范圍核心巖體的拆除必須分段進行，一次拆除長度不小于每段的分組長度，采用跳段拆除的方法進行，須保證已封閉段仰拱混凝土強度達到設(shè)計強度后方可拆除其相鄰段的核心巖體。

2)采用松動爆破的方式進行核心巖體的挖除，嚴(yán)格按照爆破設(shè)計打眼裝藥，控制好爆破震動和飛石。

3)爆破施工時須按要求設(shè)置炮被，炮被上邊壓工字鋼等防止飛石。下部2.5 m范圍核心巖體拆除時，還須在其兩側(cè)已施工完的仰拱混凝土部位鋪設(shè)炮被，以防止飛石對已完成混凝土面的損壞。

4)爆破施工前對兩側(cè)仰拱預(yù)留的防水板和接頭鋼筋用渣土或砂袋進行保護。

3 監(jiān)控測量分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)主要取太延區(qū)間大斷面預(yù)留核心巖柱地表沉降、太延區(qū)間主體結(jié)構(gòu)洞內(nèi)收斂、拱頂沉降和地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖6－10所示。

圖6 地表沉降監(jiān)測圖Fig.6 Ground surface settlement monitoring

圖7 監(jiān)測點布置示意圖(單位:m)Fig.7 Profile showing layout of monitoring points(m)

圖8 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)折線圖Fig.8 Curves of ground surface settlement(mm)

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)所示，可以說明采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑預(yù)留巖柱6步開挖法能達到支護要求，對城市地面影響較小，能滿足安全質(zhì)量生產(chǎn)的需要。該區(qū)段設(shè)地表監(jiān)測點共11排121個，最大累計沉降點為DC39－06(K5+996)，－3.21 mm;拱頂沉降監(jiān)測點共33組33個，最大累計沉降為 SGC5－39(K5+996)，－2.43 mm;凈空收斂監(jiān)測點共55組110個，最大累計沉降量為SL5－36(K5+921)，－4.83 mm。預(yù)留核心巖柱工法拆撐過程中，地表沉降累計量較小，最大累計沉降－3.21，初期支護襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，所有數(shù)值均處于正常范圍之內(nèi)，沒有異常情況發(fā)生，安全符合施工要求。

圖9 收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)折線圖Fig.9 Curves of convergence

4 結(jié)論與探討

通過對雙側(cè)壁導(dǎo)洞法進行優(yōu)化與調(diào)整，采用預(yù)留核心巖柱施工技術(shù)，對比常規(guī)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，闡述地鐵淺埋隧道開挖步序、爆破參數(shù)、支撐支拆、二次襯砌施作及監(jiān)控測量等參數(shù)要點，得出結(jié)論如下。

圖10 拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)折線圖Fig.10 Curves of crown settlement

1)簡化了施工步序，減少了洞室開挖數(shù)量，加快了施工進度，太延區(qū)間大斷面開挖至襯砌結(jié)束共用時約13月，較原施工工法計劃工期減少3個月。

2)預(yù)留核心巖柱法的后續(xù)二次襯砌前拆撐范圍變小，且一次施作寬度變小，有利于隧道整體穩(wěn)定性。

3)拆撐的工程量減少，減少了對拱架等材料消耗，大大降低了人工和機械等成本，提高了施工效率，太延區(qū)間大斷面較原施工工法費用節(jié)約約600萬。

4)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地表沉降累計變化量較小，主體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，拱頂沉降基本可以忽略不計，通過與有關(guān)規(guī)范對比，認(rèn)為太延區(qū)間存車段施工是安全的。

雙側(cè)壁預(yù)留核心巖柱法對施工進度控制、拆撐安全、成本降低具有重要的現(xiàn)實意義，但對后期巖柱拆除爆破是否對主體結(jié)構(gòu)有影響及方法的適用范圍還需進一步研究。

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