城际铁路隧洞结构弧形变截面综合施工技术研究

2018-07-24中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司北京101100

中国建材科技 2018年2期

霍伟（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

1 引言

随着国家对基础建设的逐步完善，我国的高速铁路建设又进入了一个新的大发展时期。由于铁路等级的提高和交通量的剧增，大断面的各类铁路隧道数量会进一步增加。超大断面隧道成为一种常见的设计，断面越大随着而来的施工难度也相应的增加，开挖、支撑、模板支撑体系、结构分块难度都增大。新建郑州至新郑机场城际铁路地下段站前工程ZJZQ-IV标工程DK38+962-DK39+062段为超大断面变截面变线段隧道，单洞四线结构，隧道上部由于新郑机场二期T2航站楼工程同步施工，给该段工程施工增加了难度，本文以该段工程为背景，论述了超大断面开挖支撑、换撑、支架法浇注二衬支架设计与计算等核心工序的安全质量控制方法，为类似工程提供借鉴。

2 工程概况

2.1 设计概况

新建郑州至新郑机场城际铁路地下段站前工程ZJZQIV标工程DK38+962-DK39+062段为变截面变线段隧道，单洞四线结构，最大断面高21.46m宽27.1m，隧道上部由于新郑机场二期T2航站楼工程同步施工。变线间段全长100m，开挖跨度16.5-27.1m，具有开挖断面大、变截面多等特点，最大断面585.4m2，为大断面隧道，共划分四个断面。具体里程、断面见图1。

2.2 水文地质条件

该场地位于华北地震构造区，为构造结合部位，新生代以来以沉降为主，由于沉降差异，不同时期沉降厚度不一。

本场地地下水类型属于第四系松散岩类孔隙水，主要含水层为粉砂、细砂和粉土层中，具体地下水位埋深约3～6m。各岩土层的综合渗透系数可按3.0m/d采用，引用补给半径可以取用40m。环境水对混凝土结构不具侵蚀性，在长期浸水的状态下对钢筋混凝土中钢筋不具侵蚀性，在干湿交替状态下对钢筋混凝土中钢筋不具侵蚀性，对钢结构具有弱侵蚀性，大多可供生活饮用和一般工程用水。

2.3 工程施工环境

该段隧道上部为机场T2航站楼，与隧道同步施工。航站楼荷载作用在隧道围护结构上已施作完成的14根转换梁上，受T2航站楼施工影响，该段隧道施工材料及设备运输难度大，均采用人力运输。

图1 断面示意图

3 变截面隧道衬砌施工

根据隧道断面面积大、截面变化多的特点，该段二次衬砌考虑到断面跨度大（含端头墙），采用满堂支架法分三次浇筑（第一次浇筑至边墙，高度6m；第二次浇筑至拱脚，高度8 m；其余第三次浇筑完成，高度7.5m，端头墙与衬砌一同浇筑），满堂支架架设前均先完成仰拱施工，为施工提供场地。砼采用集中拌合，砼泵输送砼，两侧同时灌注。

DK38+962-DK39+062段为超大断面变截面变线段隧道，单洞四线结构，最大断面高21.46m宽27.1m，长30m，考虑到断面宽和工期因素，该段二衬采用支架法分三次浇注。

3.1 支架结构的选择

根据马蹄形结构断面形式，内模板采用18mm厚木胶合板（尺寸2440mm×1220mm），由于隧道施工受机场二期航站楼的影响，无法采取大型机械进行吊装，在满足工程需要的情况下，通过设计计算拟采用16#工字钢架加工成弧形钢架支撑，连接板和螺栓连接，2m左右设置一端采用螺栓连接，便于人工搬运及施工，每环钢架背后布置一排脚手架，架与顶托间采用塞木楔等措施，保证密贴，纵向方木为60×80mm间距30cm。顶托支撑固定于满堂支架上，脚手架横向间距或排距80cm；纵距40cm；步距80cm。外模板采用30×150cm的组合钢模，外模采用Φ14对拉止水螺杆固定。

沿支架纵向，每隔5m横断面设置设剪刀撑；纵向设置三道剪刀撑分别位于支架的中间及支架1/3处；在支架外立面必须满设剪刀撑，斜撑角度为45°。顶托和扫地杆同上一端面设置。

掌子面封闭墙模板采用胶合板和I22a工字钢。立杆直接立在仰拱填充顶面，不设垫板，顶部、前端和横向杆两端设置活动顶托，除剪刀撑外所有杆（含封闭墙斜撑）接长时必须采用对接扣件连接，相邻两对接接头不得在同步内，且对接接头错开的距离不小于500mm。剪刀撑采用搭接，搭接长度不得小于500mm，并采用2 个旋转扣件分别在离杆端不小于100mm 处进行固定。

3.2 支架加固措施

1）抗浮采取的措施

在支架两侧最边缘处，每跨每边各植入两根Φ16 钢筋抗浮。

2）设置剪刀撑

根据对比计算，在第一次砼浇注时，分别采取加竖向剪刀撑和不加竖向剪刀撑计算支架的竖向位移，加剪刀撑后，竖向位移较不加剪刀撑减少2/3。剪刀撑每断面设置，以增加支架的整体刚度。

3）增设H 型槽钢

根据计算，在第一次砼浇注时，16 号工字钢弯矩最大处在边墙底部。为增加支架的稳定性，在仰拱与工字钢接头部位设置H25 型槽钢作为纵梁，并将抗浮钢筋焊接在纵梁上，形成整体受力。

4）局部增加水平杆在第一次浇注砼时，经过计算，顶部水平杆受压力达119KN（单根），将产生压杆失稳。为保证支架稳定，在浇注第一次砼时，顶部的水平杆按双根并列布置，并应注意与立杆的连接。

4 基坑支撑转换技术

城际铁路基坑设置了5道800×1000mm钢筋混凝土撑，随结构施工自下而上采取人工破除，并采用钢管转换支撑受力。考虑到传统的拆除支撑及架设倒换支撑困难，采取焊接钢管与碗扣式脚手架模板支撑体系相结合，水平对顶侧墙模板的方案进行施工。

4.1 模型及模拟工况简介

城际铁路工程具有开挖断面大、变截面多等特点，为超大断面隧道，本次计算就DK38+962-DK39+062区间内不同开挖断面、不同隧道结构明挖法施工进行了计算分析。

分析DK38+962-DK39+062段断面示意图发现，该区段内存在开挖断面大、变截面的特点，根据隧道结构及基坑开挖断面尺寸可将该区段划分为4部分，考虑计算量过大，拟对其中的三个断面进行分析，具体工况见表1，具体每一步的计算过程与明挖法隧道工程施工过程相一致。

表1 工况表

4.2 计算参数及本构模型

在岩土工程计算中通常采用弹性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等很多模型，如剑桥模型、Dunean-Chang 模型、Kelvin-Voigt 模型、Lade-Dunean 模型。它们能够方便的模拟土的应力-应变关系，但又有各自的特点及适用范围。结合岩土工程计算中长期以来积累的经验，本次计算的土体单元选用 Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型。

4.3 关键模拟技术

基坑的支护措施主要有钻孔灌注桩、钢支撑、钢围檩、冠梁、锚杆支护。在用 GTS进行数值模拟时是否能很好的反应支护措施的作用机理和效果，在很大程度上会影响计算结果的合理性。以下就该基坑主体结构施工时采用的围护措施的模拟方法进行分析。

1）钻孔灌注桩和止水帷幕的模拟

2）钢支撑的模拟

3）内支撑的模拟

4）底面浇注的模拟

5）隧道结构和素混凝土回填施工

6）内支撑的拆除

4.4 模型的建立

由于城际铁路基坑为长条形，在DK38+962-DK39+062段内的四种类型基坑宽度和深度各不相同，最宽为27.1m，最窄为16.54m，深度较一致为25m，在横向综合考虑城际铁路基坑宽度，根据圣维南原理设置所分析的长方形或者正方形基坑的边界范围时，开挖影响宽度一般为开挖深度的3-4D，影响深度为2-4D（D 为入土深度）较合理，最终取模型横向宽度为187米，深度方向取值为60m。

计算模型总体图如图2和图3所示，其中主要包括了6层土体、城际铁路基坑系统。当城际铁路基坑施工完成后的模型图如图4所示，图5为城铁隧道结构施工完成后的模型图。另外对于不同断面的模型存在开挖断面大小不同，地质环境不同、基坑支撑位置不同和隧道结构断面大小不同等特点，具体对比可见图2和图3。

图2 DK39+043-DK39+062模型总图

图3 DK38+962-DK38+991模型总图

图4 城铁基坑施工完成后的模型图

图5 城铁隧道结构施工完成后的模型图

采用位移约束条件：地表面为自由面；模型四周约束法向水平方向位移，底面约束（x、y）个方向位移。土体开挖与支撑通过钝化和激活实体单元与结构单元实现。

4.5 计算结果分析

通过对不同断面处由于开挖断面大小不同，地质环境不同、基坑支撑位置不同和隧道结构断面大小不同所体现出城际铁路工程施工特征进行计算分析。首先针对具体某一断面施工所具有特点进行分析，然后对具体计算的三个断面进行对比分析。总结结论。

4.5.1 基本工况计算结果分析

该模拟工况为分析DK38+962- DK38+991区段大断面基坑开挖和隧道结构施工的变形和受力分析。如图6为城铁基坑施工完成后的总变形图，图7为城铁隧道结构施工完成后的总变形图。

分析图6发现当城际铁路基坑工程完成后，基坑底部表现为明显的隆起，基坑两侧地表表现出略微隆起，这与实际工程监测不符，其中主要原因是土体本构模型为M-C模型，该模型不能很好的模拟土体回弹变形。向上的位移最大发现在基坑底面为12.9mm，向下位移微小，几乎为0。

图6 城铁基坑施工完成后的总变形图

图7 城铁隧道结构施工完成后的总变形图

分析图7发现，当隧道结构施工完成后，基底隆起会减小，减少了2.4mm；由于覆土完成后基坑内部的内支撑会逐步拆除，所以最终在覆土部分地表会有地表沉降现象，且最大达到了40.6mm，需引起注意。

从变形的角度分析，基坑开挖会引起地表沉降、基坑围护结构受到主动土压力后向基坑位移，但由于M-C模型在计算基坑地表沉降方面不合理。图8城铁基坑完成后围护结构水平位移、图9为城铁隧道结构完成后围护结构水平位移。

城际铁路基坑两侧围护结构的水平位移分布在行李隧道基坑施工前是对称的。分析图4-8发现，在城际铁路基坑施工完成后在水平变形方面在第二道支撑附近水平位移最大，最大为1.28mm，第三至第五道处相对比较均匀，这是由于整个五道支撑里面，只有第二道支撑为钢支撑，其他支撑全为混凝土。整体位移方面呈向上趋势，这与基坑开挖后形成的卸载效应有关，坑内土体开挖，坑底隆起会带动围护结构一起向上位移。

图8 城铁基坑完成后围护结构水平位移

图9 城铁隧道结构完成后围护结构水平位移

分析图9表明，在隧道结构施工完成后围护结构整体向下移动，相当于在隧道结构、回填素混凝土和覆土的反压作用会抵消掉一部分引起基底隆起的回弹力，但在开挖面的围护结构变形较小。在水平位移方面，较之前基坑完成时围护结构水平位移增大，达到4.83mm，最大位置较之前下移，因此在隧道结构施工过程应密切关注基坑围护结构变形。

从应力分析的角度，基坑围护结构上的轴力和剪力随着施工阶段的推移都会发生一定的变化，如图图10城铁基坑完成支护体系轴力图，图11城铁隧道结构完成支护体系轴力图。

分析图10可以发现，在基坑开挖完成后，围护结构上的轴力最大位置发生在开挖断面的底部，从第五道支撑到基底都处于轴力较大位置，且最大达到了1.83MN。五道支撑中，各支撑轴力从大到小分别是第三道、第四道、第五道、第一道、第二道。

分析图11可以发现，隧道结构施工完成后围护结构上的轴力有所增加，最大达到了2.4MN，变化规律与基坑开挖完成后相一致。

图10 城铁基坑完成支护体系轴力图

图11 城铁隧道结构完成支护体系轴力图

对于基坑围护结构而言，剪力过大往往会导致其变形过大，甚至破坏。

图12 城铁基坑完成围护结构剪力图

图13 城铁隧道结构完成围护结构剪力图

分析图12发现分析发现围护结构与内支撑结合的位置剪力最大，五道支撑对应的五个结合点处，第二道上的剪力最小，其他的大小相差较小，这主要是由于五道支撑中只有第二道支撑是钢支撑，而其他均为混凝土支撑；围护结构上所受的剪力大小主要和围护结构两侧受到的压力有关，内侧受的是支撑轴力，外侧受的是土压力，所以在内侧支撑位置处往往会产剪力突变现象，而在其他位置基本随着外侧土压力均匀变化。

分析图13发现城际铁路隧道结构施工完成后基坑围护结构的剪力增大，达到了767KN。变化规律与图12所体现的一致，原因也相同。

4.5.2 各工况计算结果对比分析

根据工况表1，本次计算还分别计算了DK38+991-DK39+018区间和DK39+043-DK39+062区间的两个断面，这两个断面较DK38+962-DK38+991区间的断面有所减小，主要区别在于基坑开挖宽度不同、地质环境不同、隧道结构大小不同，而开挖深度基本相同。

分别从变形和应力的角度分别对另外两个断面进行分析会得出和4.2类似的规律。现将三个断面在坑底隆起、地表沉降、围护结构最大水平位移、最大轴力和最大剪力五个方面进行对比，对比结果见表2至表6。

表2 坑底隆起对比

工况地表沉降（mm）最大断面DK38+962-DK38+991 40.6中间断面DK38+991-DK39+018 20.5最小断面DK39+043-DK39+062 9.4

表3 地表沉降对比

表4 围护结构最大水平位移对比

表5 最大轴力对比

表6 最大剪力对比

分析表2至表6发现，在坑底隆起、地表沉降、围护结构最大水平位移、最大轴力和最大剪力五个方面都呈出同样的规律，即开挖断面越小对应的变形和受力越小，一方面是由于在三个断面几乎相近的地质环境下，开挖断面越小，对基坑周围土体的扰动越小，引发的卸载效应也越不明显；另一方面是在三个断面开挖面积不同的情况，三个基坑几乎采用较为一致的支护结构。

4.6 小结

本次计算主要是对不同断面处由于开挖断面大小不同，地质环境不同、基坑支撑位置不同和隧道结构断面大小不同所体现出城际铁路工程施工特征进行计算分析，分别选取了DK38+962-DK38+991、DK38+991-DK39+018和DK39+043-DK39+062区间的三个断面进行了具体计算，分析由断面施工完成后引起的变形和受力情况，可以得出如下结论：

1）对于大断面城际铁路工程而言，基坑开挖和隧道施工会引起地层明显的变形，尤其需要注意基坑施工完成后的基底隆起和隧道施工完成后隧道顶部了地表沉降；基坑支护结构受力也发生明显变化，隧道施工完成后轴力和剪力都会变大，轴力方面需要注意第五道支撑至开挖面之间位置，剪力方面需注意内支撑与围护结构结合点处。

2）通过对比不同断面的变形和受力，发现在本工程中在开挖深度基本相同、地质环境相似的情况下，随着开挖断面宽度的增大，变形和受力都呈增大的趋势。