浅埋暗挖隧道扣拱施工影响效应分析

王 坤，杨会军，孔 恒

(1.中铁隧道集团海外工程有限公司，河南洛阳 471009;2.中铁六局集团有限公司，北京 100036;3.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100045)

0 引言

在浅埋暗挖隧道扣拱开挖支护施工中，受空间效应、时间效应以及群洞效应的影响，拱顶钢格栅和小导洞钢格栅相交点处易产生应力集中［1－4］、塑性区域叠加、地层反复扰动等现象，影响拱部初期支护稳定性，易导致结构失稳。尤其在中跨开挖支护及二次衬砌时，力学转换复杂，不平衡推力易引起边跨混凝土开裂，出现渗漏水。在相关研究中:文献［5］对多导洞施工影响效应进行分析;文献［6］介绍了初期支护扣拱和二次衬砌扣拱的施工顺序和方法;文献［7］系统论述了二次衬砌扣拱施工技术。这些论述限于施工技术的论述，对扣拱施工的影响效应系统著述的并不多见。本文结合北京地铁4号线宣武门车站扣拱施工，对拱部开挖初期支护、导洞侧壁拆除、二次衬砌施工产生的力学和变形影响效应进行分析。

1 工程概况

北京地铁4号线宣武门车站工程，里程为K7+736.7～+924.6，长187.9 m，为两端双层中间单层采用浅埋暗挖施工的车站。车站主体结构为双层三跨三连拱结构、8个施工导洞的断面，采用“PBA法”施工。施工总体顺序为:先施工8个小导洞，利用上部边导洞施作钻孔围护桩，利用下部边导洞施工底纵梁，利用上部中导洞施作钢管柱，施作主体天梁;再开挖上导洞间拱部土体，施作拱部二次衬砌;最后按逆作法边下挖，边施作结构二次衬砌。

扣拱段覆土厚8.00 m，扣拱施工跨度5.8 m，高5 m。拱部位于粉细砂层、中粗砂层;水位埋深20.50～24.30 m，车站所处地层复杂、地下水丰富、自稳性差，特别是砂层对覆土层厚度特别敏感，覆土小，拱顶沉降大，给施工带来的困难大。

2 扣拱施工关键技术

拱部开挖按照“十八字”方针［1－2］，采用台阶法施工，按照“先对称开挖边跨拱部，后开挖中跨拱部”顺序施工。二次衬砌采用钢筋混凝土，每段衬砌长度为6 m。为方便下组衬砌钢筋绑扎及支模施工，前组扣拱基面处理、导洞侧壁拆除、防水板铺设均比二次衬砌混凝土施工缝超前2 m。

2.1 超前支护

拱部土体超前支护采用φ32超前小导管，外插角为5°～12°，长度为 2.5 m，环向间距为 300 mm，纵向间距为1 m，压注水泥－水玻璃双液浆，注浆压力为0.3 ～0.5 MPa。

2.2 初期支护开挖

1)采用台阶法开挖，上下台阶长度不大于2 m，台阶坡度不小于1∶0.5。

2)初期支护采用格栅+C20喷射早强混凝土。开挖支护范围如图1所示。

3)初期支护结束后及时回填注浆，注浆材料采用水泥砂浆浆液。

图1 拱部开挖支护示意图(单位:mm)Fig.1 Excavation and support of tunnel arch(mm)

2.3 临时支撑安装

拱部扩挖后为保证其稳定性，防止拱部沉降对初期支护结构造成影响，在导洞侧壁初期支护拆除前对拱部进行临时支撑加固。支撑系统采用150 mm×150 mm的方木，竖撑上、下均设置一根纵向方木梁，竖撑纵向间距1.5 m、且采用50 mm厚木板将竖撑连为整体。

2.4 导洞侧壁初期支护拆除

在施作二次衬砌前，将影响施工两侧导洞的初期支护混凝土破除，并将侧壁格栅拱架分段割除，以实现拱脚部位的扩挖。其施工的力学转换复杂，应力和变形的集中释放显著，而且，其矢跨比将减小，受力条件不好。

1)两侧导洞侧壁的初期支护格栅拱架按照“分段、隔榀、少量”的割除原则。割除完成后，待变形稳定后再进行下段的割除。

2)拆除时，采取石棉毯覆盖或木板遮挡等措施加强对防水板预留接头的保护。

3)格栅割除后，对扣拱与小导洞相连接的连接板出现连接质量不好的地方进行补强焊接，保证连接质量。

2.5 扣拱衬砌施工

二次衬砌采取“纵向分段、先边跨、后中跨”施工，采用组合可调圆弧钢模板+碗口式满堂红脚手架模板支撑体系，纵向分段长度为6～8 m(1倍跨度左右)。

拱部二次衬砌施工完成后，及时进行二次衬砌背后压浆，浆液强度同混凝土强度。同时浆液中应加入适量膨胀剂及减水剂，以增加浆液的早期强度、和易性及微胀性。

3 监控量测

3.1 地层压力量测布设

分别在中跨K7+797，K7+809断面布设压力量测断面，埋设于初期支护背后。压力盒布置如图3所示。

3.2 收敛变形量测断面布设

分别在两侧边跨、中跨K7+792，K7+793，K7+816断面布设水平收敛测线。收敛测线布设示意见图4。

图2 拱部模板支撑体系示意图Fig.2 Formwork supports of tunnel arch

图3 压力盒布置图Fig.3 Layout of pressure cells

图4 收敛测线布设示意图Fig.4 Layout of convergence monitoring lines

4 影响效应分析

4.1 力学特征

1)应力量测结果如图5所示。开挖后拱顶压力较小，小于初始应力，这是由于上覆土体受到邻近土体摩擦力和黏结力的作用而引起的承载拱效应［1］，这在一定程度上减小了覆盖土层的垂直应力。拱肩压力较大，最大值达到0.05 MPa。

2)图6为K7+809断面土层应力－变形关系曲线。由图6可以看出，其土层应力－变形关系有明显的峰值，拱肩达到0.05 MPa，拱顶不是很明显，超过峰值后，随着变形的增加应力逐步降低，呈变形软化型［8］。这是由于拱肩砂土在剪切时，砂粒之间产生相对滚动，土颗粒之间的位置重新排列的结果。在拱顶，上覆土层的压力基本保持不变，随着变形的增加应力下降缓慢。

图5 中跨施工应力－时间变化曲线(2005年)Fig.5 Time-dependent curves of stress during mid-span construction in 2005

图6 应力－变形关系曲线Fig.6 Relationship between stress and deformation

3)应力变化具有明显的空间效应，如图7所示。在开挖初期支护过程中，应力缓慢增加，当破除前期小导洞混凝土、割除格栅时，中跨洞径由原来的2.60 m增大到5.8 m，拱墙地层应力释放，作用在结构上的荷载随之降低。在中跨二次衬砌过程中，由于衬砌结构限制了地层的变位，因此，作用在结构上的荷载再次增加，这种变化在拱肩最为明显。拱顶荷载较小，且在工序变化过程中基本保持不变。

图7 应力随施工工序变化曲线(2005年)Fig.7 Relationship between stress and construction step in 2005

4.2 变形特征

1)图8为中跨开挖支护过程中洞周土体的变形特征。由于K7+792，K7+793断面是临时横通道，已经施作了二次衬砌，中跨的开挖是从K7+800开始，且中跨施工时，K7+792，K7+793变形已经稳定，因此，中跨开挖施工对这2个断面的影响很小，在－1～+1 mm波动。而K7+809断面收敛变形出现较为明显的特征:最大值为3 mm，纵向距离为11 m，约为4.15倍洞径。

图8 收敛变形曲线(2005年)Fig.8 Curves of convergence in 2005

2)中跨不同施工阶段所引起的土体变形大小不同，图9是中跨初期支护拱架割除所引起的拱顶沉降的变化曲线。在拱架割除过程中，产生了2～10 mm下沉量，占总下沉量的30%。根据统计，由于割除速度过快，引起拱顶下沉突变。通过控制割除速度、分段、隔榀割除等措施，可明显减小拱顶的下沉。

图9 初期支护割除对拱顶下沉的影响(2005年)Fig.9 Crown settlement induced by primary support dismantling in 2005

3)图10为K7+816断面开挖通过前后中跨、两侧边跨土体收敛变形－距离开挖面曲线关系。当中跨开挖还没有到达该断面时，变形已经产生，这主要是因为开挖在其前方产生了影响范围，如果以变形为零作为分界线，可以推算，掌子面前方影响区纵向距离为－6 m，约等于2倍洞径，通过掌子面时收敛值为1.2 mm，收敛达到稳定时，最大值达到3.1 mm，位置在掌子面后方6 m，约等于2倍洞径。

图10 收敛变形－距离开挖面关系曲线Fig.10 Relationship between convergence and distance from working face

5 结论与讨论

1)上覆土体的承载拱效应在一定程度上减小了覆盖土层的垂直应力，应力变化具有明显的空间效应。随着施工工序的变化，应力相应变化，这种变化拱肩变化最为明显，拱顶变化较小，且在工序变化过程中基本保持不变。

2)中跨施工时，引起两侧边跨出现收敛变形，且这种变形具有相关性。同时，施工的不同工序引起的变形不同，初期支护拱架割除产生的1～2 mm的下沉量占总下沉量的30%，可通过控制割除速度、分段隔榀割除等措施，减小拱顶下沉。

3)初期支护割除对拱顶下沉的影响具有明显的空间效应和时间效应，随着与割除断面距离的增加，拱顶下沉迅速减小。掌子面前方影响区纵向距离为－6 m，约等于2倍洞径，通过掌子面时收敛值为1.2 mm，收敛达到稳定时，最大值达到3.1 mm，位置在掌子面后方6 m，约等于2倍洞径。

4)当中跨收敛变化时，两侧边跨也出现相关性变化的影响效应，有待进一步研究，重点解决减少中跨、边跨施工的相互影响问题。

［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，2005.(WANG Mengshu.Construction method of undercutting under shallow overburden for underground works［M］.Hefei:Anhui Education Press，2005.(in Chinese))

［2］ 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.(WANG Mengshu.Tunnelling and underground engineering technology in China［M］.Beijing:China Communications Press，2010.(in Chinese))

［3］ 孔恒.城市地下工程浅埋暗挖地层预加固理论与实践［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.(KONG Heng.Theory and practice of ground pre-reinforcement for shallow mining underground engineering in urban areas［M］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2009.(in Chinese))

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［5］ 杨会军，刘虹阳.浅埋暗挖小净距隧道应力集中现象分析［J］.铁道工程学报，2010(1):42－46.(YANG Huijun，LIU Hongyang.Analysis of stress concentration of a little spacing shallow and subsurface excavated tunnel［J］.Journal of Railway Engineering Society，2010(1):42 －46.(in Chinese))

［6］ 尹亚坡.北京地铁四号线宣武门站PBA法暗挖逆作施工技术［C］//2010中国城市轨道工程技术论坛论文汇编.北京:中国工程院、中国中铁股份有限公司，2010.(YIN Yapo.Construction technologies for PBA method used in Xuanwumen station on No.4 Line of Beijing Metro［C］//2010 Symposium of urban rail engineeing construction technology in China.Beijing:Chinese Academy of Engineering and China Railway Group Limited，2010.(in Chinese))

［7］ 曾冰海.洞桩法(PBA)暗挖多跨地铁车站扣拱施工［J］.隧道建设，2010，30(4):496 － 499.(ZENG Binghai.Arch lining construction ofmined multi-span Metro station constructed by PBA method［J］.Tunnel Construction，2010，30(4):496－499.(in Chinese))

［8］ 华南理工大学.地基与基础［M］.北京:中国建筑工业出版 社，1991.(South China University of Technology.Foundation and base［M］.Beijing:China Architecture ＆Building Press，1991.(in Chinese))