平頂直墻暗挖隧道設計與施工技術探析

□文/王冰琰

隨著城市軌道交通工程的不斷發(fā)展，受線路規(guī)劃、地下管線和車站結構設計等因素的影響，新建地鐵車站的附屬結構往往無法采用傳統(tǒng)的拱頂斷面形式，越來越多的平頂直墻結構出現(xiàn)。與拱頂直墻斷面比較，平頂直墻結構具有施工風險等級高、工序轉換復雜、沉降控制敏感等特點，由于不起拱，頂部承載力不足，在開挖和二次襯砌拆撐階段的施工風險較大，極易出現(xiàn)土體坍塌和結構沉降過大等問題[1]；在設計中，應強調土體開挖、初支襯砌的防坍塌及二次襯砌過程中的受力轉換；在施工時，除應嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的十八字方針外，還應遵循“初支謹防坍塌，二襯合理轉換”的原則，加強對上覆土體和結構沉降的控制。

1 工程概況

北京市某新建地鐵車站與既有車站的換乘通道密貼下穿市政管線，受高程限制無法起拱，采用平頂直墻結構。受地鐵線路規(guī)劃限制，新建通道設置4.3%的變坡段進行調坡，實現(xiàn)新舊車站結構的連接。暗挖通道拱部在進洞1.4 m處設置一道框梁，將凈空高度下調并設置變形縫，保證通道結構高程能夠滿足穿越市政管線的要求。見圖1。

暗挖通道結構覆土厚10～12 m，穿越的地層主要為卵石5 層，自穩(wěn)性較差。水位20.4 m，地下水埋深22.4 m，結構底板位于地下水之上。

為保證頂部結構的剛度與強度，初期支護采用350 mm 厚的C20 網噴混凝土+格柵鋼架，拱腳打設鎖腳錨桿進行注漿，減少施工沉降的影響。見表1。

圖1 換乘通道結構剖面

表1 初期支護參數

暗挖通道共穿越6 條市政管線、1 座人行天橋，均為一級風險源[2]。見表2。

表2 暗挖結構下穿風險源情況統(tǒng)計

2 超前注漿加固

為防止由于隧道無法成拱而引起的土體坍塌失穩(wěn)，超前支護可以結合工程地質具體情況，靈活采用超前小導管、管幕棚護、深孔注漿等方式。對沒有降水條件的含水地層，也可以采用全斷面注漿加固方式，兼顧防坍塌、防沉降、封堵地下水的目的。

采用深孔注漿進行落地式超前加固，注漿范圍為開挖線外2 m、開挖線內1 m，注漿壓力控制在0.2～0.8 MPa，第一次注漿為試驗段，以確定最佳注漿參數。由于地下水位于結構底板以下，注漿液主要以加固地層為主，采用1∶1水泥砂漿，加固后地層無側限抗壓強度為1.0 MPa，滲透系數≤1.0×10-6cm/s。

每段深孔注漿前，設置0.3 m厚的C20噴射混凝土作為止?jié){墻。止?jié){墻采用雙層φ6 mm@150 mm×150 mm鋼筋網和φ22 mm@500 mm×500 mm加強鋼筋，核心土采用50 mm厚C20噴射混凝土保護。

圖2 初期支護導洞設置

3 初期支護結構

3.1 結構斷面形式的選擇

暗挖通道標準段結構寬14.3 m、高6.12 m，通道結構可劃分為兩層六導洞或十導洞兩種形式。見圖2。

施工采用優(yōu)先柱墻二襯法。優(yōu)先柱墻二襯法是平頂直墻暗挖隧道的典型推薦工法，其優(yōu)點在于中部土體開挖之前，提前施作兩側導洞內的結構，較早形成豎向支撐體系來支撐上部土體[3]，充分利用開挖與二次襯砌施工過程中的時空效應[4]，保證后續(xù)導洞暗挖與二次襯砌施工安全。

結合不同埋置深度、結構形式、開挖跨度、周邊鄰近既有建（構）筑物對沉降敏感程度來選擇合適的初支結構和施工工序。一般對導洞尺寸的設置沒有強制性要求，但根據北京地鐵的大量設計與施工經驗，應遵循如下原則[5]：

1）導洞開挖跨度一般應＜4 m，總開挖跨度應＜12 m；

2）導洞開挖高度一般應＜5 m且應根據具體人工操作高度酌情采用一次或多次臺階法開挖；

3）各導洞的縱向開挖間距應≮1.5倍導洞高度。

圖3 六導洞施工第一步

3.1.1 六導洞結構施工工序

1）深孔注漿加固土體，小步距、臺階法開挖導洞

圖4 六導洞施工第二步

1、2，施作初期支護，各洞室縱向開挖長度＞1.5倍開挖高度。見圖3。

圖5 六導洞施工第三步

2）分段局部施作導洞內防水層及底板、邊墻、頂板二襯結構，施作頂板與底板間垂直支撐。見圖4。

圖6 六導洞施工第四步

3）深孔注漿加固土體，小步距、臺階法開挖小導洞3、4。見圖5。

圖7 六導洞施工第五步

4）分段局部施作導洞內防水層及底板、邊墻、頂板二襯結構，施作頂板與底板間垂直支撐。見圖6。

5）深孔注漿加固土體，小步距、臺階法開挖小導洞5、6，施作初期支護。見圖7。

圖8 六導洞施工第六步

6）施作剩余防水層及頂板、中柱、底板二襯結構，新建二襯強度滿足要求時，逐步拆除垂直支撐，完成永久結構。見圖8。

圖9 十導洞施工第一步

3.1.2 十導洞結構施工工序

1）深孔注漿加固土體，小步距、臺階法開挖導洞

圖10 十導洞施工第二步

1、2，施作初期支護，各洞室縱向開挖長度＞1.5倍開挖高度。見圖9。

圖11 十導洞施工第三步

2）分段局部施作導洞內防水層及底板、邊墻、頂板二襯結構，施作頂板與底板間垂直支撐。見圖10。

圖12 十導洞施工第四步

3）深孔注漿加固土體，小步距、臺階法開挖小導洞3、4，施作初期支護。見圖11。

4）分段局部施作導洞內防水層及頂板、中柱、底板二襯結構。見圖12。

圖13 十導洞施工第五步

圖14 十導洞施工第六步

5）深孔加固土體，臺階法開挖導洞5、6，施作剩余防水層及頂板、底板二襯結構，二襯封閉成環(huán)。見圖13。

6）新建二襯強度滿足要求時，逐步拆除垂直支撐，完成永久結構，進行二襯背后回填注漿。見圖14。

根據“化大斷面為小斷面，化大跨度為小跨度”的思路[6～7]，結合隧道穿越的復雜外部環(huán)境，初期支護優(yōu)先設置為兩跨雙層十導洞，減小施工跨度，最大限度降低施工風險，保證安全；但其工序較一般六導洞設置的平頂直墻隧道更為復雜，施工進度慢，結構施工縫多。

3.2 格柵鋼架節(jié)點板

初支格柵節(jié)點設置在受力較小區(qū)域（1/4～1/3 跨度），節(jié)點板連接采用8.8 級（A 級）螺栓等強連接，螺栓連接后再對節(jié)點板進行圍焊補強。當節(jié)點板縫隙過大，圍焊無法實施時，設置與主筋同直徑的幫焊鋼筋，單面搭接焊補強，搭接長度10d（d 為鋼筋直徑）。為保證頂部格柵鋼架剛度，頂部節(jié)點板全部設置幫焊筋。所有焊縫均采用雙面搭接電弧焊，焊縫高度≮8 mm。

施工中應加強對頂部初支混凝土厚度與密實度的質量控制，及時進行初支背后回填注漿，避免由于頂部噴射混凝土的質量缺陷而引起初期支護構件的剛度、強度損失以及拱頂沉降。

4 二次襯砌臨時支撐拆除

平頂直墻結構應充分重視豎向支撐體系的連續(xù)性，優(yōu)先形成豎向永久結構承載力體系，謹慎拆除豎向支撐[8]。二襯施工時的臨時支撐處理方法主要有兩種：一是在二襯施工前進行換撐，分段跳倉施工底板、頂板結構；二是不進行拆撐施工，將支撐底部進行防水節(jié)點處理后，直接澆筑在二次襯砌內部，達到強度后割除。

4.1 換撐工藝

將暗挖通道底板高度范圍的臨時中隔壁混凝土進行破除，破除后的中隔壁與底板襯砌鋼筋內側保護層同標高，逐根割除工字鋼，在工字鋼基底上進行基面處理后鋪設防水板，防水保護層澆筑完成后，鋪設25 cm×25 cm 鋼板，使臨時支撐坐落在鋼板上形成整體支撐墻，以此來解決中隔壁破除導致豎向支撐不足的問題。待結構澆筑完成后拆除臨時支撐，剔除凹槽，對工字鋼與混凝土結合部進行打磨、防銹處理，使用等強度水泥抹灰找平。

臨時支撐分段、跳倉拆除長度一般≯7 m，杜絕底板一次通鋪，橫向支撐拆除及替換與豎向支撐同步，盡量減小一次拆撐范圍。

4.2 不拆撐工藝

將底板高度范圍豎向支撐混凝土鑿除，對型鋼進行防腐處理，周圍使用丁基橡膠粘接帶與橡化瀝青非固化防水涂料進行加強后，將工字鋼直接澆筑在底板結構內部。

圖15 底板中隔壁防水節(jié)點

對沉降控制敏感的高風險通道，一般建議使用此工藝；既能保證施工安全性，又能夠實現(xiàn)二襯結構大面積快速施工，有效減小結構沉降量，提高施工進度，降低拆撐風險，但同時也有細部防水節(jié)點工藝復雜的缺點[9]。見圖 15。

5 特殊措施

5.1 回填注漿

平頂直墻暗挖隧道結構特點決定了其沉降控制偏弱，因此應加強初支及二襯背后回填注漿。

初支背后回填注漿分兩次進行：第一次距掌子面3～5 m，為低壓注漿，至相鄰注漿孔有漿液溢出或達到壓力并穩(wěn)定一段時間后結束；第二次距開挖面8～10 m，為飽壓注漿，注漿壓力0.5 MPa，風險工程段注漿壓力提高至0.8 MPa。注漿孔沿頂部和邊墻布置：環(huán)向間距起拱線以上為2 m、邊墻為3 m，縱向間距3 m，呈梅花型布置且拱頂部位置需保證有1根注漿管。

二襯背后回填注漿應在二襯結構混凝土達到75%設計強度后進行，注漿孔沿斷面拱部布置，環(huán)向間距3 m，縱向間距5 m，呈梅花型布置。

5.2 千斤頂應急措施

型鋼或者鋼拱架作為初期支護時，只能被動承受荷載，不能主動提供向上的抬升力。在穿越既有設施的施工過程中，由于下方土體已被挖空，當結構沉降過大時，無法通過注漿的方式對結構進行抬升。除在通道內增設I25a@1 000 mm 型鋼作為臨時支撐外，還可以根據監(jiān)測情況，在洞內使用千斤頂作為聯(lián)合支護控制結構拱頂沉降，保證上方穿越既有設施的安全。

6 結語

本文結合北京市某新建地鐵車站平頂直墻換乘通道的設計與施工，對其關鍵技術進行闡述并提出針對周邊環(huán)境的具體設計與施工改進措施。

1）平頂直墻暗挖隧道的結構設計應結合地質條件、隧道穿越的外部環(huán)境以及結構沉降要求，必要時減小導洞施工跨度，最大限度地降低施工風險，保證安全。

2）平頂直墻結構的關鍵施工工序，如超前加固、暗挖施工、臨時支撐拆除等，在實際施工中要堅持信息反饋和動態(tài)控制的原則，充分考慮暗挖與二次砌筑施工過程中的時空效應，及時調整施工方案。

3）對沉降控制敏感的隧道結構，保留臨時支撐的工藝既能保證結構施工安全性，又能夠實現(xiàn)二次襯砌大面積快速施工，可以有效減小結構沉降量。