國(guó)內(nèi)罕見超大斷面四聯(lián)拱隧道施工技術(shù)


連拱隧道由于跨度大及分多步開挖多次擾動(dòng)土體,造成地表沉降明顯,給施工安全帶來很大隱患。文章以哈爾濱地鐵一號(hào)線哈爾濱南站—哈達(dá)站區(qū)間四連拱隧道段工程為背景,對(duì)大斷面四連拱隧道雙側(cè)壁+中導(dǎo)洞法的施工工法展開研究,主要闡述了雙側(cè)壁+中導(dǎo)洞工法的原理和特點(diǎn)、施工步驟、關(guān)鍵技術(shù)等,可為類似條件下的隧道施工提供有益的借鑒。
1、概述
哈爾濱地鐵一號(hào)線哈爾濱南站站—哈達(dá)站區(qū)間位于哈爾濱市主干道學(xué)府路正下方,區(qū)間全長(zhǎng)1160m。由于哈南停車場(chǎng)出入場(chǎng)雙線從區(qū)間正線引出,在SK1+374~SK1+456.985里程范圍設(shè)計(jì)為國(guó)內(nèi)罕見的超大斷面四連拱隧道。隧道所處地層為淺埋軟塑粘土地層,結(jié)構(gòu)底板埋深約16~26m。隧道采用分部開挖的雙側(cè)壁導(dǎo)坑+中導(dǎo)洞法施工,開挖寬度28m,開挖高度8m,開挖面積近217m2。隧道最淺埋置深度約為8.5m,與開挖高度非常接近,屬于高寒地區(qū)超大斷面連拱隧道。
2、四聯(lián)拱超大斷面隧道施工技術(shù)
四聯(lián)拱大斷面隧道施工總體上分為開挖和襯砌兩部分。在開挖方法上又分為整體全斷面“雙側(cè)壁導(dǎo)坑+中導(dǎo)洞工法”、區(qū)間正線(上下行線)局部斷面"CRD工法"、中導(dǎo)洞及出入場(chǎng)線局部斷面"上下導(dǎo)坑法(或臺(tái)階法)"等。
在襯砌施工方面,四聯(lián)拱隧道(區(qū)間正線CRD法斷面)襯砌分四步進(jìn)行:仰拱施工—仰拱回填施工—隧道內(nèi)側(cè)直墻混凝土施工—隧道外側(cè)拱墻施工;四聯(lián)拱隧道(中導(dǎo)洞斷面)襯砌分仰拱和中隔壁兩步進(jìn)行;四聯(lián)拱隧道(出入場(chǎng)線斷面)襯砌分仰拱和拱部進(jìn)行施工。四聯(lián)拱襯砌在完成初期支護(hù)背后注漿,初期支護(hù)驗(yàn)收合格后進(jìn)行。
2.1四聯(lián)拱超大斷面隧道開挖施工工序及施工方法
四聯(lián)拱隧道整體雙側(cè)壁導(dǎo)坑+中導(dǎo)洞工法施工工序及施工方法如圖1~圖7所示,區(qū)間正線隧道(上下行線)局部斷面CRD工法施工工序及施工方法如2.1.2節(jié)所述,中導(dǎo)洞及出入場(chǎng)線局部斷面上下導(dǎo)坑法屬常規(guī)施工,不再贅述。
2.2.1雙側(cè)壁導(dǎo)坑+中導(dǎo)洞法施工工序及施工方法
(1)第一步:采用"CRD工法"錯(cuò)開步距分別施做四聯(lián)拱隧道兩側(cè)區(qū)間正線(上下行線)側(cè)導(dǎo)洞,同時(shí)施做型鋼+掛網(wǎng)+錨噴初期支護(hù),施工前先進(jìn)行拱部?42小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)(圖1)。
圖1第一步開挖示意
(2)第二步:利用上下導(dǎo)洞法(或臺(tái)階法)施做中導(dǎo)坑,同時(shí)施做型鋼+掛網(wǎng)+錨噴初期支護(hù),施工前先進(jìn)行拱部?42小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)(圖2)。
圖2第二步開挖示意
(3)第三步:在上述開挖完成的3個(gè)導(dǎo)坑內(nèi)施做二次襯砌,施工順序?yàn)椋轰亽旆浪畬?mdash;細(xì)石混凝土保護(hù)層—二次襯砌鋼筋施工—二次襯砌混凝土施工,中導(dǎo)洞二次襯砌施工完畢后在其拱部回填C20混凝土(圖3)。
圖3第三步開挖示意
(4)第四步:在完成上述二次襯砌作業(yè)后,開始開挖介于上述3個(gè)導(dǎo)坑之間的尚未開挖的左右兩部分土體。總體上采用從上到下的步序,首先開挖左上、右上兩個(gè)導(dǎo)坑,同時(shí)施做型鋼+掛網(wǎng)+錨噴初期支護(hù),施工前先進(jìn)行拱部?42小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)(圖4)。
圖4第四步開挖示意
(5)第五步:依次拆除左右兩部分上導(dǎo)坑的型鋼支撐,施做拱部二次襯砌混凝土,施工順序?yàn)椋轰亽旆浪畬?mdash;二次襯砌鋼筋施工—二次襯砌混凝土施工(圖5)。
圖5第五步開挖示意
(6)第六步:待左右兩部分上導(dǎo)坑拱部二次襯砌混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后,開挖最后剩余的左右兩部分下導(dǎo)坑土體,同時(shí)施做型鋼+掛網(wǎng)+錨噴初期支護(hù)(圖6)。
圖6第六步開挖示意
(7)第七步:依次拆除左右兩部分下導(dǎo)坑的型鋼支撐,施做仰拱二次襯砌混凝土,施工順序?yàn)椋轰佋O(shè)防水層—細(xì)石混凝土保護(hù)層—仰拱二次襯砌鋼筋施工—仰拱二次襯砌混凝土施工。至此所有四聯(lián)拱結(jié)構(gòu)的仰拱、頂拱、邊墻封閉成整體,之后及時(shí)對(duì)四聯(lián)拱隧道二次襯砌背后進(jìn)行回填灌漿,最后施做仰拱隧底回填,整個(gè)四聯(lián)拱隧道結(jié)構(gòu)施工完畢(圖7)。
圖7第七步開挖示意

2.2.2區(qū)間正線局部斷面CRD工法施工工序及施工方法

(1)第一步:區(qū)間正線右上斷面拱部超前支護(hù);開挖右上斷面,施做初期支護(hù)及臨時(shí)支撐。

(2)第二步:區(qū)間正線右下斷面開挖并施做初期支護(hù)和臨時(shí)支撐。

(3)第三步:區(qū)間正線左上斷面超前支護(hù),開挖后施做初期支護(hù)、臨時(shí)支撐。

(4)第四步:開挖區(qū)間正線左下斷面,施作左下斷面初期支護(hù),并施作臨時(shí)支撐。

(5)第五步:分段拆除臨時(shí)支撐,進(jìn)行隧道仰拱二次襯砌及隧底回填層施工。

(6)第六步:分段施作隧道拱墻二次襯砌混凝土。
3、四聯(lián)拱隧道(區(qū)間正線CRD法斷面)襯砌施工
3.1仰拱施工
(1)CRD豎撐破除
為保證安全,豎撐破除切割高度為仰拱回填頂面10cm,仰拱每循環(huán)施工長(zhǎng)度為6m,采取跳段破除。在工字鋼豎撐破除切割、工字鋼墊板加設(shè)前做好監(jiān)控量測(cè),當(dāng)變形速率超警戒值時(shí)立即恢復(fù)破除的鋼支撐,在穩(wěn)定后再采用隔榀破除方式進(jìn)行施工。鋼支撐破除時(shí)采用風(fēng)鎬破除,嚴(yán)禁破碎錘施工(圖8)。
圖8 CRD豎撐破除
(2)仰拱防水層施工
在仰拱基面處理合格后進(jìn)行仰拱防水層施工,為確保中導(dǎo)洞側(cè)防水的搭接,利用5cm厚苯板對(duì)防水層進(jìn)行保護(hù),在中導(dǎo)洞仰拱施工時(shí)去除苯板,實(shí)現(xiàn)防水層順接。
(3)仰拱鋼筋施工
為確保中導(dǎo)洞仰拱鋼筋與CRD仰拱鋼筋的整體連接,且鋼筋接頭滿足規(guī)范要求,在中導(dǎo)洞側(cè)鋼筋接頭采用直螺紋套筒,并使用5cm厚苯板對(duì)套筒進(jìn)行保護(hù),防止混凝土進(jìn)入套筒內(nèi)而影響下步鋼筋連接。其它部位鋼筋按區(qū)間正洞襯砌鋼筋要求施工。
(4)仰拱混凝土施工
為保證凈空尺寸,仰拱模板外放5cm進(jìn)行加工和支立,按要求做好模板加固,在尺寸報(bào)驗(yàn)合格后進(jìn)行澆筑(圖9)。
圖9仰拱混凝土施工
3.2仰拱回填施工
根據(jù)設(shè)計(jì),軌面以下56cm采用C20混凝土進(jìn)行回填,為便于拱墻襯砌支架搭設(shè),在仰拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa時(shí)進(jìn)行仰拱回填施工,回填混凝土具備強(qiáng)度后在回填頂面加設(shè)工字鋼或鋼板,使豎撐和回填混凝土緊密接觸,確保初期支護(hù)穩(wěn)定(圖10)。
圖10仰拱回填施工
3.3中導(dǎo)洞側(cè)直墻施工
在仰拱回填強(qiáng)度滿足上部作業(yè)要求后破除中導(dǎo)洞側(cè)橫支撐,搭設(shè)腳手架并支立模板,進(jìn)行中導(dǎo)洞側(cè)直墻混凝土施工。
(1)中導(dǎo)洞側(cè)支撐破除其要求同仰拱豎撐破除。
(2)防水、鋼筋施工
在拱部混凝土施工范圍鋪設(shè)防水層,為確保與中導(dǎo)洞防水的搭接,利用兩層5cm厚苯板對(duì)防水層進(jìn)行保護(hù),在中導(dǎo)洞初期支護(hù)破除后去除苯板,實(shí)現(xiàn)與出入場(chǎng)線防水層的順接,同時(shí)防水層隧道外側(cè)防水層伸出模板超過20cm,便于下步拱墻防水層施工時(shí)進(jìn)行搭接(圖11)。
圖11直墻防水層保護(hù)
(3)支架搭設(shè)、模板支立?50滿堂腳手架搭設(shè),橫桿步距h=0.6m,橫距為0.6m,縱距為0.75m,上下均使用頂托;直墻模板采用18mm厚多層板,模板背側(cè)設(shè)10cm×10cm的方木內(nèi)楞(間距0.3m),外側(cè)設(shè)?48雙鋼管外楞(間距60cm),鋼管外楞和支架鋼管連接;內(nèi)外模板采用?14對(duì)拉螺栓固定在鋼管外楞之間(螺桿外套PVC管,便于螺桿的重復(fù)利用,螺桿間距60cm)。
(4)混凝土施工
為確?;炷琳駬v到位,在模板上設(shè)置混凝土輸送口,窗口大小為30cm×30cm,豎向及縱向間距為3m,用HBT60輸送泵從窗口處直接入模澆筑,在窗口處插入振搗器充分振搗,確?;炷翝仓娘枬M(圖12)。
圖12中導(dǎo)洞側(cè)直墻施工
3.4拱墻施工
(1)中隔壁拆除
在中導(dǎo)洞側(cè)直墻混凝土澆筑完成后,利用現(xiàn)有支架搭設(shè)平臺(tái),對(duì)剩余中隔壁支撐進(jìn)行拆除。拱墻襯砌長(zhǎng)度為6m,為便于防水及預(yù)留鋼筋接頭,鋼支撐拆除長(zhǎng)度增加1~2m。
(2)支架、鋼架、模板支立施工步驟見直墻施工。
(3)邊墻及拱部混凝土澆筑
在模板上設(shè)置混凝土輸送口,窗口大小為30cm×30cm,用HBT60輸送泵從窗口處直接入模澆筑,在窗口處插入振搗器充分振搗,確?;炷翝仓娘枬M(圖13)。
圖13拱墻混凝土施工
4、四聯(lián)拱隧道(中導(dǎo)洞斷面)襯砌混凝土施工
4.1中導(dǎo)洞仰拱施工
(1)防水層、防水保護(hù)層、仰拱鋼筋施工具體施工步驟見CRD斷面仰拱施工。
(2)仰拱混凝土施工
在防水保護(hù)層、仰拱鋼筋施工完成后進(jìn)行中導(dǎo)洞仰拱混凝土施工,中導(dǎo)洞仰拱每循環(huán)施工長(zhǎng)度為20~30m(圖14)。
圖14中導(dǎo)洞仰拱施工
4.2中隔壁施工

(1)橫撐拆除

在仰拱模板拆除后跳段拆除中導(dǎo)洞橫撐,每次拆除長(zhǎng)度為7~8m。

(2)支架支立

施工步驟見中導(dǎo)洞側(cè)直墻部分。

(3)拱部防水鋪設(shè)

為確保與中導(dǎo)洞防水與出入場(chǎng)線防水的搭接,利用兩層5cm厚苯板對(duì)防水層進(jìn)行保護(hù),在中導(dǎo)洞初期支護(hù)破除后去除苯板,實(shí)現(xiàn)與出入場(chǎng)線防水層的順接。

(4)鋼筋綁扎

具體步驟見中導(dǎo)洞側(cè)直墻施工。

(5)模板安裝

直墻模板采用18mm厚多層板,模板背側(cè)設(shè)10cm×10cm的方木內(nèi)楞(間距0.3m),外側(cè)設(shè)?48雙鋼管外楞(間距60cm),鋼管外楞和支架鋼管連接;內(nèi)外模板采用?14對(duì)拉螺栓固定在鋼管外楞之間(螺桿外套PVC管,便于螺桿的重復(fù)利用,螺桿間距60cm)?;⌒文0宀捎眉庸さ亩ㄐ弯撃0?。

(6)混凝土施工

在模板上設(shè)置混凝土輸送口,間距3m,窗口大小為30cm×30cm,混凝土直接從窗口處灌入模內(nèi),并從窗口處進(jìn)行振搗(圖15)。
圖15中隔壁施工
5、四聯(lián)拱隧道(出入場(chǎng)線斷面)襯砌混凝土施工
5.1拱部混凝土施工

(1)上導(dǎo)洞初期支護(hù)破除

上導(dǎo)洞橫支撐作為拱部襯砌支架基礎(chǔ),因此從橫支撐以上1.5m開始向上進(jìn)行支撐破除,破除采用人工風(fēng)鎬施工,跳段破除,每段長(zhǎng)度為7~7.5m。
(2)支架支立
具體步驟見中導(dǎo)洞施工部分。

(3)拱部防水層施工

具體步驟見中導(dǎo)洞施工部分。

(4)鋼筋施工

具體步驟見中導(dǎo)洞施工部分。

(5)支架、鋼架、模板支立

具體步驟見中導(dǎo)洞施工部分。

(6)混凝土澆筑

在拱頂每隔3m設(shè)置一個(gè)混凝土泵送孔,確保拱頂混凝土的飽滿密實(shí)(圖16)。
圖16出入場(chǎng)線拱部混凝土施工
5.2仰拱混凝土施工
在拱部襯砌施工完成后,拆除出入場(chǎng)線剩余初期支護(hù)進(jìn)行仰拱襯砌施工。仰拱每次施工長(zhǎng)度以30m左右為宜。
5.3仰拱回填施工
仰拱施工完成后進(jìn)行仰拱回填施工(圖17)。
圖17出入場(chǎng)線仰拱及回填施工
6、四聯(lián)拱隧道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)
為了掌握圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),分析區(qū)域性施工特征,及時(shí)發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定因素,驗(yàn)證設(shè)計(jì)并指導(dǎo)施工,必須加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)主要為地表沉降、拱頂下沉以及洞身收斂,其次為結(jié)構(gòu)及圍巖應(yīng)力的測(cè)量。由于四聯(lián)拱隧道施工共進(jìn)行17次分步開挖,對(duì)土體產(chǎn)生多次擾動(dòng)和累計(jì)沉降,因此地表沉降量的監(jiān)測(cè)和控制是控制施工安全的最核心內(nèi)容和最關(guān)鍵的重要措施。因篇幅所限,僅對(duì)地表沉降過程和結(jié)果作簡(jiǎn)要敘述。
地表沉降觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)按照規(guī)范要求,縱向布設(shè)間距5m,位置在拱頂?shù)恼戏健T诖硇缘囟尾荚O(shè)橫斷面,斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距2~5m,由隧道中線向外側(cè)距離逐漸增大,四連拱隧道拱頂及兩拱結(jié)合處均應(yīng)布設(shè),按此原則每一監(jiān)測(cè)斷面布置17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)及隧道結(jié)構(gòu)都具有對(duì)稱性,故選取左半部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)最終統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可知:
(1)四連拱隧道斷面地表沉降最大點(diǎn)位于下行線正上方的地表測(cè)點(diǎn)S6,其最大沉降量為23.6mm;其次為左導(dǎo)洞上方地表測(cè)點(diǎn),其最大沉降量為17.8mm,中導(dǎo)洞對(duì)應(yīng)地表沉降相對(duì)較小,為14.8mm。在隧道開挖20d時(shí),距掌子面約3D處沉降量約占總沉降量的80%~90%,20d以后變化趨于穩(wěn)定。
(2)在上下行線開挖過程引起的地表沉降的相互作用及其影響方面,對(duì)地表沉降點(diǎn)S6影響最大的為上行線的開挖,其次為中導(dǎo)洞的開挖。上行線開挖時(shí)下行線地表沉降還未穩(wěn)定,而中導(dǎo)洞及左右導(dǎo)洞施工時(shí),S6測(cè)點(diǎn)沉降趨勢(shì)已趨于平緩。
(3)及時(shí)施作二次襯砌對(duì)控制地表沉降具有明顯作用。圖18顯示在6月3日施作二次襯砌后S5、S6、S7測(cè)點(diǎn)沉降曲線明顯變緩。
圖18地表沉降測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的累積沉降曲線
7、四聯(lián)拱隧道施工控制要點(diǎn)
(1)嚴(yán)格控制支撐拆除長(zhǎng)度,仰拱防水施工完成后立即對(duì)所切割豎撐隔榀回?fù)?,支撐拆除、切割前后必須進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超警戒值或突變時(shí),對(duì)全部切割的豎撐進(jìn)行回?fù)危瑫r(shí)確?;?fù)钨|(zhì)量,使回?fù)魏蟮呢Q撐真正受力。
(2)在區(qū)間正線襯砌、中隔墻襯砌及出入場(chǎng)線仰拱及拱墻襯砌施工時(shí),施工縫設(shè)置在同一里程,確保防水成環(huán)而發(fā)揮作用。
(3)做好防水層、鋼筋直螺紋套筒的保護(hù),確保下步襯砌施工時(shí)能夠很好連接。
(4)腳手架、鋼模支撐鋼架按方案支立、加固,防止混凝土施工時(shí)因變形而影響凈空尺寸。
(5)為確保襯砌內(nèi)實(shí)外美,必須利用設(shè)置的工作窗進(jìn)行振搗,拱部可設(shè)置小功率的附著式振動(dòng)器進(jìn)行振搗。
(6)采取跳段襯砌時(shí),為提前進(jìn)行出入場(chǎng)線開挖,及時(shí)對(duì)跳段預(yù)留襯砌進(jìn)行補(bǔ)充。
8、結(jié)語(yǔ)
連拱隧道在公路、鐵路、地鐵隧道中已有較多的應(yīng)用,目前,雙連拱和三連拱施工有大量工程實(shí)例可以借鑒,同時(shí)施工技術(shù)基本成型。而對(duì)埋深淺、地質(zhì)條件差、斷面尺寸更大的四聯(lián)拱隧道,在地鐵隧道中的應(yīng)用并不多見,采用何種工法和工序進(jìn)行施工才能確保施工安全,同時(shí)滿足施工質(zhì)量和工期的需要為本工程施工研究的重點(diǎn)。
在理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐基礎(chǔ)上研發(fā)的“淺埋軟塑粘土地層四聯(lián)拱地鐵隧道施工工法”,其受力條件好,安全性較高,施工工序少,施工效率高,施工周期短,且施工對(duì)圍巖及已成結(jié)構(gòu)擾動(dòng)次數(shù)少,隧道建成后結(jié)構(gòu)整體性好。四聯(lián)拱段采用“雙側(cè)壁導(dǎo)坑+中導(dǎo)洞法”施工,沉降變形控制在允許范圍之內(nèi),確保了周邊構(gòu)筑物安全,避免了管線變形滲漏、路面沉陷及隧道坍塌,保證了施工質(zhì)量及工期,社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益明顯,不但填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)此類工程的技術(shù)空白,實(shí)現(xiàn)了軟塑粘土第一跨隧道(27.557m)的安全、快速施工,更對(duì)今后其它類似工程的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。