淺埋暗挖隧道扣拱施工影響效應(yīng)分析

王 坤，楊會軍，孔 恒

(1.中鐵隧道集團(tuán)海外工程有限公司，河南洛陽 471009;2.中鐵六局集團(tuán)有限公司，北京 100036;3.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100045)

0 引言

在淺埋暗挖隧道扣拱開挖支護(hù)施工中，受空間效應(yīng)、時(shí)間效應(yīng)以及群洞效應(yīng)的影響，拱頂鋼格柵和小導(dǎo)洞鋼格柵相交點(diǎn)處易產(chǎn)生應(yīng)力集中［1－4］、塑性區(qū)域疊加、地層反復(fù)擾動等現(xiàn)象，影響拱部初期支護(hù)穩(wěn)定性，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。尤其在中跨開挖支護(hù)及二次襯砌時(shí)，力學(xué)轉(zhuǎn)換復(fù)雜，不平衡推力易引起邊跨混凝土開裂，出現(xiàn)滲漏水。在相關(guān)研究中:文獻(xiàn)［5］對多導(dǎo)洞施工影響效應(yīng)進(jìn)行分析;文獻(xiàn)［6］介紹了初期支護(hù)扣拱和二次襯砌扣拱的施工順序和方法;文獻(xiàn)［7］系統(tǒng)論述了二次襯砌扣拱施工技術(shù)。這些論述限于施工技術(shù)的論述，對扣拱施工的影響效應(yīng)系統(tǒng)著述的并不多見。本文結(jié)合北京地鐵4號線宣武門車站扣拱施工，對拱部開挖初期支護(hù)、導(dǎo)洞側(cè)壁拆除、二次襯砌施工產(chǎn)生的力學(xué)和變形影響效應(yīng)進(jìn)行分析。

1 工程概況

北京地鐵4號線宣武門車站工程，里程為K7+736.7～+924.6，長187.9 m，為兩端雙層中間單層采用淺埋暗挖施工的車站。車站主體結(jié)構(gòu)為雙層三跨三連拱結(jié)構(gòu)、8個(gè)施工導(dǎo)洞的斷面，采用“PBA法”施工。施工總體順序?yàn)?先施工8個(gè)小導(dǎo)洞，利用上部邊導(dǎo)洞施作鉆孔圍護(hù)樁，利用下部邊導(dǎo)洞施工底縱梁，利用上部中導(dǎo)洞施作鋼管柱，施作主體天梁;再開挖上導(dǎo)洞間拱部土體，施作拱部二次襯砌;最后按逆作法邊下挖，邊施作結(jié)構(gòu)二次襯砌。

扣拱段覆土厚8.00 m，扣拱施工跨度5.8 m，高5 m。拱部位于粉細(xì)砂層、中粗砂層;水位埋深20.50～24.30 m，車站所處地層復(fù)雜、地下水豐富、自穩(wěn)性差，特別是砂層對覆土層厚度特別敏感，覆土小，拱頂沉降大，給施工帶來的困難大。

2 扣拱施工關(guān)鍵技術(shù)

拱部開挖按照“十八字”方針［1－2］，采用臺階法施工，按照“先對稱開挖邊跨拱部，后開挖中跨拱部”順序施工。二次襯砌采用鋼筋混凝土，每段襯砌長度為6 m。為方便下組襯砌鋼筋綁扎及支模施工，前組扣拱基面處理、導(dǎo)洞側(cè)壁拆除、防水板鋪設(shè)均比二次襯砌混凝土施工縫超前2 m。

2.1 超前支護(hù)

拱部土體超前支護(hù)采用φ32超前小導(dǎo)管，外插角為5°～12°，長度為 2.5 m，環(huán)向間距為 300 mm，縱向間距為1 m，壓注水泥－水玻璃雙液漿，注漿壓力為0.3 ～0.5 MPa。

2.2 初期支護(hù)開挖

1)采用臺階法開挖，上下臺階長度不大于2 m，臺階坡度不小于1∶0.5。

2)初期支護(hù)采用格柵+C20噴射早強(qiáng)混凝土。開挖支護(hù)范圍如圖1所示。

3)初期支護(hù)結(jié)束后及時(shí)回填注漿，注漿材料采用水泥砂漿漿液。

圖1 拱部開挖支護(hù)示意圖(單位:mm)Fig.1 Excavation and support of tunnel arch(mm)

2.3 臨時(shí)支撐安裝

拱部擴(kuò)挖后為保證其穩(wěn)定性，防止拱部沉降對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)造成影響，在導(dǎo)洞側(cè)壁初期支護(hù)拆除前對拱部進(jìn)行臨時(shí)支撐加固。支撐系統(tǒng)采用150 mm×150 mm的方木，豎撐上、下均設(shè)置一根縱向方木梁，豎撐縱向間距1.5 m、且采用50 mm厚木板將豎撐連為整體。

2.4 導(dǎo)洞側(cè)壁初期支護(hù)拆除

在施作二次襯砌前，將影響施工兩側(cè)導(dǎo)洞的初期支護(hù)混凝土破除，并將側(cè)壁格柵拱架分段割除，以實(shí)現(xiàn)拱腳部位的擴(kuò)挖。其施工的力學(xué)轉(zhuǎn)換復(fù)雜，應(yīng)力和變形的集中釋放顯著，而且，其矢跨比將減小，受力條件不好。

1)兩側(cè)導(dǎo)洞側(cè)壁的初期支護(hù)格柵拱架按照“分段、隔榀、少量”的割除原則。割除完成后，待變形穩(wěn)定后再進(jìn)行下段的割除。

2)拆除時(shí)，采取石棉毯覆蓋或木板遮擋等措施加強(qiáng)對防水板預(yù)留接頭的保護(hù)。

3)格柵割除后，對扣拱與小導(dǎo)洞相連接的連接板出現(xiàn)連接質(zhì)量不好的地方進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)焊接，保證連接質(zhì)量。

2.5 扣拱襯砌施工

二次襯砌采取“縱向分段、先邊跨、后中跨”施工，采用組合可調(diào)圓弧鋼模板+碗口式滿堂紅腳手架模板支撐體系，縱向分段長度為6～8 m(1倍跨度左右)。

拱部二次襯砌施工完成后，及時(shí)進(jìn)行二次襯砌背后壓漿，漿液強(qiáng)度同混凝土強(qiáng)度。同時(shí)漿液中應(yīng)加入適量膨脹劑及減水劑，以增加漿液的早期強(qiáng)度、和易性及微脹性。

3 監(jiān)控量測

3.1 地層壓力量測布設(shè)

分別在中跨K7+797，K7+809斷面布設(shè)壓力量測斷面，埋設(shè)于初期支護(hù)背后。壓力盒布置如圖3所示。

3.2 收斂變形量測斷面布設(shè)

分別在兩側(cè)邊跨、中跨K7+792，K7+793，K7+816斷面布設(shè)水平收斂測線。收斂測線布設(shè)示意見圖4。

圖2 拱部模板支撐體系示意圖Fig.2 Formwork supports of tunnel arch

圖3 壓力盒布置圖Fig.3 Layout of pressure cells

圖4 收斂測線布設(shè)示意圖Fig.4 Layout of convergence monitoring lines

4 影響效應(yīng)分析

4.1 力學(xué)特征

1)應(yīng)力量測結(jié)果如圖5所示。開挖后拱頂壓力較小，小于初始應(yīng)力，這是由于上覆土體受到鄰近土體摩擦力和黏結(jié)力的作用而引起的承載拱效應(yīng)［1］，這在一定程度上減小了覆蓋土層的垂直應(yīng)力。拱肩壓力較大，最大值達(dá)到0.05 MPa。

2)圖6為K7+809斷面土層應(yīng)力－變形關(guān)系曲線。由圖6可以看出，其土層應(yīng)力－變形關(guān)系有明顯的峰值，拱肩達(dá)到0.05 MPa，拱頂不是很明顯，超過峰值后，隨著變形的增加應(yīng)力逐步降低，呈變形軟化型［8］。這是由于拱肩砂土在剪切時(shí)，砂粒之間產(chǎn)生相對滾動，土顆粒之間的位置重新排列的結(jié)果。在拱頂，上覆土層的壓力基本保持不變，隨著變形的增加應(yīng)力下降緩慢。

圖5 中跨施工應(yīng)力－時(shí)間變化曲線(2005年)Fig.5 Time-dependent curves of stress during mid-span construction in 2005

圖6 應(yīng)力－變形關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between stress and deformation

3)應(yīng)力變化具有明顯的空間效應(yīng)，如圖7所示。在開挖初期支護(hù)過程中，應(yīng)力緩慢增加，當(dāng)破除前期小導(dǎo)洞混凝土、割除格柵時(shí)，中跨洞徑由原來的2.60 m增大到5.8 m，拱墻地層應(yīng)力釋放，作用在結(jié)構(gòu)上的荷載隨之降低。在中跨二次襯砌過程中，由于襯砌結(jié)構(gòu)限制了地層的變位，因此，作用在結(jié)構(gòu)上的荷載再次增加，這種變化在拱肩最為明顯。拱頂荷載較小，且在工序變化過程中基本保持不變。

圖7 應(yīng)力隨施工工序變化曲線(2005年)Fig.7 Relationship between stress and construction step in 2005

4.2 變形特征

1)圖8為中跨開挖支護(hù)過程中洞周土體的變形特征。由于K7+792，K7+793斷面是臨時(shí)橫通道，已經(jīng)施作了二次襯砌，中跨的開挖是從K7+800開始，且中跨施工時(shí)，K7+792，K7+793變形已經(jīng)穩(wěn)定，因此，中跨開挖施工對這2個(gè)斷面的影響很小，在－1～+1 mm波動。而K7+809斷面收斂變形出現(xiàn)較為明顯的特征:最大值為3 mm，縱向距離為11 m，約為4.15倍洞徑。

圖8 收斂變形曲線(2005年)Fig.8 Curves of convergence in 2005

2)中跨不同施工階段所引起的土體變形大小不同，圖9是中跨初期支護(hù)拱架割除所引起的拱頂沉降的變化曲線。在拱架割除過程中，產(chǎn)生了2～10 mm下沉量，占總下沉量的30%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于割除速度過快，引起拱頂下沉突變。通過控制割除速度、分段、隔榀割除等措施，可明顯減小拱頂?shù)南鲁痢?/p>

圖9 初期支護(hù)割除對拱頂下沉的影響(2005年)Fig.9 Crown settlement induced by primary support dismantling in 2005

3)圖10為K7+816斷面開挖通過前后中跨、兩側(cè)邊跨土體收斂變形－距離開挖面曲線關(guān)系。當(dāng)中跨開挖還沒有到達(dá)該斷面時(shí)，變形已經(jīng)產(chǎn)生，這主要是因?yàn)殚_挖在其前方產(chǎn)生了影響范圍，如果以變形為零作為分界線，可以推算，掌子面前方影響區(qū)縱向距離為－6 m，約等于2倍洞徑，通過掌子面時(shí)收斂值為1.2 mm，收斂達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，最大值達(dá)到3.1 mm，位置在掌子面后方6 m，約等于2倍洞徑。

圖10 收斂變形－距離開挖面關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between convergence and distance from working face

5 結(jié)論與討論

1)上覆土體的承載拱效應(yīng)在一定程度上減小了覆蓋土層的垂直應(yīng)力，應(yīng)力變化具有明顯的空間效應(yīng)。隨著施工工序的變化，應(yīng)力相應(yīng)變化，這種變化拱肩變化最為明顯，拱頂變化較小，且在工序變化過程中基本保持不變。

2)中跨施工時(shí)，引起兩側(cè)邊跨出現(xiàn)收斂變形，且這種變形具有相關(guān)性。同時(shí)，施工的不同工序引起的變形不同，初期支護(hù)拱架割除產(chǎn)生的1～2 mm的下沉量占總下沉量的30%，可通過控制割除速度、分段隔榀割除等措施，減小拱頂下沉。

3)初期支護(hù)割除對拱頂下沉的影響具有明顯的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)，隨著與割除斷面距離的增加，拱頂下沉迅速減小。掌子面前方影響區(qū)縱向距離為－6 m，約等于2倍洞徑，通過掌子面時(shí)收斂值為1.2 mm，收斂達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，最大值達(dá)到3.1 mm，位置在掌子面后方6 m，約等于2倍洞徑。

4)當(dāng)中跨收斂變化時(shí)，兩側(cè)邊跨也出現(xiàn)相關(guān)性變化的影響效應(yīng)，有待進(jìn)一步研究，重點(diǎn)解決減少中跨、邊跨施工的相互影響問題。

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