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1、地铁单洞双层重叠隧道合理施工方法研究铁道建筑RailwayEngineeringMay,2020文章编号:100321995(2020)0520048204地铁单洞双层重叠隧道合理施工方法研究吴健强(中铁十五局集团第四工程有限公司,郑州450052)摘要:深圳地铁一期工程老街大剧院区间东段构造为单洞双层隧道构造,施工方法采用上下四台阶法开挖以及二衬紧跟,通过有限元数值模拟分析,验证了施工方法的合理性,供类似工程参考。关键词:单洞双层重叠隧道数值模拟中图分类号:U45514文献标识码:B收稿日期:2020212221;修回日期:2020202220作者简介:吴健强(1977),男,安徽歙县人,工
2、程师,工程硕士。1工程大概情况深圳地铁一期工程老街大剧院区间东段(SK2+00117SK2+26010)隧道位于解放路地下,地处罗湖区中心地带东门老街附近,两侧高楼林立,隧道上方地下管线密集。受周围线位限制,为避免大量的桩基托换工作,构造采用单洞双层隧道构造,即上下洞合在一起单洞开挖,中间施作中隔板行车,隧道开挖断面高1312m,宽618m,高跨比1194,属细长型高边墙隧道。隧道埋深1214m,洞顶水头高l0m左右,且隧道洞顶23m以上覆盖饱水砂层,是一项富水浅埋、高边墙受力复杂、周边环境控制要求高、技术难度大、施工风险高的施工项目。由于单洞双层重叠构造的施工之前没有先例可借鉴,为确保施工的
3、安全性、科学性和合理性,本文对拟确定的施工方法建立计算模型进行数值模拟分析。2总体施工方法根据工程的详细情况,采用台阶法开挖。从维护地层和周边环境的角度,逆作法相对有利,考虑到该区段高楼林立,在围岩软弱且邻近、穿越桩基的不利条件下,为使环境损害最小,施工经过采用二衬紧跟法施工,进而尽快使断面闭合。为防止二衬整体下沉和连接不良的问题,采用大拱脚和锁脚锚杆。根据单洞双层隧道的地质情况和受力构造,开挖前施行地表旋喷注浆加固,加固范围是拱顶以外46m。在开挖经过中针对高边墙的特点,利用临时支撑将高边墙构造分为若干小单元,加强初期支护的稳定性,约束侧向变形、严格控制沉降,避免坍方。单洞双层重叠隧道主要施
4、工方法和顺序见图1所示。图例:、开挖、辅助施工支护及衬砌图1施工方法和顺序示意图隧道分为四个台阶自上而下分层进行,在软弱围岩地段根据监测结果,I18型钢架及时用C20网喷钢筋混凝土构成三道水平临时横隔板,分四部台阶法开挖,衬砌施工自下而上分三步进行,第一步先施工仰拱及回填,第二步施工下洞边墙及中隔板,第三步施工上洞衬砌。3施工方法数值模拟311计算域及边界条件模型采用MIDAS2GTS二维模型,计算假定为平面应变问题,采用地层构造形式的弹塑性有限元计算模型,屈从准则采用Drucker2Prager屈从准则来模拟该84地铁的施工经过。两侧边界至隧道中心线距离为80m,底部边界至隧道距离为60m,
5、隧道埋深按14m考虑。侧面边界为水平约束,底面边界为竖向约束。模型上部边界为自由边界。初期支护和临时支护采用梁单元,二次衬砌以及围岩采用平面实体单元。整个计算模型共有2874个单元。应力释放60%时施作每一施工部的初期支护,模型网格详细见图2。图2计算模型312物理力学指标隧道所处围岩基本为粉质黏土层和全风化、强风化花岗岩层。在、级围岩中开挖前都施作了预支护,锚杆加固圈范围为4m,锚杆加固圈参数比对应的围岩参数提高20%。材料参数根据设计文件提供,经各断面处土层加权平均得到,详细见表1。表1材料参数表围岩级别变形模量EMPa密度(kgm3)泊松比黏聚力CkPa内摩擦角图6施工结束后地层的最大主
6、应力云图图7施工结束后地层的最小主应力云图图8施工全部结束后支护弯矩图(单位:N?m)图9施工全部结束后支护轴力图(单位:N)度为115210m,超前小导管预支护,各台阶长度控制在115210m,在实际开挖施工中,将根据开挖后得到的实际水文地质情况及施工监测信息,适时调整并优化各台阶长度,第一、二、三台阶采用人工配备风镐进行开挖,采用人力架子车运渣,第四台阶采用小型反铲挖掘机配合人工进行开挖,采用机动小翻斗车运渣。图10施工结束后衬砌最大主应力云图图11施工结束后衬砌最小主应力云图隧道开挖遇中风化岩层尽量采用人工开挖,必要时采用微振控制爆破技术进行开挖。施工中要充分利用围岩的自稳时间,快速开挖
7、、快速封闭,确保隧道安全。掌子面开挖后,及时进行掌子面和初支面初喷混凝土和排水,避免岩面风化、潮解而降低强度。初支构造需及时封闭,根据监控量测情况必要时设立临时仰拱控制变形发展。暗挖隧道在与明挖连接段设竖井,竖井内设置提升系统。竖井提升系统采用桁吊配合吊斗,在施工竖井时架设一个固定式桁吊,配备两个100kN电动葫芦提升吊斗转载出渣及材料运输。412临时横撑支护为确保重叠隧道开挖及初支阶段侧墙的稳定,暗挖隧道上下台阶间共设置三道横向支撑,支撑采用I18工字钢,第一道为每榀格栅钢架均设置横向支撑,并喷20cm厚C20混凝土,可起到临时横向支撑及临时仰拱作用,第二、三道均为隔榀钢架设置,仅起临时支撑
8、作用,每道支撑处设纵向槽钢梁,每道支撑均采用螺栓与钢架上垫钢板连接,采用螺栓将纵向槽钢梁与上下两单元钢架拱脚角钢进行连接,以保证下台阶施工时初支受力良好,避免初支处于悬空状态下沉过大。根据监控量测变形情况,必要时考虑加大横撑尺寸或加密横撑,喷混凝土封闭等,以便能及时构成初支的闭合系统,控制初支下沉变形。413衬砌单洞双层隧道二衬仰拱的施工高度基本与轨面高05铁道建筑May,2020度平齐,二衬仰拱以l520m为一个施工段,先对初支仰拱下进行注浆,紧接着施作防水砂浆找平层和铺设防水板,然后进行二衬仰拱钢筋的绑扎,最后立模浇筑混凝土。隧道下洞衬砌为中隔板及下面部分,衬砌采用特制可伸缩大模板台车,因
9、下洞衬砌在高度上是渐变的,将中隔板和下洞边墙整体浇筑,一次浇筑长度为9m,钢筋绑扎及混凝土浇筑时应注意各转角处的质量控制,尤其是混凝土的密实度。隧道上洞衬砌为中隔板以上部分,是一个标准的拱形衬砌断面,施工与普通隧道衬砌相类似,采用液压钢模台车,泵送混凝土灌注,防水板铺设及钢筋绑扎需加工两个简易台车。414施工经过监控测量拱顶沉降监测的作用是判定围岩稳定性及进行位移反分析,为二次衬砌的施工提供根据,同时也是对收敛监测结果计算各点位移绝对量的验证。拱顶下沉监测在开挖初支过后12h内埋设测点并测得初始值,采用拓普康DL2101C数字水准仪监测。监测表明:洞身在中风化层和微风化层中开挖二台阶时下沉速率
10、为015018mmd,二台阶开挖封闭之后下沉速率趋渐减小,35d后基本稳定,在开挖三、四台阶时对拱顶下沉没有什么影响。洞身在砾质性黏土及砂层中开挖二台阶时下沉速率为12mmd,二台阶开挖封闭之后下沉速率趋渐减小,57d后基本稳定,在开挖三、四台阶时下沉速率为015110mmd,三、四台阶开挖封闭之后下沉速率趋渐减小,46d后基本稳定。洞内水平收敛其作用是监控围岩的稳定性,保证施工安全并为二次衬砌的构造、施设时间提供根据,进行位移分析为修改设计参数、优化构造和施工工艺提供根据,这项测试是最直观、最有效的监测项目,由于是单洞双层重叠高边墙隧道,在同一个断面布设三道测点,每10m为一个断面进行收敛监
11、测。通过监测发现SK2+010SK2+035段洞身在砾质性黏土及砂层中开挖时收敛速率较大,开挖封闭之后收敛速率略微减小些,但仍然不稳定。为了保证施工安全,施工当中采取了相应的措施,多加设一道钢支撑及施作临时仰拱,并加强监测频率,及时将监测信息反应到施工现场,有效地控制了围岩变形。415防止边墙侧移、拱顶下沉的方法及技术措施施工中须加强对开挖引起的边墙侧移和拱顶下沉的控制,以保证隧道施工安全和既有建筑物及地下管线的安全,防止边墙侧移、拱顶下沉的施工方法和技术措施为:1)采取洞内小管棚和小导管超前注浆加固等措施,改善围岩力学参数,减少工作面地层失水引起的压缩变形,提高围岩自承能力,并对裂隙发育段全
12、环进行注浆加固,防止地下水流失及掌子面失稳,初支成环后及时对拱部初支背后注浆加固,必要时对更深层围岩注浆。2)施工时尽可能采用人工短台阶法开挖,及时采取I18工字钢架横撑进行临时支护,尽快施作仰拱封闭成环,减少对围岩和地层的扰动,保证支护系统及时发挥作用。3)加强现场监控量测工作,并及时反应到设计和施工中去,据此确定相应的支护参数和施工措施。在加强初支后围岩仍不能趋于稳定,或地表下沉较大时,则提早施作二次衬砌。4)加强上半断面支护强度。对于软弱地层,往往由于上半断面支护构造强度不够,或拱脚处承载力不够,产生过大变位引起隧道上方土体产生二次沉降,因而往往采取措施加固。视地层情况,可依次选择:拱脚
13、设锁脚注浆锚管;纵向槽钢托梁;上半断面增设临时仰拱,及时进行初支背后充填注浆等。5结语1)单洞双层重叠隧道分台阶施工,一台阶施工极为关键,即通俗所言“戴帽工序,但在富水、软弱围岩中注浆是“戴帽成功的关键。2)根据围岩监测结果及时增加支撑和设置临时仰拱封闭成环,对控制软弱围岩的高边墙隧道侧向变形、地面沉降和施工安全起到非常好的作用。3)单洞双层重叠隧道施工在国内基本没有现成经历可参考,通过本工程的实践,在控制高边墙收敛时多采取主动约束,比方增加系统锚杆、管和锚索,减少被动约束,如临时仰拱,否则一旦被动约束撤消,将造成收敛突变,严重影响初支构造,甚至导致构造失稳。参考文献1潘亮堂.深圳地铁城区单洞双层重叠隧道施工技术J.铁道工程学报,2004(2):21225.2孙钧.地下构造有限元法分析M.上海:同济大学出版社,1988.3关宝树,郭兆林.隧道及地下工程M.成都:西南交通大学出版社,2002.4陈伟庚,覃应华.深圳地铁一期工程广深铁路桩基托换施工监测方案与实践J.铁道建筑,2007(1):40243.(责任审编王红)152020年第5期地铁单洞双层重叠隧道合理施工方法研究