地下拱箱复合结构隧道明挖顺筑法修建关键技术

周彦军，刘化宽

(1.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450003;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

0 引言

在国内外明挖暗埋隧道工程施工中，普遍采用框架结构形式，其施工技术和工艺均比较成熟，而上拱下箱的大型拱箱复合结构形式的明挖暗埋方法则在国内外明挖隧道设计施工中较少采用。厦门机场路(仙岳路—演武大桥段)JC3合同明挖段在国内属首次采用这种方法，且施工周边环境复杂，施工难度非常大。在以往的相关文献中:文献［1］对城市下穿式矩形框架隧道进行结构模型简化，利用有限元软件ANSYS对隧道进行了结构力学分析，结果表明矩形框架隧道在拐角处受力最不利;文献［2］论述了拱－框架结构体系的形成及该结构的特点，分析了拱与框架间的结合关系，但其主要用于建筑结构，而非隧道结构;文献［3］针对铁路明挖车站宽大深基坑分步开挖及基坑开挖完毕后邻近航站楼桩基础的加载对建筑物的影响，分析了大楼基础的位移场，提出采用旋喷桩咬合形成地下隔离墙对土体进行加固的方案，并验证了该加固方案的有效性，为前期安全评估及制定相应的加固措施提供了参考;文献［4］分析了复杂条件下深大基坑开挖过程中对周边建筑和已有地下洞室的影响以及其支护体系结构体的受力特点;文献［5］论述了大型基坑在软土地区采用放坡开挖是可行的，但其理论计算很不成熟，应关注大型基坑放坡开挖施工时，基坑变形的时间和空间效应;文献［6－7］结合工程中的一些实践经验，对加强露天深孔爆破的组织管理和技术管理进行了归纳总结。另外，模板台车的使用可极大地提高隧道衬砌混凝土施工的质量和机械化程度，文献［8－10］则结合工程实例，就其工程性质的特殊性，采用可调断面滑动式模板台车，介绍了模板台车的结构及其施工工艺，指出其与传统模板台车相比具有的优越性。

以上文献大部分是介绍在复杂城市环境下深大基坑开挖过程中的风险评估和所应用的开挖支护方式等技术措施及不同的模板台车在工程中的使用情况，本文在以上文献研究的基础上，从联拱对称施工、模板台车设计、拱圈混凝土浇筑等方面探讨地下拱箱复合结构隧道施工关键技术。

1 依托工程情况

1.1 工程概况

厦门机场路仙岳立交至演武大桥段是厦门市南北走向的一条重要城市快速干道，全长10.532 km，设计车速80 km/h。第JC3合同段位于厦门岛中部，起讫里程为 YK7+018～KY8+150(右线)、ZK7+ 003.901～ZK8+150(左线)，途经浦南片区、大厝山、梧村山，工程主要下穿莲前西路和军事管理区。本合同段工程主要包括明挖段通道和暗挖隧道2部分，其中明挖段通道设计桩号为YK7+018～+500，全长482 m，主要采用“框架+拱”组合式结构(见图1)。框架行车道(含加宽段)宽11.5～21.5 m，框架净跨13.5～23 m;拱净跨24.7 m，净高6.175 m，矢跨比为1/4，拱圈厚度为70 cm。

图1 典型“框架+拱”组合式结构横断面Fig.1 Cross-section of arch-box structure

1.2 工程地质与水文条件

厦门机场路JC3标明挖段以正长岩为主，正长岩与花岗岩交界面走向大致为北西向，岩脉与花岗岩多为高角度接触。此段岩石风化差异显著，风化面起伏变化复杂、岩体上覆盖土体厚度大，基坑左边坡直立，高度为15.00～28.00 m。

场区地下水位以下残积土和全风化层富含孔隙水和残存裂隙水，结构松散、无胶结、自稳性差、渗透性弱，不利于压浆加固。

2 施工组织顺序方案

2.1 施工步序

地下拱箱复合结构隧道明挖顺筑法施工顺序如图2所示。

2.2 主要施工方案

2.2.1 帽梁和对撑施工

1)设计采用钢筋混凝土帽梁，其断面尺寸为1 500 mm×1 200 mm。

2)直横撑为钢筋混凝土支撑，共计8根，断面尺寸为800 mm×800 mm。

图2 明挖顺筑法施工顺序图Fig.2 Flowchart of cut-and-cover method

3)考虑到洞口段基坑作为后期暗挖段的施工场地，曝露时间比较长，同时为保护基坑左侧的铁塔，在YK7+400～+500暗挖进口基坑的第1道横撑除了原有的帽梁外，另加设6道组合横撑。组合横撑的断面尺寸如图3所示。

图3 组合横撑尺寸图(单位:cm)Fig.3 Dimension of waling(cm)

4)帽梁和对撑施工步序为:帽梁及对撑土方开挖—桩顶混凝土浮浆破除—钢筋绑扎—安设模板—浇注混凝土。帽梁和对撑施工如图4所示。

图4 帽梁和对撑施工图Fig.4 Cap beam and waling

2.2.2 结构施工

主要包括顺筑箱型结构和双联拱形结构施工，所采用的结构形式、模板体系及混凝土施工方法如下:

1)结构形式。箱型框架底板与顶板采用预应力混凝土结构形式，墙体与联拱采用钢筋混凝土结构。

2)模板体系。箱型结构侧墙模板采用胶合板作为面板，方木作为次楞，双钢管作为主楞，碗扣式脚手架作为支撑，板缝用宽胶带进行密封，模板采用拉杆加固体系;箱型结构顶板模板体系采用“碗扣脚手架+底托+顶托+扣件式钢管+方木背楞+木模板”的型式。双联拱形结构模板体系采用模板台车。

3)混凝土浇注。采取分段分层的方法进行浇注。

3 大型拱箱复合结构施工重难点分析及对策

3.1 施工重难点分析

“框架+拱”组合式结构的拱圈设计采用模板台车浇注施工。在施工中存在以下难点:

1)本工程联拱跨度大，需要对称施工，时刻防止偏压。

2)在台车行走过程中，由于隧道在纵向高程不一，有纵向倾斜，超出了原有的调高标准。

3)台车自重很大，要考虑支撑箱体的稳定与安全。

4)在拱圈的大体积混凝土浇注中，要保证混凝土裂缝控制和浇注混凝土质量难度较大［11］。

3.2 施工对策

针对以上施工难点，依据隧道设计断面和其他相关施工和技术要求，研制出了具有3排立柱的复杂大断面和复杂结构的模板台车，且在拱圈大体积混凝土浇注中做到混凝土连续供应和对称浇注。

3.2.1 模板台车设计

台车由模板总成、顶模架体总成、平移机构、门架总成、主从行走机构、丝杠千斤顶、液压系统及电气系统组成。衬砌台车外形控制尺寸依据隧道设计断面和其他的相关施工要求和技术要求确定，模板台车长24.7 m，宽13.5 m。模板台车正视图如图5所示。

图5 模板台车正视图(单位:mm)Fig.5 Front view of formwork trolley(mm)

3.2.2 联拱对称施工

本工程属于联拱隧道，需要2台模板台车对称施工。为防止模板台车和墩座受偏压，在混凝土浇注过程中，左中右同步进行，以保证内侧和外侧的拱脚及拱腰位置受力均衡。联拱隧道模板台车施工如图6所示。

3.2.3 台车纵向行车

因外侧匝道的纵向坡度与主线坡度相差较大(见图7)，故随台车的纵向移动，需要不断地调整支柱的高程。为此，采取了回填土和接长支柱的方式。匝道填土密实度要求达到95%以上，并且台车在匝道内的2纵向立柱底面浇注20 cm厚C20混凝土。

3.2.4 对下层框架结构的保护

在浇注上层的拱圈混凝土时，模板台车的2个支脚支撑于下层的框架结构上。在模板台车和拱圈混凝土自重都很大的情况下，需要保证支撑框架结构的稳定与安全。

对下层框架结构能够承受模板台车集中荷载的安全性进行了检算，并采取在台车轨道对应的框架内利用脚手架设置纵向支撑的措施来加强对框架结构的保护。台车位置及其加固如图8所示。

图8 台车位置及其加固示意图Fig.8 Position of formwork trolley and support of box structure

3.2.5 拱圈混凝土浇筑

为避免混凝土浇注过程中出现施工冷缝，采取分段分层的方法浇注［12］。拱圈混凝土浇注采用左右对称分层浇注，每层50 cm;2台泵车均先从大里程端中隔墙处开始浇注(第1步)，中隔墙拱脚处第1层浇注完成后，同时浇注左、右拱脚处第1层(第2步)，依次类推，左右拱圈必须对称平衡浇注(如图9所示，从①到⑥依次浇注);在浇注拱脚以上6 m范围内，浇注速度控制在24 m3/h内，测量人员要对拱顶模板上隆与沉降变化进行全过程监控，变化量超出拱圈模板预压变化量时应立即停止混凝土的浇注，待分析原因和采取补救措施至变化量稳定后再继续浇注。现场拱圈混凝土浇注如图10所示。

4 结论与讨论

1)运用拱箱复合结构明挖暗埋隧道理念及技术方案，解决了厦门市成功大道梧村山隧道进口段在周边环境复杂、场地狭小条件下隧道与既有道路的立体衔接问题，并解决了深大基坑结构尺度大、施工难度高等技术难题。

2)大跨度拱结构衬砌模板台车在梧村山隧道明挖段跨度为24.7 m、高度为18 m、纵坡为4%的明挖隧道拱结构混凝土衬砌中已成功应用，较通常的万能杆件组合模板衬砌方法大幅提高了衬砌施工的质量和工效。

3)针对基坑周边环境复杂、基坑宽度大、深度大、地层土石交互混合和地形高差大等特点，因地制宜地采用了多种围护结构、止水方法及控制爆破技术，确保了基坑稳定及周边建筑与居民的安全。

4)在拱箱复合结构大体积混凝土施工中，拱圈混凝土浇注采用联拱对称、分层分段的施工方法，有效地避免了施工冷缝，控制了混凝土裂缝。

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