超大斷面輕軌車站中洞法隧道施工技術(shù)研究

王哲宇，陽生權(quán)，黃　飛

(湖南科技大學 土木工程學院，湘潭 411201)

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超大斷面輕軌車站中洞法隧道施工技術(shù)研究

王哲宇，陽生權(quán)，黃飛

(湖南科技大學 土木工程學院，湘潭 411201)

基于重慶市環(huán)線冉家壩車站工程超大斷面隧道近接施工工程實踐，針對該工程地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大、施工風險高的工程特點，分析論證了超大斷面中洞法隧道施工技術(shù)的可行性.闡述了依托工程車站重點區(qū)域采用的中洞法隧道施工方法、技術(shù)以及相應(yīng)的支護措施，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果進一步對比驗證，結(jié)果表明中洞法施工技術(shù)有效控制了超大斷面隧道開挖施工對既有車站的影響，保證了既有六號線的安全運營.研究結(jié)論與建議為類似工程施工提供了有益的參考和依據(jù).

輕軌車站；中洞法；施工技術(shù)；既有隧道；近接施工

近年來我國各主要城市軌道交通發(fā)展迅猛，很大程度上有效改善了城市交通狀況、緩解了能效壓力.為了滿足日常的便捷出行與換乘，城市軌道交通規(guī)劃勢必存在線路交叉與空間重疊等問題，因此，新建軌道交通工程穿越或接近既有施工不可避免[1,2].由于輕軌地鐵施工地質(zhì)條件復(fù)雜多變以及周邊環(huán)境的諸多限制，施工控制要求嚴格，工程施工難度大[3,4]，如何在保證新建輕軌地鐵隧道的安全、質(zhì)量與工期的同時，確保既有線的安全與運營，就成了復(fù)雜條件下城市輕軌地鐵地下工程施工的關(guān)鍵問題[5].

重慶市環(huán)線冉家壩車站工程位于重慶市渝北區(qū)龍山一路下方，沿道路呈東西向布置，為五號線、六號線、環(huán)線三線換乘車站.環(huán)線車站下部穿越既有車站，與五、六號線十字換乘，其中五、六號線冉家壩車站已施工完成，且六號線已開通運營.在復(fù)雜條件下，針對工程重點、難點區(qū)域采用中洞法施工，并通過現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，優(yōu)化指導(dǎo)施工[6].

1　工程概況及水文地質(zhì)條件

1.1工程概況

環(huán)線冉家壩站采用側(cè)式站臺，線間距為5.3m，車站主體總長245.4m，施工開挖斷面最大凈寬22.44m，最大凈高19.54m.環(huán)線車站與運營六號線車站十字交叉換乘，B、C區(qū)DK15+174.834～DK15+305.744段位于六號線冉家壩站正下方.五、六號線冉家壩站修建時為環(huán)線冉家壩站預(yù)留了換乘節(jié)點，換乘節(jié)點區(qū)域采用樁基礎(chǔ)將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到環(huán)線底板以下的基巖，其中A1區(qū)、A2區(qū)為單拱雙層結(jié)構(gòu)，B區(qū)為連拱單層結(jié)構(gòu)，C區(qū)為明挖掏槽段單層結(jié)構(gòu)，C區(qū)與5、6號線結(jié)構(gòu)底板連接.A區(qū)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行控制爆破分部開挖；B區(qū)采用中洞法進行非爆破開挖施工；C區(qū)位于既有運營六號線下方與其底板近接相連，采用非爆破機械掏挖施工，非爆破開挖方式有效控制了施工過程中對既有車站及運營六號線的影響，環(huán)線冉家壩車站剖面圖見圖1.

1.2水文地質(zhì)條件

冉家壩車站位于沙坪壩背斜軸部近北傾末端，巖層呈單斜產(chǎn)出，巖層傾向80°，巖層傾角4°，區(qū)內(nèi)無斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡單.根據(jù)已知地質(zhì)勘察報告，地質(zhì)圍巖主要為砂質(zhì)泥巖與砂巖，基巖裂隙發(fā)育程度為較發(fā)育，巖體呈層狀結(jié)構(gòu).擬建場地原為丘陵斜坡地貌，由于后期施工回填，上覆土層厚度增大，地下水主要賦存于原始溝谷地段，屬潛水，局部含有上層滯水.擬建場區(qū)范圍內(nèi)填土和強風化砂巖層地下水綜合滲透系數(shù)為10.28m/d，水量較大.原始溝谷是地下水的匯水部位，若在雨季施工，水量較大，擬建場地地表應(yīng)采取相應(yīng)封閉措施，避免雨季大規(guī)模雨水滲入.

圖1　環(huán)線冉家壩車站剖面圖

2　工程難點與施工技術(shù)

2.1工程難點

該車站為地下淺埋暗挖工程，根據(jù)環(huán)境調(diào)查報告車站北側(cè)為在建東和廣場商業(yè)，東北側(cè)為重慶審計局，東南側(cè)為重慶海關(guān)，西北側(cè)為已建成居民小區(qū)，西南側(cè)為揚子江商務(wù)中心寫字樓.整個施工區(qū)域?qū)扔羞\營六號線及周邊建筑影響較大.工程應(yīng)用技術(shù)復(fù)雜，工法轉(zhuǎn)換頻繁，工法種類包括雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法、臺階法、明挖掏槽法、非爆開挖法等工法[7].冉家壩車站下穿既有運營車站區(qū)域施工具有極高風險源，必須嚴格控制.上部既有車站采用明挖法施工，對巖層已造成了一次擾動，加之多數(shù)地段新修車站隧道覆蓋層較薄，B區(qū)連拱單層斷面拱頂距已建站廳至環(huán)線站臺通道底板約0.414m巖層，相鄰結(jié)構(gòu)物極近，圍巖成拱效應(yīng)變差，施工難度較大，風險極高，如何確保施工進度的同時又保證既有建筑物和六號線運營的安全[8]，在B區(qū)施工開挖過程中，特別是拱頂與通道結(jié)構(gòu)底緣最小垂直凈距最不利斷面處為工程的難點.施工過程中，如對施工精度控制不夠，較易對既有底板結(jié)構(gòu)造成損傷破壞；且連拱斷面開挖過程中，如未及時封閉支護，上部既有換乘通道較易發(fā)生下沉，如下沉位移值過大，勢必導(dǎo)致其襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞.

2.2中洞法施工技術(shù)

2.2.1施工方案確定

根據(jù)環(huán)線冉家壩站B區(qū)斷面圖2特點確定施工方案，在A1區(qū)完成施工后，在A1和B區(qū)分界端墻打設(shè)0°超前大管棚支護.采用中洞法施工開挖車站主體B區(qū)中導(dǎo)洞，開挖完成后對中導(dǎo)洞澆筑豎向承載力強的中墻.采用臺階法開挖B區(qū)左導(dǎo)洞，拱架成環(huán)后進行防水、仰拱、拱墻襯砌施工，與鋼筋砼支撐墻形成整體受力體系；采用臺階法開挖B區(qū)右導(dǎo)洞，完成剩余B區(qū)斷面防水、仰拱、拱墻襯砌施工.環(huán)線冉家壩站B區(qū)根據(jù)設(shè)計要求采用中洞法非爆破開挖施工，嚴格遵循“進尺短、控制嚴、封閉早、量測勤”的原則[9].

圖2　環(huán)線冉家壩站B區(qū)斷面圖

2.2.2具體施工方法

車站B區(qū)施工的具體方法：①進行B區(qū)斷面開挖前，打設(shè)0°超前大管棚.②開挖B區(qū)斷面中洞，并施做中墻，中墻頂部應(yīng)緊靠初支，與斷面二次襯砌連接部位預(yù)留鋼筋接頭，且需妥善保護；③左洞上臺階開挖前，對中墻上方進行微膨脹混凝土封堵，并通過預(yù)埋注漿導(dǎo)管進行注漿，使其位置填充飽滿.左洞上斷面開挖，開挖進尺不得大于0.5m，拱部初期支護完成后破除中洞左部初期支護，中洞采用碎石進行抵抗回填，回填至距拱部800mm時，采用C15素混凝土進行回填，并在左上斷面設(shè)臨時豎向支撐.④左洞下臺階半斷面開挖，施做初期支護，保證初支拱腳落于穩(wěn)定巖層，保留中巖柱與臨時豎向支撐，左洞初支成環(huán)后，拆除臨時豎向鋼支撐，開挖剩余部分的中巖柱，施做左洞二次襯砌.⑤右洞上斷面開挖，破除中洞右上部分支護，清除上部回填料，架設(shè)臨時豎向支撐.⑥右洞下臺階半斷面開挖以及右洞初支成環(huán)后，施做方法同左洞一致[10].

B區(qū)隧道斷面分為5部分開挖如圖3所示，采用特制支架機械鉆孔取芯并膨脹破巖的方式進行非爆破開挖，無軌運輸.使用YT28風鉆沿各分部開挖輪廓線邊緣鉆孔取芯，間距約為13cm，深度約為0.6～1m.再在內(nèi)側(cè)開挖范圍分層布設(shè)膨脹孔，間距40cm，深0.5～1m.在膨脹孔中注入靜態(tài)破碎劑通過其劇烈反應(yīng)擠壓破碎巖石，達到非爆破方式開挖的效果.非爆破開挖施工現(xiàn)場圖如圖4所示.

圖3　B區(qū)斷面施工分部開挖圖

圖4　非爆破開挖施工現(xiàn)場圖

2.2.3主要施工支護技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)條件車站主體隧道轉(zhuǎn)換斷面從A區(qū)進入小里程B區(qū)時，在B區(qū)拱頂設(shè)計大管棚超前支護如圖5所示.管棚沿B區(qū)隧道左、右洞拱部90°范圍環(huán)向設(shè)置，管棚角度0°，長度35～40m.管棚導(dǎo)向墻采用C20混凝土管距：環(huán)向間距400mm.傾角：外插角為0°.注漿材料為M20水泥漿或水泥砂漿.初壓0.5～1.0MPa，終壓2MPa，持壓15min后停止注漿.超前大管棚施工過程中嚴格按照設(shè)計要求進行間隔注漿.B區(qū)連拱隧道拱頂與既有換乘通道結(jié)構(gòu)底板豎向距離較近，中洞法開挖前為有效控制下穿既有車站結(jié)構(gòu)底板的豎向沉降變化，預(yù)先施做超前大管棚增加了隧道拱頂巖體剛度[11].

圖5　0°超前大管棚支護

根據(jù)環(huán)線冉家壩車站B區(qū)穿越既有車站工程特點，中洞法施工開挖過程中為保護好周邊建筑和維持既有六號線的正常運營，采取砂漿錨桿施工、中空注漿錨桿施工、超前小導(dǎo)管以及回填注漿等一系列支護加固措施，如圖6所示.依照設(shè)計參數(shù)與規(guī)范要求嚴格控制施工，以達到加固主體成環(huán)支護結(jié)構(gòu)、改善主體結(jié)構(gòu)受力條件和控制地層沉降的目的[12].

圖6　超前小導(dǎo)管詳圖

3　現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果

通過拱頂沉降、凈空收斂、地表沉降、鋼支撐內(nèi)力量測等監(jiān)測方法采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測隧道圍巖穩(wěn)定情況以及上部既有車站結(jié)構(gòu)的變形[13].選取典型斷面DK15+190(距已建站廳至環(huán)線站臺通道底板約0.414m巖層處)監(jiān)測結(jié)果結(jié)合施工步序繪出地表各測點距離隧道中線累計沉降與施工分部開挖步序曲線如圖7所示.

圖7　 地表測點沉降與施工步序曲線圖

從圖7中可以看出，典型斷面DK15+190斷面地表最大沉降變化出現(xiàn)在隧道中線0m處測點累計值為-8.47mm，沉降變化最為明顯.距離中線50m處的兩個測點沉降變化較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，整個施工開挖過程對50m處兩測點影響較小.距離中線5m處兩測點變化趨勢與0m處測點保持基本一致，其最大累計沉降值為-7.48mm.B區(qū)斷面中導(dǎo)洞開挖并施做中墻期間，地表測點沉降變化趨勢較大，累計最大值為-4.53mm.左洞上斷面

開挖期間，各測點沉降變化趨勢較為明顯，累計最大值為-6.89mm.左洞下斷面開挖較上斷面開挖相比，沉降趨勢較緩.右洞上斷面開挖時，沉降趨勢較明顯，累計最大值為-8.28mm.右洞下斷面開挖完成后，沉降趨勢逐漸平穩(wěn).

選取DK15+190斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)繪出左洞拱頂、右洞拱頂、中洞拱頂沉降累計沉降與施工分部開挖步序曲線如圖8所示，DK15+190斷面凈空收斂與時間變化曲線如圖9所示.

從圖8 、圖9中可得，DK15+190斷面最大沉降位于中洞處累計值為-9.87mm，左洞、右洞以及中洞拱頂沉降趨勢隨施工工序變化趨勢基本保持一致，上斷面開挖較下斷面開挖沉降趨勢更為明顯，中墻施做完工后，中洞處沉降逐漸變緩，隨著施工工序的轉(zhuǎn)換，先開挖的洞室沉降變化較大，各洞室拱頂沉降速率逐漸減弱，中洞處拱頂沉降趨于逐漸穩(wěn)定的狀態(tài).通過長期現(xiàn)場觀測DK15+190斷面累計收斂最大值-2.35mm，從3月25至 5月6日左洞上斷面至右洞下斷面施工開挖期間，斷面測點收斂變化趨勢較為明顯，5月6日以后施工開挖完成，收斂變化趨勢基本保持穩(wěn)定狀態(tài).

圖8　累計沉降變化與施工步序曲線

圖9　典型斷面凈空收斂與時間變化曲線

4　結(jié)　論

(1)環(huán)線冉家壩車站工程中B區(qū)連拱隧道斷面根據(jù)工程概況、水文地質(zhì)條件以及上部既有運營車站等方面因素選用中洞法施工，設(shè)置豎向承載力強的中墻，增強初期支護參數(shù)，通過對施工工序與施工進尺的嚴格控制，保證了新建車站主體B區(qū)的安全施工和既有六號線的正常運營，表明中洞法施工在超大斷面隧道近接施工工程中的可行性.

(2)動態(tài)施工過程中通過采用特制支架機械鉆孔取芯并膨脹破巖的方式非爆破開挖，避免了爆破施工對既有運營六號線和既有建筑物的影響.針對工程特點運用了超前大管棚支護、錨桿施工、超前小導(dǎo)管、回填注漿等一系列施工支護加固技術(shù)，優(yōu)化施工的同時降低了施工風險，為今后類似工程提供了參考.

(3)通過對工程難點處的典型斷面DK15+190現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析，結(jié)果表明各測點監(jiān)測結(jié)果均在允許范圍內(nèi)，施工期間未出現(xiàn)異常突變現(xiàn)象.對于上部既有車站影響較小，有效控制了開挖洞室的圍巖變形.施工開挖上斷面較開挖下斷面時對周邊圍巖的擾動更為明顯.地表沉降量隨距隧道中線位置逐步遞減，且沉降趨勢隨之減弱，開挖過程中對周邊50m處地表影響微弱.合理的施工步序設(shè)計與科學的施工技術(shù)控制，有效的減小了施工工序轉(zhuǎn)換帶來的不利影響，進一步驗證了中洞法施工技術(shù)的可行性.通過分析典型斷面現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果，進行有效反饋，及時調(diào)整施工支護參數(shù)，優(yōu)化、指導(dǎo)施工.

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TunnelConstructionTechnologyandEngineeringPracticebyCenterDriftMethodinLightRailStationofSuperLargeSection

WANGZhe-yu，YANGSheng-quan，HUANGFei

(CollegeofCivilEngineering，HunanUniversityofScienceandTechnology，Xiangtan411201，China)

BasedonthesuperlargecrosssectiontunnelapproachingconstructionengineeringpracticeofRanjiabalightrailstationinChongqing,thecomplicatedengineeringgeologicalconditionsandthedifficultiesduringtheconstructionaswellasthehighriskinconstruction,thefeasibilityofthetunnelconstructiontechnologybycenterdriftmethodinsuperlargesectionisanalyzed.Moredetailedexpositionofthekeyareasofengineeringstationtousethecenterdriftmethodfortunnelconstructionmethods,technologyandthecorrespondingsupportmeasuresisgiven.Combinedwiththeresultsofsitemonitoringmeasurementtofurthercontrastverification,theanalysisresultsshowthatthetechnologyofcenterdriftmethodcancontroltheimpactofsuperlargesectiontunnelexcavationontheexistingstationseffectively,andensurethesafetyoperationoftheexistinglinesix.Theconclusionandsuggestionsoftheresearchprovidethebeneficialreferenceandbasisforthesimilarengineeringconstruction.

lightrailstation；centerdriftmethod；constructiontechnology；existingtunnel；approachingconstruction

2015-09-29

2013年度湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育資助項目(13CY013).

王哲宇(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：巖土工程.

U121

A

1671-119X(2016)01-0090-05