地鐵隧道施工中超前支護控制技術(shù)探討

齊 浩

(中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 概 述

地鐵隧道常修建在城市中心區(qū)，而這些地區(qū)常有較密集的結(jié)構(gòu)物分布[1]。因隧道埋深通常較淺，地層在隧道開挖過程中會隨之發(fā)生變形，且該種變形會傳遞到上部結(jié)構(gòu)物，從而導致其發(fā)生破壞。因此，在隧道施工時如何確保上部結(jié)構(gòu)物的安全是重難點所在。

2 工程概況

本研究區(qū)間為八號線王家墳—蘇王村區(qū)間華清路以北區(qū)間段，線路自幸福林帶引出，沿規(guī)劃幸福路北延段向北敷設(shè)，沿線下穿f3地裂縫、萬壽鐵路小區(qū)、隴海鐵路、西安高架快速干道、f2地裂縫、蘇王小區(qū)后，到達蘇王村站。

區(qū)間右線線路設(shè)置3組平面曲線線路，曲線半徑依次為500m、700m、1500m，區(qū)間左線線路設(shè)置2組平面曲線線路，曲線半徑依次為500m、1500m；區(qū)間縱坡采用V形坡，最大坡度13.0‰。區(qū)間線間距16.2～47.9m，隧道結(jié)構(gòu)覆土厚度約12.0～19.0m。

區(qū)間設(shè)置1處聯(lián)絡(luò)通道，中心里程為YCK21+180(ZCK21+173.193)；1處聯(lián)絡(luò)通道兼泵房，中心里程為YCK21+835(ZCK21+826.175)；1座區(qū)間風井兼盾構(gòu)吊出井/暗挖工作井/聯(lián)絡(luò)通道，中心里程為YCK21+495(ZCK21+486.683)；1座施工豎井橫通道兼聯(lián)絡(luò)通道，中心里程為YCK22+380.525(ZCK 378.842)。

華清路—蘇王村站區(qū)間沿線周邊環(huán)境比較復雜，區(qū)間下穿側(cè)穿結(jié)構(gòu)物較多，其中萬壽鐵路小區(qū)與區(qū)間結(jié)構(gòu)垂直凈距為14.89m，隴海鐵路與區(qū)間結(jié)構(gòu)垂直凈距為15.47m，高架快速干道樁基與區(qū)間結(jié)構(gòu)水平凈距為2.43m，蘇王小區(qū)與區(qū)間結(jié)構(gòu)垂直凈距為15.98m。

華清路上方管線較密集，主干管道埋深較大，該段隧道采用礦山法施工，對上方管線影響較大，主要管線為DN1800鋼筋混凝土污水管、DN1000鋼筋混凝土污水管及DN1600鋼筋混凝土污水管，與暗挖區(qū)間最小結(jié)構(gòu)垂直凈距分別為1.85m、3.8m及4.0m。

3 隧道開挖時對上部結(jié)構(gòu)物的影響

3.1 地表均勻沉降損害

地表均勻沉降會導致上部結(jié)構(gòu)物整體出現(xiàn)沉降。對于結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性而言，一定程度內(nèi)的整體變形影響較小。但若有較大的變形或在出現(xiàn)持續(xù)性降雨時，將會出現(xiàn)積水等現(xiàn)象而對構(gòu)造物的強度造成影響(見圖1)。

圖1 地表整體沉降損害示意圖

3.2 地表傾斜損害

地層的不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)物的拉應(yīng)力影響較大，容易導致其出現(xiàn)裂縫等病害。如地表的不均勻沉降會導致柱體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)彎曲，使其出現(xiàn)一側(cè)受拉一側(cè)受壓的狀態(tài)[2]。通常，結(jié)構(gòu)物的抗變形能力與其剛度成正比，結(jié)構(gòu)物極少有局部開裂的情況，即在不均勻沉降的影響下，常有傾斜變形出現(xiàn)，在較大的傾斜變形下，構(gòu)造物的正常使用將會受到影響，甚至會出現(xiàn)整體失穩(wěn)的情況(見圖2)。

圖2 地表傾斜對建筑物損害示意圖

3.3 地表曲率損害

開挖隧道時，常常會導致上部結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生曲面沉降，形成一定的曲率。當沉降中心發(fā)生在結(jié)構(gòu)物底下時，將會使地層與結(jié)構(gòu)物中心出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，并且在重力以及負曲率的影響下，導致上部結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)水平以及八字裂縫[3]。當沉降發(fā)生在建筑物邊緣時，將會導致地層與結(jié)構(gòu)物兩側(cè)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，而結(jié)構(gòu)物在正曲率的影響下，同樣會有八字裂縫出現(xiàn)(見圖3)。

圖3 地表曲率損害示意圖

3.4 地表水平變形損害

開挖隧道時容易有拉伸或壓縮的水平變形在地表出現(xiàn)。地表的拉伸變形容易導致結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)裂縫，地表的壓縮變形則會導致結(jié)構(gòu)物的隆起等(見圖4)。

圖4 地表水平拉伸損害示意圖

基于上述分析可知，在隧道開挖時應(yīng)對地表以及上部結(jié)構(gòu)物的沉降進行控制。結(jié)合該項目實際情況，制定如下施工方案，已對其進行施工控制。

4 沉降控制措施

4.1 施工方案

4.1.1 降水施工

對于地下水位位于隧道底板以上的暗挖隧道，首先進行管井降水，降低地下水水位到拱底1m以下。其次在開挖隧道之前，應(yīng)將一排降水井設(shè)置在開挖輪廓外側(cè)，縱向間距20m左右，左、右線交錯布置，降水井的深度為隧道結(jié)構(gòu)底板以下10m，降水井應(yīng)在開挖前一個月開始降水，保證洞內(nèi)處于無水狀態(tài)。

4.1.2 開挖

開挖隧道應(yīng)以機械為主、人工為輔的方式進行開挖。以環(huán)形臺階核心土法開挖聯(lián)絡(luò)線A、B、C型斷面，以CRD法開挖過街通道A型斷面。

4.1.3 出渣

以人工輔助機械的方式進行洞內(nèi)的水平出渣，將土方運輸至提升架下方；垂直出渣利用抓斗橋式起重機將土方提升至地面，存放于臨時堆土場地，再利用自卸車統(tǒng)一運輸至規(guī)劃好的棄土場。

4.1.4 超前支護

超前大管棚注漿等是超前支護的主要型式。在隧道開挖前施工，確保隧道開挖后一段時間內(nèi)穩(wěn)定。以6mm厚度和12m長的φ108熱軋無縫鋼管作為管棚材料，超前大管棚的設(shè)置應(yīng)以500mm的環(huán)向間距在拱部150°范圍內(nèi)進行設(shè)置，仰角1°左右。對管棚打設(shè)精度進行嚴格控制。以3.5mm壁厚、3m長度的φ42熱軋無縫鋼管作為超前小導管的材料，在拱頂150°范圍以1500mm的縱向間距進行設(shè)置。

4.1.5 初期支護

初期支護是隧道的主要承重結(jié)構(gòu)。噴射混凝土，采用濕噴施工[3]；小導管、鋼架、鋼筋網(wǎng)片等材料均在地面加工場地加工完成，利用提升架運輸至隧道內(nèi)進行施工。

4.1.6 二次襯砌

對于段落較長的斷面采用定做的模板臺車，對于段落較短的斷面采用自制的拱架進行澆筑；以商品混凝土泵送澆筑的方式進行施工，混凝土振搗時以附著式和插入式兩種搗固機輔助施工。

4.2 超前支護及加固

4.2.1 超前大管棚

為確保鉆孔質(zhì)量，必須確保鉆機架有著牢固的連接。布設(shè)鉆孔按照由高到低的孔位進行處理[4]。孔口管方向與鉆機平行。鋼管接長時必須使其受力滿足要求，以錯開至少1m的方式進行相鄰鋼管的接頭設(shè)置。同一橫斷面內(nèi)接頭數(shù)目控制在50%內(nèi)(見圖5)。

圖5 超前大管棚施工工藝流程

用間隔跳孔的方式分節(jié)頂進管棚，同時采取絲扣連接鋼管。第一根管棚施工時，如果出現(xiàn)清水，則可將其作為排水孔，施工時需觀測其地表沉降；若鉆孔后有混合水大量流出，須立即停止施工，使用水泥-水玻璃雙液漿進行封堵。

4.2.2 超前小導管

隧道進洞之后，開挖前先施工超前小導管注漿加固前方開挖斷面拱頂土層，必要時采取雙層小導管注漿措施確保土體穩(wěn)定。

在施工軟弱地層的小導管時，可采用風槍直接頂入。若地層較硬時，則可采用風鉆先進行鉆孔施工，再以0.3MPa的注漿壓力將水泥漿注入。實際施工時，注漿材料和壓力等可根據(jù)具體情況具體選擇。

圖6 超前小導管注漿施工工藝流程

4.3 初期支護

應(yīng)在開挖之后就施作初期支護。采取濕噴工藝進行混凝土噴射，盡早封閉掌子面。隧道開挖后，立即初噴，厚度控制在3～5cm，在出渣完畢后再進行聯(lián)合支護。

應(yīng)根據(jù)圍巖的具體情況進行鋼筋網(wǎng)的放樣，宜以5～10cm的范圍適當進行外放，確保有足夠的加工余量。

對鋼筋網(wǎng)進行除銹，采取點焊方式現(xiàn)場焊接成網(wǎng)片，圍巖噴射完混凝土以后進行掛設(shè)，連接鋼筋網(wǎng)和錨桿采取搭接聯(lián)結(jié)方式。

以濕噴法進行施工能夠?qū)Νh(huán)境起到有效的保護作用?；炷羾娚淝埃謇硭蓜拥氖瘔K，設(shè)置標志釘從而控制噴層厚度。混凝土的噴射包括初噴和復噴兩種方式。在完成隧道的開挖后即需開展初噴，以使巖面及時得到封閉，初噴時應(yīng)以3～5cm的厚度為準[5]。在安裝完掛網(wǎng)和鋼筋之后即可進行混凝土的復噴，使聯(lián)合支護體系盡早形成，從而對圍巖變形進行控制。

混凝土噴射時需確保其連續(xù)性，要做到隨拌隨噴；噴射作業(yè)由下到上，采取以分段、分片、分層的方式進行?；炷猎诜謱訃娚鋾r，需要在前一層混凝土終凝后再進行后一層混凝土噴射。如果距離終凝的時間長，則需先對其基面以風水進行清理。混凝土噴射施工時的角度需垂直于受噴面，并按照自下到上的順序進行噴射，以“S”形進行。

5 結(jié) 語

地鐵隧道在開挖時會有小部分超前沉降出現(xiàn)，并且該部分沉降會隨著隧道開挖的進行而不斷增大，從而對隧道安全性造成影響?；谏鲜龇治隹芍?，隧道開挖對上部結(jié)構(gòu)物的影響主要表現(xiàn)在地表及結(jié)構(gòu)物等沉降和結(jié)構(gòu)物的傾斜，因此，為確保其技術(shù)指標滿足要求，在本項目中，主要從超前支護及加固技術(shù)、洞身的開挖以及初期支護等方面進行沉降控制，實踐表明，該種施工控制能夠取得較好的效果，確保了工程質(zhì)量及安全性。