城際鐵路隧洞結(jié)構(gòu)弧形變截面綜合施工技術(shù)研究

霍 偉（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

1 引言

隨著國家對基礎(chǔ)建設(shè)的逐步完善，我國的高速鐵路建設(shè)又進入了一個新的大發(fā)展時期。由于鐵路等級的提高和交通量的劇增，大斷面的各類鐵路隧道數(shù)量會進一步增加。超大斷面隧道成為一種常見的設(shè)計，斷面越大隨著而來的施工難度也相應(yīng)的增加，開挖、支撐、模板支撐體系、結(jié)構(gòu)分塊難度都增大。新建鄭州至新鄭機場城際鐵路地下段站前工程ZJZQ-IV標(biāo)工程DK38+962-DK39+062段為超大斷面變截面變線段隧道，單洞四線結(jié)構(gòu)，隧道上部由于新鄭機場二期T2航站樓工程同步施工，給該段工程施工增加了難度，本文以該段工程為背景，論述了超大斷面開挖支撐、換撐、支架法澆注二襯支架設(shè)計與計算等核心工序的安全質(zhì)量控制方法，為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

2.1 設(shè)計概況

新建鄭州至新鄭機場城際鐵路地下段站前工程ZJZQIV標(biāo)工程DK38+962-DK39+062段為變截面變線段隧道，單洞四線結(jié)構(gòu)，最大斷面高21.46m寬27.1m，隧道上部由于新鄭機場二期T2航站樓工程同步施工。變線間段全長100m，開挖跨度16.5-27.1m，具有開挖斷面大、變截面多等特點，最大斷面585.4m2，為大斷面隧道，共劃分四個斷面。具體里程、斷面見圖1。

2.2 水文地質(zhì)條件

該場地位于華北地震構(gòu)造區(qū)，為構(gòu)造結(jié)合部位，新生代以來以沉降為主，由于沉降差異，不同時期沉降厚度不一。

本場地地下水類型屬于第四系松散巖類孔隙水，主要含水層為粉砂、細砂和粉土層中，具體地下水位埋深約3～6m。各巖土層的綜合滲透系數(shù)可按3.0m/d采用，引用補給半徑可以取用40m。環(huán)境水對混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性，在長期浸水的狀態(tài)下對鋼筋混凝土中鋼筋不具侵蝕性，在干濕交替狀態(tài)下對鋼筋混凝土中鋼筋不具侵蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱侵蝕性，大多可供生活飲用和一般工程用水。

2.3 工程施工環(huán)境

該段隧道上部為機場T2航站樓，與隧道同步施工。航站樓荷載作用在隧道圍護結(jié)構(gòu)上已施作完成的14根轉(zhuǎn)換梁上，受T2航站樓施工影響，該段隧道施工材料及設(shè)備運輸難度大，均采用人力運輸。

圖1 斷面示意圖

3 變截面隧道襯砌施工

根據(jù)隧道斷面面積大、截面變化多的特點，該段二次襯砌考慮到斷面跨度大（含端頭墻），采用滿堂支架法分三次澆筑（第一次澆筑至邊墻，高度6m；第二次澆筑至拱腳，高度8 m；其余第三次澆筑完成，高度7.5m，端頭墻與襯砌一同澆筑），滿堂支架架設(shè)前均先完成仰拱施工，為施工提供場地。砼采用集中拌合，砼泵輸送砼，兩側(cè)同時灌注。

DK38+962-DK39+062段為超大斷面變截面變線段隧道，單洞四線結(jié)構(gòu)，最大斷面高21.46m寬27.1m，長30m，考慮到斷面寬和工期因素，該段二襯采用支架法分三次澆注。

3.1 支架結(jié)構(gòu)的選擇

根據(jù)馬蹄形結(jié)構(gòu)斷面形式，內(nèi)模板采用18mm厚木膠合板（尺寸2440mm×1220mm），由于隧道施工受機場二期航站樓的影響，無法采取大型機械進行吊裝，在滿足工程需要的情況下，通過設(shè)計計算擬采用16#工字鋼架加工成弧形鋼架支撐，連接板和螺栓連接，2m左右設(shè)置一端采用螺栓連接，便于人工搬運及施工，每環(huán)鋼架背后布置一排腳手架，架與頂托間采用塞木楔等措施，保證密貼，縱向方木為60×80mm間距30cm。頂托支撐固定于滿堂支架上，腳手架橫向間距或排距80cm；縱距40cm；步距80cm。外模板采用30×150cm的組合鋼模，外模采用Φ14對拉止水螺桿固定。

沿支架縱向，每隔5m橫斷面設(shè)置設(shè)剪刀撐；縱向設(shè)置三道剪刀撐分別位于支架的中間及支架1/3處；在支架外立面必須滿設(shè)剪刀撐，斜撐角度為45°。頂托和掃地桿同上一端面設(shè)置。

掌子面封閉墻模板采用膠合板和I22a工字鋼。立桿直接立在仰拱填充頂面，不設(shè)墊板，頂部、前端和橫向桿兩端設(shè)置活動頂托，除剪刀撐外所有桿（含封閉墻斜撐）接長時必須采用對接扣件連接，相鄰兩對接接頭不得在同步內(nèi)，且對接接頭錯開的距離不小于500mm。剪刀撐采用搭接，搭接長度不得小于500mm，并采用2 個旋轉(zhuǎn)扣件分別在離桿端不小于100mm 處進行固定。

3.2 支架加固措施

1）抗浮采取的措施

在支架兩側(cè)最邊緣處，每跨每邊各植入兩根Φ16 鋼筋抗浮。

2）設(shè)置剪刀撐

根據(jù)對比計算，在第一次砼澆注時，分別采取加豎向剪刀撐和不加豎向剪刀撐計算支架的豎向位移，加剪刀撐后，豎向位移較不加剪刀撐減少2/3。剪刀撐每斷面設(shè)置，以增加支架的整體剛度。

3）增設(shè)H 型槽鋼

根據(jù)計算，在第一次砼澆注時，16 號工字鋼彎矩最大處在邊墻底部。為增加支架的穩(wěn)定性，在仰拱與工字鋼接頭部位設(shè)置H25 型槽鋼作為縱梁，并將抗浮鋼筋焊接在縱梁上，形成整體受力。

4）局部增加水平桿在第一次澆注砼時，經(jīng)過計算，頂部水平桿受壓力達119KN（單根），將產(chǎn)生壓桿失穩(wěn)。為保證支架穩(wěn)定，在澆注第一次砼時，頂部的水平桿按雙根并列布置，并應(yīng)注意與立桿的連接。

4 基坑支撐轉(zhuǎn)換技術(shù)

城際鐵路基坑設(shè)置了5道800×1000mm鋼筋混凝土撐，隨結(jié)構(gòu)施工自下而上采取人工破除，并采用鋼管轉(zhuǎn)換支撐受力。考慮到傳統(tǒng)的拆除支撐及架設(shè)倒換支撐困難，采取焊接鋼管與碗扣式腳手架模板支撐體系相結(jié)合，水平對頂側(cè)墻模板的方案進行施工。

4.1 模型及模擬工況簡介

城際鐵路工程具有開挖斷面大、變截面多等特點，為超大斷面隧道，本次計算就DK38+962-DK39+062區(qū)間內(nèi)不同開挖斷面、不同隧道結(jié)構(gòu)明挖法施工進行了計算分析。

分析DK38+962-DK39+062段斷面示意圖發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段內(nèi)存在開挖斷面大、變截面的特點，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)及基坑開挖斷面尺寸可將該區(qū)段劃分為4部分，考慮計算量過大，擬對其中的三個斷面進行分析，具體工況見表1，具體每一步的計算過程與明挖法隧道工程施工過程相一致。

表1 工況表

4.2 計算參數(shù)及本構(gòu)模型

在巖土工程計算中通常采用彈性、彈塑性、粘彈性、粘彈塑性等很多模型，如劍橋模型、Dunean-Chang 模型、Kelvin-Voigt 模型、Lade-Dunean 模型。它們能夠方便的模擬土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，但又有各自的特點及適用范圍。結(jié)合巖土工程計算中長期以來積累的經(jīng)驗，本次計算的土體單元選用 Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型。

4.3 關(guān)鍵模擬技術(shù)

基坑的支護措施主要有鉆孔灌注樁、鋼支撐、鋼圍檁、冠梁、錨桿支護。在用 GTS進行數(shù)值模擬時是否能很好的反應(yīng)支護措施的作用機理和效果，在很大程度上會影響計算結(jié)果的合理性。以下就該基坑主體結(jié)構(gòu)施工時采用的圍護措施的模擬方法進行分析。

1）鉆孔灌注樁和止水帷幕的模擬

2）鋼支撐的模擬

3）內(nèi)支撐的模擬

4）底面澆注的模擬

5）隧道結(jié)構(gòu)和素混凝土回填施工

6）內(nèi)支撐的拆除

4.4 模型的建立

由于城際鐵路基坑為長條形，在DK38+962-DK39+062段內(nèi)的四種類型基坑寬度和深度各不相同，最寬為27.1m，最窄為16.54m，深度較一致為25m，在橫向綜合考慮城際鐵路基坑寬度，根據(jù)圣維南原理設(shè)置所分析的長方形或者正方形基坑的邊界范圍時，開挖影響寬度一般為開挖深度的3-4D，影響深度為2-4D（D 為入土深度）較合理，最終取模型橫向?qū)挾葹?87米，深度方向取值為60m。

計算模型總體圖如圖2和圖3所示，其中主要包括了6層土體、城際鐵路基坑系統(tǒng)。當(dāng)城際鐵路基坑施工完成后的模型圖如圖4所示，圖5為城鐵隧道結(jié)構(gòu)施工完成后的模型圖。另外對于不同斷面的模型存在開挖斷面大小不同，地質(zhì)環(huán)境不同、基坑支撐位置不同和隧道結(jié)構(gòu)斷面大小不同等特點，具體對比可見圖2和圖3。

圖2 DK39+043-DK39+062模型總圖

圖3 DK38+962-DK38+991模型總圖

圖4 城鐵基坑施工完成后的模型圖

圖5 城鐵隧道結(jié)構(gòu)施工完成后的模型圖

采用位移約束條件：地表面為自由面；模型四周約束法向水平方向位移，底面約束（x、y）個方向位移。土體開挖與支撐通過鈍化和激活實體單元與結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)。

4.5 計算結(jié)果分析

通過對不同斷面處由于開挖斷面大小不同，地質(zhì)環(huán)境不同、基坑支撐位置不同和隧道結(jié)構(gòu)斷面大小不同所體現(xiàn)出城際鐵路工程施工特征進行計算分析。首先針對具體某一斷面施工所具有特點進行分析，然后對具體計算的三個斷面進行對比分析?？偨Y(jié)結(jié)論。

4.5.1 基本工況計算結(jié)果分析

該模擬工況為分析DK38+962- DK38+991區(qū)段大斷面基坑開挖和隧道結(jié)構(gòu)施工的變形和受力分析。如圖6為城鐵基坑施工完成后的總變形圖，圖7為城鐵隧道結(jié)構(gòu)施工完成后的總變形圖。

分析圖6發(fā)現(xiàn)當(dāng)城際鐵路基坑工程完成后，基坑底部表現(xiàn)為明顯的隆起，基坑兩側(cè)地表表現(xiàn)出略微隆起，這與實際工程監(jiān)測不符，其中主要原因是土體本構(gòu)模型為M-C模型，該模型不能很好的模擬土體回彈變形。向上的位移最大發(fā)現(xiàn)在基坑底面為12.9mm，向下位移微小，幾乎為0。

圖6 城鐵基坑施工完成后的總變形圖

圖7 城鐵隧道結(jié)構(gòu)施工完成后的總變形圖

分析圖7發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)施工完成后，基底隆起會減小，減少了2.4mm；由于覆土完成后基坑內(nèi)部的內(nèi)支撐會逐步拆除，所以最終在覆土部分地表會有地表沉降現(xiàn)象，且最大達到了40.6mm，需引起注意。

從變形的角度分析，基坑開挖會引起地表沉降、基坑圍護結(jié)構(gòu)受到主動土壓力后向基坑位移，但由于M-C模型在計算基坑地表沉降方面不合理。圖8城鐵基坑完成后圍護結(jié)構(gòu)水平位移、圖9為城鐵隧道結(jié)構(gòu)完成后圍護結(jié)構(gòu)水平位移。

城際鐵路基坑兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的水平位移分布在行李隧道基坑施工前是對稱的。分析圖4-8發(fā)現(xiàn)，在城際鐵路基坑施工完成后在水平變形方面在第二道支撐附近水平位移最大，最大為1.28mm，第三至第五道處相對比較均勻，這是由于整個五道支撐里面，只有第二道支撐為鋼支撐，其他支撐全為混凝土。整體位移方面呈向上趨勢，這與基坑開挖后形成的卸載效應(yīng)有關(guān)，坑內(nèi)土體開挖，坑底隆起會帶動圍護結(jié)構(gòu)一起向上位移。

圖8 城鐵基坑完成后圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖9 城鐵隧道結(jié)構(gòu)完成后圍護結(jié)構(gòu)水平位移

分析圖9表明，在隧道結(jié)構(gòu)施工完成后圍護結(jié)構(gòu)整體向下移動，相當(dāng)于在隧道結(jié)構(gòu)、回填素混凝土和覆土的反壓作用會抵消掉一部分引起基底隆起的回彈力，但在開挖面的圍護結(jié)構(gòu)變形較小。在水平位移方面，較之前基坑完成時圍護結(jié)構(gòu)水平位移增大，達到4.83mm，最大位置較之前下移，因此在隧道結(jié)構(gòu)施工過程應(yīng)密切關(guān)注基坑圍護結(jié)構(gòu)變形。

從應(yīng)力分析的角度，基坑圍護結(jié)構(gòu)上的軸力和剪力隨著施工階段的推移都會發(fā)生一定的變化，如圖圖10城鐵基坑完成支護體系軸力圖，圖11城鐵隧道結(jié)構(gòu)完成支護體系軸力圖。

分析圖10可以發(fā)現(xiàn)， 在基坑開挖完成后，圍護結(jié)構(gòu)上的軸力最大位置發(fā)生在開挖斷面的底部，從第五道支撐到基底都處于軸力較大位置，且最大達到了1.83MN。五道支撐中，各支撐軸力從大到小分別是第三道、第四道、第五道、第一道、第二道。

分析圖11可以發(fā)現(xiàn)， 隧道結(jié)構(gòu)施工完成后圍護結(jié)構(gòu)上的軸力有所增加，最大達到了2.4MN，變化規(guī)律與基坑開挖完成后相一致。

圖10 城鐵基坑完成支護體系軸力圖

圖11 城鐵隧道結(jié)構(gòu)完成支護體系軸力圖

對于基坑圍護結(jié)構(gòu)而言，剪力過大往往會導(dǎo)致其變形過大，甚至破壞。

圖12 城鐵基坑完成圍護結(jié)構(gòu)剪力圖

圖13 城鐵隧道結(jié)構(gòu)完成圍護結(jié)構(gòu)剪力圖

分析圖12發(fā)現(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)與內(nèi)支撐結(jié)合的位置剪力最大，五道支撐對應(yīng)的五個結(jié)合點處，第二道上的剪力最小，其他的大小相差較小，這主要是由于五道支撐中只有第二道支撐是鋼支撐，而其他均為混凝土支撐；圍護結(jié)構(gòu)上所受的剪力大小主要和圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)受到的壓力有關(guān)，內(nèi)側(cè)受的是支撐軸力，外側(cè)受的是土壓力，所以在內(nèi)側(cè)支撐位置處往往會產(chǎn)剪力突變現(xiàn)象，而在其他位置基本隨著外側(cè)土壓力均勻變化。

分析圖13發(fā)現(xiàn)城際鐵路隧道結(jié)構(gòu)施工完成后基坑圍護結(jié)構(gòu)的剪力增大，達到了767KN。變化規(guī)律與圖12所體現(xiàn)的一致，原因也相同。

4.5.2 各工況計算結(jié)果對比分析

根據(jù)工況表1，本次計算還分別計算了DK38+991-DK39+018區(qū)間和DK39+043-DK39+062區(qū)間的兩個斷面，這兩個斷面較DK38+962-DK38+991區(qū)間的斷面有所減小，主要區(qū)別在于基坑開挖寬度不同、地質(zhì)環(huán)境不同、隧道結(jié)構(gòu)大小不同，而開挖深度基本相同。

分別從變形和應(yīng)力的角度分別對另外兩個斷面進行分析會得出和4.2類似的規(guī)律?，F(xiàn)將三個斷面在坑底隆起、地表沉降、圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移、最大軸力和最大剪力五個方面進行對比，對比結(jié)果見表2至表6。

表2 坑底隆起對比

工況 地表沉降（mm）最大斷面DK38+962-DK38+991 40.6中間斷面DK38+991-DK39+018 20.5最小斷面DK39+043-DK39+062 9.4

表3 地表沉降對比

表4 圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移對比

表5 最大軸力對比

表6 最大剪力對比

分析表2至表6發(fā)現(xiàn)，在坑底隆起、地表沉降、圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移、最大軸力和最大剪力五個方面都呈出同樣的規(guī)律，即開挖斷面越小對應(yīng)的變形和受力越小，一方面是由于在三個斷面幾乎相近的地質(zhì)環(huán)境下，開挖斷面越小，對基坑周圍土體的擾動越小，引發(fā)的卸載效應(yīng)也越不明顯；另一方面是在三個斷面開挖面積不同的情況，三個基坑幾乎采用較為一致的支護結(jié)構(gòu)。

4.6 小結(jié)

本次計算主要是對不同斷面處由于開挖斷面大小不同，地質(zhì)環(huán)境不同、基坑支撐位置不同和隧道結(jié)構(gòu)斷面大小不同所體現(xiàn)出城際鐵路工程施工特征進行計算分析，分別選取了DK38+962-DK38+991、DK38+991-DK39+018和DK39+043-DK39+062區(qū)間的三個斷面進行了具體計算，分析由斷面施工完成后引起的變形和受力情況，可以得出如下結(jié)論：

1）對于大斷面城際鐵路工程而言，基坑開挖和隧道施工會引起地層明顯的變形，尤其需要注意基坑施工完成后的基底隆起和隧道施工完成后隧道頂部了地表沉降；基坑支護結(jié)構(gòu)受力也發(fā)生明顯變化，隧道施工完成后軸力和剪力都會變大，軸力方面需要注意第五道支撐至開挖面之間位置，剪力方面需注意內(nèi)支撐與圍護結(jié)構(gòu)結(jié)合點處。

2）通過對比不同斷面的變形和受力，發(fā)現(xiàn)在本工程中在 開挖深度基本相同、地質(zhì)環(huán)境相似的情況下，隨著開挖斷面寬度的增大，變形和受力都呈增大的趨勢。

5 總結(jié)

以上論述，城際鐵路隧洞結(jié)構(gòu)弧形變截面綜合施工技術(shù)已在在鄭機城鐵工程施工中得到成功應(yīng)用。實踐證明，采用支架法施工大跨度超高弧形變截面結(jié)構(gòu)，小型工字鋼骨架成功解決運輸困難問題，并采用水平鋼管腳手代替大直徑鋼管換撐是成功的，在類似工程中，可以進行應(yīng)用推廣。