高寒地区地铁区间扩挖改造施工技术探讨

孔锤钢

(中铁城建集团第三工程有限公司，天津 300451)

高寒地区地铁区间扩挖改造施工技术探讨

孔锤钢

(中铁城建集团第三工程有限公司，天津 300451)

哈尔滨地铁一段长859 m的区间线路，利用既有人防隧道单侧扩挖改造。采用荷载—结构分析法研究既有人防隧道结构破除对既有结构内力的影响，考虑冬季施工地层与结构之间的相互作用，进一步应用地层—结构分析法以研究径向注浆效果、跳槽法施工工效。最后详细介绍了既有隧道单侧扩挖改建工艺，可为类似工程提供参考。

高寒地区 隧道扩挖 受力分析

1 工程背景

哈尔滨市冬季气温最低 －32℃，冻土深度2.05 m。每年10月上旬进入冬季施工，次年4月初结束冬季施工。地面受温度升高影响，开始解冻。解冻后土体变软对路面产生变形影响，增大了暗挖施工过程中土体沉降安全风险。

哈尔滨地铁一号线有一段利用既有人防隧道扩建。“7381”既有隧道标准断面为钢筋混凝土结构，净宽7.7 m，净高 6.9 m，顶拱混凝土厚度为 600～800 mm，侧墙及仰拱厚度为1 000～1 200 mm。哈尔滨地铁一号线地铁车型采用标准B型车，既有隧道不满足限界要求，需要对既有“7381”既有隧道进行扩建施工，扩挖区间全长859 m。设计方案在既有结构线位基础上横向偏移400～600 mm，轨顶面下移300～400 mm，需要对既有结构进行单侧及下侧的扩建施工。

两区间工程水文地质条件相差不大，典型地层由地表浅层至深层依次为:可塑性粉质黏土层、中密粉细砂层、可塑性粉质黏土层、密实中粗砂层，扩建地铁隧道穿越可塑性粉质黏土层。地下水位位于既有人防隧道仰拱底板以下，对区间隧道扩建施工影响较小。

2 既有人防隧道衬砌局部破除对结构的影响

采用荷载—结构法研究既有人防隧道结构破除对既有结构内力的影响，主要包括既有结构起破点、结构破除不同厚度、以及临时支撑结构对既有人防结构弯矩、轴力等内力的影响。

2.1 既有人防隧道衬砌局部破除的尺度效应及措施

1)不同衬砌破除尺度对既有结构的影响

既有结构完整时，弯矩图呈对称状态，最大弯矩发生在仰拱处、拱脚处，最大弯矩值为177.6 kN·m。当右侧2 m结构破除时，弯矩图发生了很大变化，首先在弯矩量值上有较大增加，其次在弯矩分布形态方面也变化极大，最大弯矩值由拱脚、仰拱转移至与破除点位较近的左拱肩及右拱脚位置，弯矩值分别为2 480，1 430 kN·m。当右侧衬砌继续破除至4 m时，右侧拱脚最大弯矩消失，最大弯矩位置在左侧拱肩、左侧拱脚，弯矩值为2 560 kN·m。当右侧衬砌继续破除至6 m时，最大弯矩集中发生在左侧拱脚位置，最大值为4 960 kN·m，为结构完整时结构最大弯矩值的 27.8倍，见图1。

2)单侧扩挖施工临时型钢支撑效果分析

通过施加临时竖撑，能够改善既有人防结构衬砌破除时保留衬砌的受力状况。在架设临时型钢支撑后，结构衬砌破除最大弯矩发生在拱腰部位，并且在量值上有了大幅度减小，最大弯矩值为189 kN·m(图2)。本次模拟时由于竖撑的施加，发生应力集中现象，导致竖撑与既有隧道结构接触部位发生了较大的弯矩，与实际工程情况差别较大，在实际工程中会在竖撑与结构接触位置设置缀板，将压力进行扩散。

2.2 既有人防隧道衬砌适宜的首破点位研究

由各种起破点弯矩图可以发现两点:首先，由既有结构侧墙起破引起的结构弯矩增加值小于由仰拱起破引起的结构弯矩增加值。由侧墙起破时，引起的既有结构扩挖侧最大弯矩为305.9 kN·m，发生在扩挖对侧拱脚，扩挖侧拱腰位置的最大弯矩值为408.6 kN·m(图3)。由仰拱部位起破时，引起的既有结构起破对侧拱脚位置弯矩值为3 070 kN·m，远大于在侧墙起破时引起的既有隧道结构内力值(图4)。

图1 既有隧道结构破除施工过程内力(单位:kN·m)

图2 临时竖撑应用效果(单位:kN·m)

图3 侧墙起破(单位:kN·m)

图4 仰拱起破(单位:kN·m)

侧墙衬砌首破点应该选择在扩挖侧拱肩部位，仰拱衬砌首破点应该选择在拱底中部位置，这样进行既有隧道结构破除有利于结构的安全。同时，结合施工筹划报告研究成果，侧墙衬砌破除应先于仰拱衬砌破除。

3 既有人防隧道单侧扩建辅助措施研究

单侧扩挖施工方法为本工程主要采用的既有人防隧道扩挖施工工法。在进行既有衬砌局部破除对结构的影响分析时，主要采用荷载—结构分析法对既有结构适宜的首破点位、破除厚度等进行了研究。为了考虑地层与结构之间的相互作用，进一步应用地层—结构方法以研究侧向注浆效果、跳槽法施工工效等。

3.1 扩挖侧径向注浆应用效果预测

荷载—结构法虽然能反映施工过程中既有人防隧道内力的变化，但是对于扩挖施工中地层的位移变化情况、应力变化情况却不能反映，采用地层—结构分析方法可以达到这一目的。主要针对侧向注浆加固对标准断面先侧、后下法单侧扩挖施工时，既有结构内力以及地表沉降的影响进行分析。单侧扩挖先侧、后下扩挖方案工序(图5)为:①施工竖撑、侧墙破除与扩挖;②施作侧墙衬砌;③仰拱破除与土体扩挖;④施作仰拱衬砌。

图5 标准断面单侧扩挖施工工序

图6 径向注浆对地表沉降槽的影响

通过对扩挖侧土体注浆加固，能够减小地表沉降，但对于最大沉降发生位置影响不大，最大沉降值均发生在既有隧道偏扩挖侧位置。由图6可以看出，未进行侧墙径向注浆加固时侧向扩挖最大地表沉降为13.5 mm，发生在既有结构中线偏右6.2 m位置。注浆加固时侧向扩挖最大地表沉降为10.5 mm，地表沉降减小3 mm，发生在既有结构中线偏右9.3 m位置。未进行侧向注浆时仰拱扩挖完成后最大沉降值为37.6 mm，注浆后扩挖完成最终地表沉降值为29 mm，地表沉降减小8.6 mm，均位于既有结构中线偏右3 m左右位置。由于沉降量值有较大减小，所以地表沉降倾斜也有所减小，未注浆加固时最终地表最大倾斜为1.35‰，注浆加固后最终地表最大倾斜减小为1‰。

3.2 跳槽法扩挖施工对地层位移场的影响

由于二维平面应变模型不能够反映单侧扩挖施工的空间受力状态，为了研究单侧扩挖跳槽法施工对围岩空间受力状态的改变以及对地表沉降的控制作用，利用ANSYS有限元计算软件建立三维模型。模型长度与高度同上节二维模型尺寸，在隧道纵向轴线方向长度为36 m。

主要针对以下施工情况进行数值模拟。模型纵向长度36 m，纵向单元宽度为1.5 m，每一单元代表一施工步。模拟现场进行跳槽法施工时，槽段长度取为11个施工段长度，即槽段长度为16.5 m。考虑区间单侧扩挖施工时，槽段与槽段之间预留3 m宽度的既有结构衬砌作为支撑，减小前、后槽段扩挖施工对地层的扰动，保证既有结构在进行单侧扩挖施工时的安全稳定。模拟步序:①前一槽段径向注浆加固，架设前一槽段竖撑，进行前一槽段侧墙的扩挖施工;②后一槽段径向注浆加固，架设后一槽段竖撑，进行后一槽段(中部预留3 m既有结构衬砌)侧墙扩挖施工;③拆除前一槽段竖撑，进行前一槽段仰拱扩挖施工;④拆除后一槽段竖撑，进行后一槽段(中部预留3 m既有结构衬砌)仰拱扩挖施工。

在进行前一槽段扩挖施工时，引起了扩挖侧侧墙拱角位置较大沉降，最大沉降值为23.5 mm。在扩挖侧侧墙破除与既有结构仰拱位置有一交接平台，此平台发生较大的地表隆起，隆起量为29 mm。但是距离此平台位置较近的既有结构拱底位置却发生了较小的隆起，隆起量为6 mm。在进行后一槽段侧墙扩挖时，发生的位移情况与前一槽段类似。但是由于对土体的扰动范围增大，因此扩挖侧沉降值较施工前一槽段时有少量增加，在扩挖断面与既有结构交接平台处的隆起值却有少量减小。观察中部预留段位置的沉降值可以发现，由于既有结构保持完整，因此此处沉降值较两侧小，既有结构侧墙沉降值不足0.5 mm。

3.3 既有结构单侧扩挖实施效果分析

本项目是利用既有人防隧道施工的改扩建地铁工程，位于西大直街正下方。施工中对既有“7381”人防隧道衬砌进行部分破除、扩挖，衬砌内力变化复杂，以信息化施工为原则，对监测数据进行分析研究。

教铁区间地表沉降实测分析，教铁区间布点较少，沿西大直街布置3排测点，取一测点断面，沉降曲线如图7所示。

图7 教铁区间地表沉降曲线

由图7可知，侧墙扩挖施工完成后地表最大沉降10.6 mm，仰拱扩挖完成后地表最大沉降23.4 mm，增加12.8 mm;待顶拱和侧墙衬砌施工完成后地表最终沉降26.4 mm。明显可知，仰拱扩挖后地表沉降大于侧墙扩挖后地表沉降，仰拱扩挖对地表沉降影响更大。同时发现教铁区间施工完成后地表最终沉降大于教西区间，这主要由于教西区间土层性质优于教铁区间导致的。

4 既有人防隧道扩建施工前期勘察

勘察内容主要包括:①布设洞内导线点。为便于下一步区间隧道改建扩挖施工，此段调查期间，将地铁工程的控制导线网、水准高程引入既有“7381”人防隧道内。②原有隧道断面复测。由于施工图设计之前没有进行复测，无既有“7381”人防隧道的实测数据，新建地铁隧道与原有“7381”人防隧道的平面位置关系不明。因此，在控制测量导线点引入隧道后对既有“7381”人防隧道进行断面复测，确定与新建隧道的相对关系。③人防隧道的各种洞室调查。通过前期对既有“7381”人防隧道的现场踏勘，隧道结构内部存在较多的施工竖井、出入口、猫耳洞等洞室。为保证下一步隧道改建扩挖施工安全，需要对各种洞室的位置、结构形式、尺寸进行探明和详测，勘察完后绘出各种洞室的平面布置示意图，供设计、施工使用。④衬砌表面渗漏水情况调查。由于“7381”人防隧道使用年限较长，加上当时的施工工艺落后，目前隧道衬砌表面存在多处渗漏水现象。需要对标段内“7381”人防隧道衬砌表面的渗漏水位置进行统计，并对渗漏水情况进行描述，对渗漏水水质进行分析，摸清渗漏水来源。

5 既有隧道单侧扩建施工工艺

单侧扩挖法施工工序如图8所示。

图8 单侧扩挖法施工工序

1)超前预支护措施

超前小导管注浆一般用在既有结构的拱顶和施工地质情况不好、局部衬砌渗漏水地段。在扩挖掘进前，沿扩挖侧隧道拱部打入带孔的小导管，小导管 φ=42 mm，l=3.5 m，环向间距 300 mm，纵向间距1 500 mm，并根据土体条件向小导管内注浆。浆液即由导管渗透到地层中，在凿除隧道拱部背侧形成固结体并加固围岩。

2)侧墙破除与扩挖

“7381”既有结构破除采用320挖机配液压锤结合人工风镐破除。破除作业采用跳槽法，单侧扩挖每个槽段宽度为3.0 m。每个槽段采用液压锤破除时，上下边缘各留出约30～40 cm，采用人工风镐修凿，以免影响保留混凝土结构的整体性。“7381”隧道结构凿除后，需要对结构净空范围内的土体进行开挖作业。土方开挖主要采用人工开挖，320挖机配合并装车外运。超挖量控制在10 cm以内，严禁欠挖。“7381”结构凿除及土方开挖过程中，超前预报与监控量测必须紧跟作业面，及时分析反馈，指导安全施工。

3)侧墙初期支护及植筋工艺

初支格栅纵向间距0.75 m，格栅之间设φ22连接筋，连接筋环向间距为0.5 m，沿格栅主筋内外交错布置。格栅安装时，严格控制其内轮廓尺寸，且预留沉降量，将格栅钢架整体外放5 cm，防止侵限。格栅安装好后，用锚管锁脚固定(锁脚锚管采用φ42小导管，长3.5 m，每处设2根锁脚锚管)，防止其发生移位。格栅间用φ22钢筋拉杆纵向连接牢固，环向间距0.5 m，以便形成整体受力结构。钢筋网采用 φ8，@150 mm×150 mm。铺设时与格栅钢架间采用点焊焊接牢固。钢筋网应焊接在靠近岩面一侧，确保整体结构的受力平衡。

格栅需要与既有结构连接。既有结构钢筋为φ16 mm圆钢，原结构凿除后钢筋长度达到250 mm，钢筋无断裂的与格栅主筋焊接，焊接长度10D(D为钢筋的直径)。既有结构无主筋或主筋断裂的，采用植筋，钢筋植入混凝土深度200 mm，外露250 mm，钢筋直径为25 mm。植筋采用专用植筋胶粘合，然后与格栅主筋焊接。

4)临时钢支撑架设

钢支撑采用热轧H型钢HW 400×400，钢材型号采用Q235-B钢。缀板与H型钢连接边通长焊接，焊脚尺寸≥10 mm。钢支撑水平间距1.5 m，与混凝土之间用M24的膨胀螺栓连接，有效锚固深度为150 mm。螺栓加工精度为±0.52 mm。钢支撑垂直度偏差不大于1/500，中心偏差不大于20 mm，钢支撑间距与格栅钢架间距相同。

5)仰拱破除、扩挖及初期支护

“7381”既有隧道侧墙初期支护达到强度要求时，拆除临时钢支撑，采用320挖机配液压锤，结合人工风镐破除仰拱衬砌。采用跳槽法施工，与之前跳槽法破除侧墙时预留的侧墙段相对应，预留仰拱段，保证既有隧道扩挖施工时结构的稳定。

6)隧道防水施工

隧道防水采用全包防水，即一层土工布 +一层ECB防水板，全部采用无钉铺设。仰拱浇筑5 cm细石混凝土保护层。沿隧道纵向施工缝铺设防水板，每隔8.9 m设一道外贴式止水带分区。

7)隧道二次衬砌及背后回填施工

区间单侧扩挖隧道，二次衬砌采取先仰拱后拱墙的施工工序。仰拱混凝土采用定型钢模施工，每段施工长度定为9 m。拱墙混凝土均采用模板台车施工，最后进行壁后回填注浆。

6 结论

1)对既有“7381”隧道结构进行衬砌破除施工，在没有临时竖撑支护的作用下，侧墙破除完成后安全系数为0.08，结构将会发生破坏。通过架设临时型钢竖撑，既有结构右侧衬砌破除完成后安全系数为3.28，满足规范要求。

2)既有隧道结构进行扩挖施工，仰拱扩挖施工对地表沉降量的影响大于侧墙扩挖施工时。通过对扩挖侧进行径向注浆加固，能够减小地表沉降量，侧向扩挖地表沉降量为10.5 mm，仰拱扩挖施工完成后地表沉降值为29 mm，并且径向注浆还能够进一步提高扩挖施工时既有衬砌结构的安全系数。

3)既有结构单侧扩挖采用跳槽法，能够减小扩挖施工对既有人防隧道围岩竖向位移的影响。

4)施工完成后右侧中柱顶部位置的最大沉降值为33 mm，中跨仰拱最大隆起值为23 mm，地表最大沉降量为19.5 mm，发生在既有车站结构中线偏扩挖侧2 m位置。

［1］王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论［M］．合肥:安徽教育出版社，2004．

［2］崔玖江．隧道与地下工程修建技术［M］．北京:科学出版社，2005．

［3］彭泽瑞．北京地铁复八线土建工程施工技术［M］．北京:中国铁道出版社，2003．

［4］雷升祥，高波，肖清华．锦屏高地应力下特大异形断面隧洞扩挖技术研究［J］．铁道建筑，2008(9):51-53．

［5］陈卉芳．铁路营业线改造中两种落道施工方法［J］．铁道建筑，2008(3):89-90．

［6］雷升祥，高波，肖清华．锦屏高地应力下特大异形断面隧洞扩挖技术研究［J］．铁道建筑，2008(9):51-53．

Exploring on expansive-excavation renovation for metro running tunnel in frigid region

KONG Chuigang

(The Third Engineering Co．，Ltd．，China Railway Urban Construction Group Corporation，Tianjin 300451，China)

An 859-m long metro in Harbin was excavated and renovated through a one-side cut of an existed civil air defense tunnel．A load-structure analysis was conducted to study the effect of the destroyed existed tunnel on the internal structural force，with consideration of the interaction between the foundation and the structure during the winter construction period．Furthermore，the analysis of foundation-structure was applied to assess the effect of radial grouting and job-hopping construction．Finally，the excavation and renovation technology of subway through a oneside cut of an existed tunnel was introduced in detail．

Frigid region;Tunnel expansive excavation;Stress Analysis

U457+．6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．07

1003-1995(2014)10-0027-05

2014-06-10;

2014-09-20

孔锤钢(1981— )，男，黑龙江哈尔滨人，工程师。

(责任审编 赵其文)