地鐵非等斷面小凈距隧道淺埋暗挖關(guān)鍵技術(shù)

蘇 明

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

?

地鐵非等斷面小凈距隧道淺埋暗挖關(guān)鍵技術(shù)

蘇 明

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

根據(jù)南京地鐵三號線的工程實況，確定了非等斷面小凈距隧道淺埋暗挖施工方案，并從提升系統(tǒng)設(shè)計安裝、隧道開挖、隧間中巖柱加固三方面，闡述了施工中的關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)實踐證明，取得了良好的施工效果。

地鐵，隧道，淺埋暗挖，物料提升系統(tǒng)

0 引言

城市地鐵串聯(lián)市區(qū)各個區(qū)域，多為地下隧道形式，一般沿城市道路下穿，或穿越部分建(構(gòu))筑物，受布線條件的限制，兩隧道的間距一般較小。且普遍采用雙線隧道斷面相同的形式，僅在工程有特殊需要時才設(shè)計為非等大斷面，譬如渡線、聯(lián)絡(luò)線和停(存)車線等。我國非等斷面小間距隧道的應(yīng)用和研究尚處于起步階段，針對非等大斷面隧道已開展了初步研究，通過建立數(shù)值模型[1，2]，研究分析了不等跨公路隧道的支護力學(xué)行為特性及圍巖穩(wěn)定性影響；對于非對稱雙線地鐵隧道的施工力學(xué)和地表沉降也進行了研究[3]，由于非等大斷面隧道面臨工況條件的多樣性和復(fù)雜性，其施工方法也遠未成熟。為此，針對工程實例，設(shè)計制造物料提升系統(tǒng)，優(yōu)化臨時支撐設(shè)置方式，提高機械化作業(yè)程度，形成非等斷面小凈距隧道施工關(guān)鍵技術(shù)，可為有類似地鐵建設(shè)的設(shè)計與施工提供些參考。

1 工程概況

南京地鐵三號線大明路站暗挖配線段沿卡子門大街路下南北向設(shè)置，西側(cè)位于寧溧路高架邊上，距離高架上橋匝道橋墩基礎(chǔ)承臺邊最近約為3.4 m，東側(cè)近鄰紅星美凱龍家居廣場，隧道上部分布有燃氣、排水、電纜、通訊等眾多管線。隧道長220.75 m，埋深12 m，設(shè)計“單洞雙線+單洞單線”非等斷面隧道，隧道內(nèi)部分為射流風(fēng)機加高和加寬段，大斷面隧道開挖斷面跨度12 m，洞高9 m，設(shè)一條停車線和一條單行線；小斷面隧道跨度7.9 m，洞高8 m，設(shè)一條行車線。大小隧道輪廓線間凈距為2.51 m(如圖1所示)。

隧道穿越地層主要為④-3b1層硬塑(局部可塑)粘土、粉質(zhì)粘土、④-4e層含卵礫石粉質(zhì)粘土、④-2b2層可塑粉質(zhì)粘土和④-3b1層硬塑(局部可塑)粘土、粉質(zhì)粘土，隧道斷面下部存在起伏變化的Klg-2強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和Klg-3-2層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其中④-4e層可塑含卵礫石粉質(zhì)粘土位于開挖范圍，為承壓含水層，圍巖穩(wěn)定性極差。所以，項目施工的復(fù)雜程度非常高。

2 實施方案選擇

2.1 出渣運輸選擇

本隧道一端是地鐵車站，另一端是盾構(gòu)吊裝井，出渣無法直接運輸至地面，需采用垂直運輸設(shè)備。而常見的垂直運輸設(shè)備有吊車與塔吊，項目所處的城市地面環(huán)境要求，塔吊根本不許使用，且塔吊運輸能力有限，無法滿足隧道高強度運輸要求；再是吊車吊運，隧道僅土方就約3萬m3，吊車吊運強度太大，耗時長，費用高，且難滿足暗挖施工快速連貫性要求。因此，必須選擇一種物料提升系統(tǒng)，解決施工材料及渣土運輸方便、快捷、安全的問題，使水平運輸和垂直提升達到無縫銜接。

2.2 進洞先后選擇

兩隧道凈距過小可能會造成巖柱主應(yīng)力集中，導(dǎo)致失穩(wěn)，而隧道中夾巖柱的穩(wěn)定性是決定小凈距隧道整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。非等斷面隧道，哪個先進洞，都存在著相鄰隧道施工的相互影響問題，存在著二次沉降的問題。先開挖大洞還是小洞，以及大洞的開挖采用什么工法都是要慎重考慮的。項目從工程水文地質(zhì)、難易程度、施工組織配套協(xié)調(diào)性、工期、造價等因素，通過綜合考慮比較確定最終方案：以先進小洞后進大洞的順序組織實施，同時先開挖小洞還可以起到探明地質(zhì)的作用，而且小洞封閉快、影響小，通過先施工小洞可以增強對地質(zhì)條件和水文條件的了解，增強對施工地層的掌控性，降低施工風(fēng)險。

2.3 開挖方式選擇

根據(jù)工況條件，設(shè)計建議小洞采用臺階法開挖，大洞采用CRD法。小洞跨度7.9 m，地質(zhì)也較好，臺階法可行。大洞跨度12 m，采用CRD法分4個導(dǎo)洞開挖，每一部分開挖并支護后形成獨立的閉合單元，一般情況下對減少地面沉降有利。但CRD工法施工工序復(fù)雜，進度較慢，隔墻拆除困難，施工時間較長，成本較高，在非等斷面小凈距隧道中的適用性有待進一步討論。因此在小洞先行進洞，對地質(zhì)為硬塑性土情況進一步判斷較好后，對CRD法進行了優(yōu)化：采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖法+間隔設(shè)臨時支撐的組合方式開挖。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 提升系統(tǒng)設(shè)計與安裝

利用地鐵區(qū)間上設(shè)計有工作井的有利條件，在井內(nèi)設(shè)置物料提升系統(tǒng)，解決施工材料及渣土運輸方便、快捷、安全的問題，使水平運輸和垂直提升達到無縫銜接。水平運輸可采用自卸式三輪汽車，三輪汽車再經(jīng)物料提升架直接垂直提升，完成地面及洞內(nèi)的渣土、物料循環(huán)運輸。并在工作井內(nèi)采用分節(jié)梯籠拼裝組成上下平臺，供作業(yè)人員上下。

提升系統(tǒng)安裝流程：測量放線→安裝、加固基礎(chǔ)→安裝吊盤→安裝、加固立柱→安裝、加固橫梁→起重設(shè)備連接→運行調(diào)試。物料提升系統(tǒng)由主件和安全輔助保護裝置組成。主件有：基座、吊盤、立柱、橫梁、檢修平臺、提升設(shè)備。安全輔助保護裝置：行程限位器、停層防墜落裝置、限重裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、臨邊防護?；潭ㄓ谪Q井底板上，立柱基座采用高強度螺栓與底板固定。提升架示意圖如圖2所示，每根立柱內(nèi)側(cè)設(shè)置雙導(dǎo)軌，安裝在托盤兩側(cè)的4個導(dǎo)向輪嵌入立柱導(dǎo)軌間導(dǎo)向。JM10變頻控制卷揚機的鋼絲繩通過滑輪組提升、降落托盤。當?shù)醣P提升至指定高度時，安裝在提升架兩根立柱內(nèi)側(cè)設(shè)置的安全卡可自動將托盤固定。

3.2 隧道開挖施工

3.2.1 開挖原則

非等斷面小凈距隧道開挖，必須考慮開挖一側(cè)隧道所引起的圍巖應(yīng)力重分布的影響不致波及另一側(cè)已成隧道的穩(wěn)定，可先選擇首次開挖影響較小的隧道，進尺一定距離后再開挖大斷面隧道，兩隧道開挖面保持50 m左右的距離，以降低近距離隧道開挖中的相互影響。開挖需充分考慮時空效應(yīng)，根據(jù)地質(zhì)條件、作業(yè)空間配備機械設(shè)備。開挖以機械作業(yè)為主，人工配合修邊，能達到快速開挖，初支及時封閉成環(huán)的目的。

3.2.2 開挖方法

大跨度隧道呈橢圓形或圓形斷面時，可采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖法+間隔設(shè)臨時支撐的組合方式開挖。施工步驟如圖3所示。

第①步，環(huán)形拱部開挖，一榀一循環(huán)，預(yù)留核心土，核心土長度宜為2 m～3 m，寬度宜為隧道開挖寬度的1/2～2/3。第②步，③步，左右側(cè)中臺階開挖，兩榀一循環(huán)，最大不得超過1.5 m，開挖高度一般為2.0 m～3.0 m，左右側(cè)臺階錯開2 m～3 m。第④步、⑤步，左右側(cè)下臺階開挖，兩到三榀一循環(huán)，開挖高度一般為2.0 m～3.0 m，左右側(cè)臺階錯開2 m～3 m。第⑥步，上、中、下臺階預(yù)留核心土開挖，中、下臺階核心土總體上成斜坡形式，方便挖掘機上下行走。開挖“自上而下”進行，控制好臺階長度，左右臺階錯開，土方從上往下倒運，可減少施工干擾，從拱部開挖至仰拱成環(huán)形成了“流水式”施工循環(huán)，一個班內(nèi)可完成一榀拱部進尺、兩榀中部邊墻進尺、三榀下部邊墻進尺，開挖進度較快。第⑦步，隧底開挖：每循環(huán)進尺長度宜為2 m～3 m，開挖后及時施作仰拱初期支護。

3.2.3 間隔臨時支撐架設(shè)

開挖每隔8 m～10 m進尺后，連續(xù)設(shè)置6榀豎向臨時支撐和臨時仰拱，豎向臨時支撐隨開挖時支護在核心土上，支撐與土接觸面設(shè)臨時墊板，并及時噴射混凝土提高支撐強度，在向下開挖核心土?xí)r，分次接長臨時支撐，直至撐在仰拱上。

3.3 隧間中巖柱加固

因近距離隧道輪廓線間凈距小到2.51 m，施工時必須考慮開挖一側(cè)隧道所引起的圍巖應(yīng)力重分布對另一側(cè)已成隧道的影響。因此，在隧道開挖中需對隧間中巖柱采取注漿和對拉錨桿加固。一方面通過注漿，對主體進行改良加固，提高其承載和自穩(wěn)能力，另一方面，通過對拉錨桿的錨固作用，與兩側(cè)的隧道結(jié)構(gòu)形成聯(lián)合支護體系，提高了其承載和自穩(wěn)能力[4]。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

本隧道在暗挖施工過程中，第三方監(jiān)測單位對地表、橋墩、拱頂沉降、隧道收斂實施監(jiān)測。地表沉降監(jiān)測結(jié)果顯示，地表最大沉降量為26 mm，發(fā)生在大斷面隧道正上方路邊綠化帶內(nèi)。拱頂沉降最大12.5 mm，洞內(nèi)收斂最大16.6 mm，均發(fā)生在大斷面隧道內(nèi)，橋墩基礎(chǔ)四個角點沉降分別為1.0 mm，1.2 mm，0.8 mm，0.7 mm。周邊建筑無裂縫，全部沉降量指標均在安全范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論與建議

1)通過本項目非等斷面隧道的暗挖施工，使暗挖技術(shù)適用范圍得到進一步拓展。施工技術(shù)的有效優(yōu)化、合理使用都離不開項目管理人員的高效施工組織安排與相應(yīng)的機械設(shè)備創(chuàng)新及配合，這是一個系統(tǒng)全面的過程，沒有各方面的支撐，很難完成復(fù)雜系統(tǒng)的過程。

2)施工中利用盾構(gòu)接受井兼作淺埋暗挖工作井的有利條件，設(shè)計制造物料提升系統(tǒng)，突破性地解決了施工材料及渣土的運輸問題。使垂直運輸與水平運輸無縫結(jié)合，運輸效率高，成本低，為洞內(nèi)施工提供了可靠的保障。今后有類似項目可以借鑒參考。

3)根據(jù)硬塑性地層特點，本次大斷面橢圓形隧道，采取“預(yù)留核心土環(huán)形開挖法+間隔設(shè)置支撐”的工藝，控制每循環(huán)開挖進尺、臺階長度與寬度，間隔設(shè)置臨時支撐等方式，創(chuàng)造了好的工況條件，增大了作業(yè)空間，使各步具備了挖掘機開挖條件，機械化施工程度提高，從拱部開挖至仰拱成環(huán)形成了“流水式”施工循環(huán)，初支封閉時間縮短，作業(yè)效率得到提高，施工風(fēng)險極大地降低；施工中根據(jù)地上和洞內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，各項參數(shù)穩(wěn)定，無異常變化，整個施工安全可控。

[1] 鄧 健，朱合華，丁文其.不等跨連拱隧道施工全過程的有限元模擬[J].巖土力學(xué)，2004，25(3)：142-145.

[2] 張志強，黃朱林，韓 飛.非對稱小凈距隧道施工力學(xué)特性研究及方案優(yōu)化[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(6):22-26.

[3] 蔣小銳.地鐵渡線段不等跨暗挖隧道施工方法有限元分析[J].鐵道標準設(shè)計，2009(10)：113-115.

[4] 劉明高，高文學(xué)，劉 冬.小凈距隧道中夾巖加固技術(shù)研究[J].施工技術(shù)，2006(sup)：172.

The key technology of non small spacing metro section shallow tunnel

Su Ming

(CCCCTunnelEngineeringCompanyLimited,Beijing100088,China)

According to the project situation of Nanjing metro line three, this paper determined the shallow underground excavation construction scheme of non uniform small spacing tunnel, and from the improvement of system design and installation, tunnel excavation, tunnel mid-rock pillar reinforcement three aspects, discussed the key technology in construction, proved by practice, gained good construction effect.

metro, tunnel, shallow underground excavation, material lifting system

1009-6825(2016)27-0154-03

2016-07-18

蘇 明(1983- )，男，工程師

U455

A