基于施工通道和復(fù)合襯砌的斷面轉(zhuǎn)換施工技術(shù)研究

沈 棟

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 北京 101300)

1 引言

近年來(lái)在地鐵礦山法隧道施工中，斷面轉(zhuǎn)換不斷增加。常規(guī)的小斷面變大斷面施工，經(jīng)常采用挑高漸寬過(guò)渡的方式[1]。但是針對(duì)變化尺寸相對(duì)較大的情況，單獨(dú)依靠過(guò)渡將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，斷面轉(zhuǎn)換的同時(shí)，結(jié)構(gòu)受力也隨之變化，土體擾動(dòng)次數(shù)多，應(yīng)力集中，易發(fā)生初支變形、失穩(wěn)，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)較大[2]。因此對(duì)于小斷面變超大斷面的施工技術(shù)研究，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 工程概況

北京地鐵14號(hào)線金臺(tái)路站-朝陽(yáng)公園站區(qū)間，沿甜水園街敷設(shè)。受施工條件限制，左右線均由小斷面A、B型斷面轉(zhuǎn)換為大斷面。A型斷面寬度為6.48 m，高度為6.72 m；B型斷面寬度為7.2 m，高度為7.47 m，均為正臺(tái)階法，增設(shè)臨時(shí)仰拱施工。大斷面為K型斷面，斷面寬度為14.7 m，高度為12.02 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工[3]。左右線最小凈間距2.51 m，為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)工程，見(jiàn)圖1。

圖1 新建隧道斷面轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)平面布置

新建隧道主要位于卵石⑤層、粉土⑥2層，存在層間潛水(三)、微承壓水(四)，水位位于仰拱部位，采用管井降水施工。

3 工程重難點(diǎn)分析

3.1 工程重點(diǎn)

(1)本工程斷面轉(zhuǎn)化、馬頭門施工頻繁[4]，超前加固效果欠佳，極易發(fā)生坍塌事故，影響主路通行。因此開(kāi)挖過(guò)程中如何防止地層失穩(wěn)坍塌是重點(diǎn)。

(2)左、右線均在此范圍進(jìn)行小斷面進(jìn)大斷面施工，開(kāi)挖土體區(qū)域大。因此細(xì)化節(jié)點(diǎn)連接，控制結(jié)構(gòu)變形，避免對(duì)其他洞室造成影響是重點(diǎn)。

3.2 工程難點(diǎn)

(1)開(kāi)挖區(qū)域內(nèi)主要是粉土⑥2層，此地層降水效果差，施工過(guò)程中帶水作業(yè)將增加難度。因此采用真空降水、深孔注漿等措施處理界面水，防止土體軟化是難點(diǎn)。

(2)馬頭門施工、斷面轉(zhuǎn)換采用合適的方法，實(shí)現(xiàn)小斷面順利過(guò)渡至大斷面是難點(diǎn)。

4 施工方案

4.1 小斷面過(guò)渡技術(shù)

小斷面采用逐榀挑高變寬來(lái)實(shí)現(xiàn)斷面擴(kuò)大，以A型斷面為例，B型類同。漸變過(guò)程屬于風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)，通常重點(diǎn)控制以下細(xì)節(jié)：

(1)增加臺(tái)階長(zhǎng)度和核心土留設(shè)，充分利用土體反壓來(lái)保證掌子面穩(wěn)定。

(2)漸變坡度控制，原則上不超過(guò)30°，還要充分考慮線路既有設(shè)計(jì)坡度的疊加影響。

(3)超前注漿小導(dǎo)管可適當(dāng)抬高角度，確保下榀開(kāi)挖有注漿效果，且不侵入開(kāi)挖輪廓，可適當(dāng)加密小導(dǎo)管布置[5]。

(4)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接，尤其是縱向連接筋存在角度問(wèn)題，與格柵主筋往往存在不密貼無(wú)法有效連接的情況，可采用Z型連接筋。

(5)小斷面過(guò)渡完成后封端，再進(jìn)行小斷面施工。

按照上述措施，將小斷面轉(zhuǎn)換為大斷面雙側(cè)壁導(dǎo)坑的側(cè)面導(dǎo)洞，見(jiàn)圖2。

圖2 小斷面過(guò)渡為雙側(cè)壁導(dǎo)坑單側(cè)導(dǎo)洞

4.2 側(cè)面施工通道加固

在過(guò)渡完成后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑側(cè)面導(dǎo)洞進(jìn)行施工通道施工。由于施工通道高度較大，基本占據(jù)了雙側(cè)壁導(dǎo)坑的單側(cè)導(dǎo)洞，大面積開(kāi)口將破壞原有初支的穩(wěn)定狀態(tài)，必須采取措施進(jìn)行受力轉(zhuǎn)換。

(1)馬頭門土體加固

在施工通道施工前，提前對(duì)馬頭門處背后土體進(jìn)行注漿加固[6]，加固范圍為通道兩側(cè)各3 m。在雙側(cè)壁導(dǎo)坑單側(cè)壁進(jìn)行鉆孔打管注漿。拱部超前小導(dǎo)管向上傾斜打設(shè)，上仰角度10°～45°，間距(300×300)mm；下部導(dǎo)管水平打設(shè)，間距(500×500)mm。采用1.75 m長(zhǎng)φ32 mm小導(dǎo)管梅花形布置，注漿壓力為0.5～0.8 MPa，漿液采用超細(xì)水泥漿[7]。

(2)型鋼門架受力轉(zhuǎn)換

在雙側(cè)壁導(dǎo)坑單側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)搭設(shè)40a工字鋼型鋼門架，門架工字鋼內(nèi)側(cè)與施工通道初支外側(cè)齊平。門架立柱貫穿臨時(shí)仰拱，臨時(shí)仰拱格柵主筋截?cái)嗪笈c工字鋼上預(yù)埋鋼板焊接[8]。鋼柱頂與40a工字鋼橫梁焊接，梁柱節(jié)點(diǎn)處梁上加焊加勁肋板。門架立柱增設(shè)兩根20a工字鋼支撐，確保門架穩(wěn)定，在施工通道馬頭門破除前完成初支受力轉(zhuǎn)換。為加強(qiáng)型鋼門架與區(qū)間初支的整體性，在門架立柱工字鋼兩側(cè)翼緣板上焊接φ20 mm鋼筋并與區(qū)間初支格柵主筋焊接，鋼筋間距500 mm內(nèi)外雙排交錯(cuò)布置，掛設(shè)φ6.5 mm、間距(150×150)mm鋼筋網(wǎng)片，噴射C25混凝土，見(jiàn)圖3。

圖3 施工通道土體加固和型鋼門架布置示意

4.3 施工通道施工

施工通道采用平頂直墻結(jié)構(gòu)形式，平頂設(shè)置預(yù)拱度，施工通道縱向按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑的輪廓軌跡呈臺(tái)階狀設(shè)置，采用鋼格柵施工。但在特定位置采用1榀40a工字鋼橫梁及立柱代替格柵，由此可形成施工通道范圍內(nèi)原中隔壁受力變?yōu)橛晒ぷ咒摿簜鬟f至兩根40a工字鋼立柱上，利用此榀型鋼拱架和馬頭門處型鋼門架替換雙側(cè)壁導(dǎo)坑的兩個(gè)臨時(shí)中隔壁，完成第2次受力轉(zhuǎn)換。同時(shí)考慮到實(shí)際施工，左側(cè)導(dǎo)洞作為運(yùn)輸通道。為避免兩側(cè)土壓力不平衡造成不利影響，對(duì)右側(cè)進(jìn)行土體加固，兼做線間小凈距加固[9]，見(jiàn)圖4。

圖4 施工通道初支結(jié)構(gòu)

4.4 復(fù)合襯砌施工

施工通道上層、中層導(dǎo)洞初支完成后，在其內(nèi)部架設(shè)大斷面雙側(cè)壁導(dǎo)坑的格柵并噴射混凝土，利用施工通道和大斷面的雙層初支形成復(fù)合襯砌。一方面大大增加了初支抵抗土體變形的能力，實(shí)現(xiàn)受力的第3次轉(zhuǎn)換；另一方面完成了小斷面到大斷面的部分轉(zhuǎn)換。

在復(fù)合襯砌施工過(guò)程中，特別注意兩個(gè)細(xì)節(jié)，是設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)把控部位：

(1)施工通道上層、中層導(dǎo)洞臨時(shí)仰拱的設(shè)置位置。上層導(dǎo)洞臨時(shí)仰拱未設(shè)置至端部，預(yù)留一定距離，來(lái)滿足套拱格柵的通過(guò)；中層導(dǎo)洞臨時(shí)仰拱設(shè)置在密貼大斷面臨時(shí)仰拱下方，保證在套拱施工中不必拆除施工通道的任何部位初支，確保了初支穩(wěn)定性，增加了安全系數(shù)。

(2)大斷面上半斷面套拱格柵與原有側(cè)壁初支進(jìn)行有效連接。通過(guò)提前預(yù)埋的鋼板與格柵進(jìn)行焊接，使套拱初支與原有部分初支形成整體封閉。同時(shí)對(duì)空隙部位進(jìn)行素混凝土填充。

上半斷面復(fù)合襯砌封閉成環(huán)后，再進(jìn)行施工通道下層導(dǎo)洞的初支施工，施工通道初支封閉后進(jìn)行大斷面下半斷面套拱架設(shè)并噴射混凝土，并與上部形成有效連接。至此大斷面雙側(cè)壁導(dǎo)坑整體封閉成環(huán)，完成了小斷面變超大斷面的全部斷面轉(zhuǎn)換過(guò)程[10]，見(jiàn)圖5。

圖5 復(fù)合襯砌施工

5 輔助措施

礦山法施工輔助措施是針對(duì)軟弱不良地層提出的，采用不同的輔助方式來(lái)預(yù)加固地層，確保無(wú)塌方、沉降小，是礦山法順利施工的關(guān)鍵，通常有以下措施：

(1)超前小導(dǎo)管注漿配合鋼拱架形成超前支護(hù)，作用是防止開(kāi)挖面頂部的坍塌，抑制圍巖變形，承受縱向“次生拱”壓力。

(2)長(zhǎng)管棚、管幕施工。通過(guò)鋼管及管內(nèi)注漿，周邊地層加固土體與鋼管注漿體在開(kāi)挖輪廓外形成類似“拱殼”的連續(xù)加固體，能很好地抑制圍巖變形，增強(qiáng)土體開(kāi)挖穩(wěn)定性，避免發(fā)生塌方等惡性事故。

(3)界面水處理。針對(duì)拱腳和拱腰處的界面水，首先采用真空降水的措施進(jìn)行抽排，同時(shí)做好上臺(tái)階水的明流引排；加強(qiáng)仰拱處滲水的抽排工作，將界面水的影響降至最低。

(4)線間地層加固。注漿加固從已完初支一側(cè)向另一側(cè)施工，線間加固采用φ42 mm小導(dǎo)管注漿，間距按0.5 m梅花形布置，長(zhǎng)度以設(shè)計(jì)參數(shù)為準(zhǔn)。土體加固指標(biāo)需滿足設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行加固效果檢驗(yàn)。

(5)及時(shí)、反復(fù)、多次背后回填注漿，充填拱部背后由于噴混不密實(shí)及砼收縮產(chǎn)生的縫隙，及時(shí)有效地控制地層的沉降；若有塌方的部位，則根據(jù)坍塌量判斷背后的空洞體積，分多次對(duì)背后進(jìn)行回填注漿，確?？斩茨軌蛴行У靥畛涿軐?shí)[11]。

6 監(jiān)控量測(cè)

(1)監(jiān)測(cè)目的

了解隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊地層的變化情況，及時(shí)反饋洞內(nèi)外位移變化的數(shù)據(jù)，調(diào)整相應(yīng)的施工參數(shù)，確保安全施工；根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析施工引起的地表隆陷，以及地層應(yīng)力重分布、地層變位對(duì)緊鄰建(構(gòu))筑物和市政基礎(chǔ)設(shè)施的影響；通過(guò)監(jiān)控量測(cè)查找施工薄弱環(huán)節(jié)，加強(qiáng)重點(diǎn)管理；通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，收集數(shù)據(jù)，為后續(xù)設(shè)計(jì)、施工提供經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)，完善施工體系[12]。

(2)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括：地表沉降、初支拱頂沉降、初支凈空收斂、地下水位、斷面轉(zhuǎn)換型鋼門架及初支結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化。

(3)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)工作采用人工監(jiān)測(cè)方式，監(jiān)測(cè)范圍為正常監(jiān)測(cè)斷面及變斷面位置，監(jiān)測(cè)剖面見(jiàn)圖6。

(4)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

小斷面變大斷面施工通道和復(fù)合襯砌施工過(guò)程中，隧道結(jié)構(gòu)初支拱頂沉降最大豎向變形為-19 mm，最大水平收斂為15 mm；地表道路最大沉降為-25 mm。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知各項(xiàng)內(nèi)容均滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖6 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置

7 結(jié)論

(1)北京地鐵14號(hào)線金臺(tái)路站-朝陽(yáng)公園站區(qū)間工程目前已施工完畢。實(shí)踐證明基于施工通道和復(fù)合襯砌的斷面轉(zhuǎn)換施工，既滿足了沉降要求，又保證了初支施工的穩(wěn)定性，在小斷面變超大斷面施工中的運(yùn)用是成功的。

(2)整個(gè)施工過(guò)程，2次馬頭門施工、3次受力轉(zhuǎn)換，群洞效應(yīng)影響明顯。利用型鋼門架支撐、土體加固等措施，能夠確保初支的穩(wěn)定性。

(3)平頂直墻施工通道初支結(jié)合套拱形成復(fù)合襯砌完成斷面轉(zhuǎn)換的施工方法，可為類似工程提供借鑒。

(4)真空降水、注漿加固等輔助措施，改善了開(kāi)挖地層條件，是礦山法施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵，值得作為重要分支進(jìn)行深入研究。

(5)礦山法隧道土體開(kāi)挖時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”十八字方針，減小對(duì)圍巖變形的影響。