大跨平頂直墻暗挖通道二次襯砌技術(shù)探析

田海波

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海 200125)

0 引言

受交通和管線限制，城市過(guò)街通道及地鐵出入口通道等越來(lái)越多地采用暗挖法施工。對(duì)于淺埋暗挖結(jié)構(gòu)，從施工安全及結(jié)構(gòu)受力的角度考慮，在滿足建筑凈空要求下，宜采用拱頂結(jié)構(gòu);同時(shí)，為控制沉降，宜滿足一定覆土要求。但有時(shí)受建筑功能限制，會(huì)出現(xiàn)超淺覆土情況，此時(shí)由于不能起拱而只能采用平頂直墻斷面。當(dāng)通道上方分布管線時(shí)，為控制變形，通道與管線宜留有一定距離。當(dāng)管線與結(jié)構(gòu)距離過(guò)小時(shí)，往往無(wú)法起拱而只能采用平頂直墻形式。

對(duì)于平頂直墻暗挖斷面，其頂部自承能力顯然不如拱頂結(jié)構(gòu)，其開(kāi)挖和二次襯砌拆撐風(fēng)險(xiǎn)加大，極易出現(xiàn)坍塌，因此，臨時(shí)支撐體系應(yīng)能滿足開(kāi)挖和二次襯砌施工安全要求。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式和環(huán)境條件，通道開(kāi)挖和二次襯砌施工有多種施作方法:張哲強(qiáng)［1］、宋福來(lái)等［2］對(duì)超淺覆土條件下平頂直墻斷面縱向小范圍一次拆撐施工二次襯砌進(jìn)行了介紹;趙志江［3］、賀善寧等［4］、雷安定等［5］結(jié)合工程實(shí)踐研究了針對(duì)雙跨結(jié)構(gòu)平頂直墻條件下暗挖及二次襯砌施工方法;李名淦等［6］、姚海波等［7］、李峰等［8］對(duì)多層多跨平頂直墻淺埋暗挖法分部開(kāi)挖及二次襯砌分倉(cāng)施工進(jìn)行了研究，工程效果顯著。上述研究均是針對(duì)特定條件下，暗挖通道開(kāi)挖及二次襯砌施工方法進(jìn)行研究，但在實(shí)際工程中，受制于環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式、工期等因素，各種方法均有其優(yōu)勢(shì)及局限性。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某城市地鐵暗挖工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，進(jìn)行一種新的二次襯砌施工方案嘗試，對(duì)平頂直墻暗挖通道開(kāi)挖方法、初期支護(hù)及二次襯砌施工工序等進(jìn)行分析，針對(duì)工期、造價(jià)、施工等因素對(duì)各方案進(jìn)行比較，總結(jié)其優(yōu)勢(shì)及適用條件。

1 工程概況

1.1 暗挖通道

通道位于道路下方，上方分布φ2 400上水管等眾多市政管線，采用暗挖法施工。暗挖段長(zhǎng)約22 m，結(jié)構(gòu)凈寬12.35 m，結(jié)構(gòu)凈高6.25 m，覆土厚度約5.0 m。由于上方分布大型市政管線，無(wú)法起拱，采用平頂直墻斷面形式。通道剖面及與管線位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 通道剖面(單位:mm)Fig.1 Profile of underpass(mm)

1.2 地層參數(shù)

通道主要位于③粉土和③1粉質(zhì)黏土層中。各土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)特性指標(biāo)Table 1 Physical properties of soil

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通道受控制管線限制，采用平頂直墻斷面。利用明挖段作為暗挖豎井，向車站方向暗挖施工。結(jié)構(gòu)計(jì)算見(jiàn)圖2。

結(jié)構(gòu)剖面設(shè)計(jì)尺寸及設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖3。拱部采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，初期支護(hù)采用格柵網(wǎng)噴混凝土，格柵節(jié)點(diǎn)處設(shè)置鎖腳錨桿。二次襯砌采用現(xiàn)澆模筑混凝土，初期支護(hù)與二次襯砌之間敷設(shè)柔性全包防水層。

圖2 計(jì)算荷載模式Fig.2 Load calculation model

圖3 結(jié)構(gòu)剖面(單位:mm)Fig.3 Cross-section of underpass(mm)

2 開(kāi)挖及二次襯砌施工方法

暗挖通道開(kāi)挖跨度為14.55 m，高度為8.64 m。由于采用平頂直墻斷面，頂板承載能力較拱頂不利，因此采用CD法分導(dǎo)洞開(kāi)挖施工，開(kāi)挖完成后，進(jìn)行二次襯砌結(jié)構(gòu)施工。

2.1 方案1

圖4為縱向分段拆撐二次襯砌施工方法?？v向根據(jù)跨度分段循環(huán)，拆除底板處臨時(shí)中隔壁，澆筑底板，底板施工完成后，拆除對(duì)應(yīng)剩余臨時(shí)支撐，澆筑剩余結(jié)構(gòu)。

圖5和圖6為拆撐模擬計(jì)算。結(jié)果顯示:拆撐距離3～6 m時(shí)，頂部初期支護(hù)能滿足受力要求;拆撐距離9 m時(shí)，拱頂彎矩超出支護(hù)承載能力;如施工要求需一次拆撐9 m時(shí)，為確保拱頂安全，底板施工時(shí)可將中隔離復(fù)頂至底板。

圖4 方案1:二次襯砌施工步驟Fig.4 Option I:lining construction steps

圖5 計(jì)算斷面Fig.5 Calculation model

2.2 方案2

圖7為不拆除豎隔壁條件下，二次襯砌施工方法和步驟。

先鑿除底板高度范圍型鋼隔壁混凝土，保留型鋼，底板高度中部位置設(shè)置止水法蘭，敷設(shè)防水層，澆筑部分側(cè)墻和底板二次襯砌。

待先澆混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除中隔板，鑿除型鋼隔壁混凝土，保留型鋼，頂板設(shè)置止水法蘭，敷設(shè)防水層，澆注其余側(cè)墻和頂板二次襯砌。當(dāng)二次襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，分段切割拆除豎向型鋼支撐。

研究表明，程序可以有效描述裂隙巖體滲流特征和連續(xù)介質(zhì)滲流規(guī)律，顯示出良好的工程應(yīng)用前景，為裂隙與連續(xù)介質(zhì)的耦合滲流計(jì)算提供了新的方法。

2.3 方案3

圖8為縱向分段，橫向分左、右半環(huán)分部澆筑二次襯砌。

根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，根據(jù)跨度縱向分段拆除臨時(shí)中隔板(步長(zhǎng)5～7 m)，敷設(shè)防水層，澆筑左半斷面二次襯砌，頂板懸臂部分設(shè)置臨時(shí)型鋼支撐。拆除縱向分段臨時(shí)中隔壁，澆筑右半側(cè)頂板、底板二次襯砌。

當(dāng)二次襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，拆除臨時(shí)型鋼支撐。重復(fù)步驟，施工下一縱向分段循環(huán)。

圖7 方案2:二次襯砌施工步驟Fig.7 OptionⅡ:lining construction steps

圖8 方案3:二次襯砌施工步驟Fig.8 OptionⅢ:lining construction steps

2.4 方案比較

1)方案1。當(dāng)采用拱頂結(jié)構(gòu)且步距較小時(shí)，可直接拆除中隔壁澆筑底板，然后澆筑剩余二次襯砌。對(duì)于平頂直墻結(jié)構(gòu)，承載能力較差，若直接拆撐，則難以確保拱頂安全。拆撐長(zhǎng)度較大時(shí)，建議豎隔壁復(fù)頂至底板，避免頂部初期支護(hù)長(zhǎng)時(shí)間承受上部荷載，該法工序較為繁瑣，一次循環(huán)長(zhǎng)度較短，工期較長(zhǎng)，且只適用于小跨度，對(duì)于大跨度，安全不能保證。

2)方案2。采用不拆除豎隔壁型鋼，在基本不改變初支受力狀態(tài)條件下直接澆筑混凝土，大大提高了安全性，一次縱向拆撐長(zhǎng)度可加長(zhǎng)至12～16 m。該法豎隔壁混凝土鑿除后需保持承載能力，因此豎隔壁宜采用型鋼，澆筑混凝土?xí)r將型鋼埋置在結(jié)構(gòu)內(nèi)，為保證防水效果，結(jié)構(gòu)板內(nèi)型鋼位置設(shè)置止水法蘭，防水板與工字鋼密貼，周圍用止水膠密封，型鋼進(jìn)行防腐處理，見(jiàn)圖9。該法一次循環(huán)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，工期短，缺點(diǎn)是防水工藝復(fù)雜，但安全性得到保證，適用于大跨斷面。

圖9 型鋼節(jié)點(diǎn)防水處理Fig.9 Node waterproofing

3)方案3。采用縱向分段、左右分部澆筑二次襯砌方法。在不拆除中隔壁的條件下，澆筑左部半環(huán)結(jié)構(gòu)，以形成對(duì)左部導(dǎo)洞的支承，然后拆除臨時(shí)撐澆筑剩余二次襯砌。該法頂板中部增設(shè)一道施工縫，需保證防水質(zhì)量。該法雖施工工序較多，但安全有保證，特別是針對(duì)雙跨結(jié)構(gòu)中隔墻時(shí)可結(jié)合使用，適用于雙跨等較大跨度斷面。

2.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于采用分導(dǎo)洞開(kāi)挖，二次襯砌施工時(shí)均涉及到臨時(shí)中隔板及中隔壁的拆除。格柵總裝圖見(jiàn)圖10，節(jié)點(diǎn)大樣見(jiàn)圖11。

為確保臨時(shí)支撐拆除后，初期支護(hù)強(qiáng)度連續(xù)，外圈初期支護(hù)采用等強(qiáng)連續(xù)節(jié)點(diǎn)，中隔板鋼筋錨入初期支護(hù)格柵。

方案1和方案2在澆筑底板時(shí)，需鑿除臨時(shí)隔壁，若采用鋼筋格柵，則鑿除后失去支承能力。因此，臨時(shí)豎隔壁采用型鋼噴混凝土，滿足鑿除混凝土后復(fù)頂要求或保持支承能力。

圖10 格柵總裝圖Fig.10 Grille assembly

圖11 節(jié)點(diǎn)大樣Fig.11 Node details

2.6 工程實(shí)施

對(duì)于本工程而言，由于開(kāi)挖跨度達(dá)到近15 m，且分6部開(kāi)挖，經(jīng)綜合比選，采用方案3，即分段澆筑左右半環(huán)結(jié)構(gòu)，然后拆除臨時(shí)隔壁澆筑剩余二次襯砌。圖12為開(kāi)挖完成后的通道斷面，圖13為左右半環(huán)結(jié)構(gòu)完成。

圖12 通道開(kāi)挖Fig.12 Underpass excavation

圖13 襯砌施工Fig.13 Lining construction

3 結(jié)論與建議

綜上分析可得出以下結(jié)論:

1)平頂直墻對(duì)于開(kāi)挖、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及二次襯砌轉(zhuǎn)化階段受力均不利，對(duì)于暗挖結(jié)構(gòu)，拱部應(yīng)遵循“能拱則拱”的原則。

2)采用平頂直墻結(jié)構(gòu)形式時(shí)，宜采用分導(dǎo)洞開(kāi)挖。對(duì)于小跨度單跨斷面，可采用本文所述方案1，為確保拆撐時(shí)初期支護(hù)連續(xù)及安全，節(jié)點(diǎn)應(yīng)保證外圈初期支護(hù)鋼筋順直等強(qiáng)連接。

3)對(duì)于較大跨度平頂直墻斷面，二次襯砌施工時(shí)建議采用不拆除型鋼或間隔保留型鋼施工二次襯砌方案。為保證二次襯砌施工拆撐安全，中隔壁鋼架宜采用型鋼。

4)對(duì)于雙跨等大跨斷面，可采用本文所述方案3結(jié)合中隔墻采用橫向分部縱向拆撐方案，以確保安全。

5)本文針對(duì)不同二次襯砌實(shí)施方案做了初步探討，但由于工程條件限制對(duì)其拆撐長(zhǎng)度未進(jìn)行深入研究，后續(xù)可結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行理論分析和拆撐試驗(yàn)段進(jìn)一步研究。

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