平顶直墙暗挖隧道设计与施工技术探析

2019-07-18王冰琰

天津建设科技 2019年3期

□文/王冰琰

随着城市轨道交通工程的不断发展，受线路规划、地下管线和车站结构设计等因素的影响，新建地铁车站的附属结构往往无法采用传统的拱顶断面形式，越来越多的平顶直墙结构出现。与拱顶直墙断面比较，平顶直墙结构具有施工风险等级高、工序转换复杂、沉降控制敏感等特点，由于不起拱，顶部承载力不足，在开挖和二次衬砌拆撑阶段的施工风险较大，极易出现土体坍塌和结构沉降过大等问题[1]；在设计中，应强调土体开挖、初支衬砌的防坍塌及二次衬砌过程中的受力转换；在施工时，除应严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针外，还应遵循“初支谨防坍塌，二衬合理转换”的原则，加强对上覆土体和结构沉降的控制。

1 工程概况

北京市某新建地铁车站与既有车站的换乘通道密贴下穿市政管线，受高程限制无法起拱，采用平顶直墙结构。受地铁线路规划限制，新建通道设置4.3%的变坡段进行调坡，实现新旧车站结构的连接。暗挖通道拱部在进洞1.4 m处设置一道框梁，将净空高度下调并设置变形缝，保证通道结构高程能够满足穿越市政管线的要求。见图1。

暗挖通道结构覆土厚10～12 m，穿越的地层主要为卵石5 层，自稳性较差。水位20.4 m，地下水埋深22.4 m，结构底板位于地下水之上。

为保证顶部结构的刚度与强度，初期支护采用350 mm 厚的C20 网喷混凝土+格栅钢架，拱脚打设锁脚锚杆进行注浆，减少施工沉降的影响。见表1。

图1 换乘通道结构剖面

表1 初期支护参数

暗挖通道共穿越6 条市政管线、1 座人行天桥，均为一级风险源[2]。见表2。

表2 暗挖结构下穿风险源情况统计

2 超前注浆加固

为防止由于隧道无法成拱而引起的土体坍塌失稳，超前支护可以结合工程地质具体情况，灵活采用超前小导管、管幕棚护、深孔注浆等方式。对没有降水条件的含水地层，也可以采用全断面注浆加固方式，兼顾防坍塌、防沉降、封堵地下水的目的。

采用深孔注浆进行落地式超前加固，注浆范围为开挖线外2 m、开挖线内1 m，注浆压力控制在0.2～0.8 MPa，第一次注浆为试验段，以确定最佳注浆参数。由于地下水位于结构底板以下，注浆液主要以加固地层为主，采用1∶1水泥砂浆，加固后地层无侧限抗压强度为1.0 MPa，渗透系数≤1.0×10-6cm/s。

每段深孔注浆前，设置0.3 m厚的C20喷射混凝土作为止浆墙。止浆墙采用双层φ6 mm@150 mm×150 mm钢筋网和φ22 mm@500 mm×500 mm加强钢筋，核心土采用50 mm厚C20喷射混凝土保护。

图2 初期支护导洞设置

3 初期支护结构

3.1 结构断面形式的选择

暗挖通道标准段结构宽14.3 m、高6.12 m，通道结构可划分为两层六导洞或十导洞两种形式。见图2。

施工采用优先柱墙二衬法。优先柱墙二衬法是平顶直墙暗挖隧道的典型推荐工法，其优点在于中部土体开挖之前，提前施作两侧导洞内的结构，较早形成竖向支撑体系来支撑上部土体[3]，充分利用开挖与二次衬砌施工过程中的时空效应[4]，保证后续导洞暗挖与二次衬砌施工安全。

结合不同埋置深度、结构形式、开挖跨度、周边邻近既有建（构）筑物对沉降敏感程度来选择合适的初支结构和施工工序。一般对导洞尺寸的设置没有强制性要求，但根据北京地铁的大量设计与施工经验，应遵循如下原则[5]：

1）导洞开挖跨度一般应＜4 m，总开挖跨度应＜12 m；

2）导洞开挖高度一般应＜5 m且应根据具体人工操作高度酌情采用一次或多次台阶法开挖；

3）各导洞的纵向开挖间距应≮1.5倍导洞高度。

图3 六导洞施工第一步

3.1.1 六导洞结构施工工序

1）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖导洞

图4 六导洞施工第二步

1、2，施作初期支护，各洞室纵向开挖长度＞1.5倍开挖高度。见图3。

图5 六导洞施工第三步

2）分段局部施作导洞内防水层及底板、边墙、顶板二衬结构，施作顶板与底板间垂直支撑。见图4。

图6 六导洞施工第四步

3）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖小导洞3、4。见图5。

图7 六导洞施工第五步

4）分段局部施作导洞内防水层及底板、边墙、顶板二衬结构，施作顶板与底板间垂直支撑。见图6。

5）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖小导洞5、6，施作初期支护。见图7。

图8 六导洞施工第六步

6）施作剩余防水层及顶板、中柱、底板二衬结构，新建二衬强度满足要求时，逐步拆除垂直支撑，完成永久结构。见图8。

图9 十导洞施工第一步

3.1.2 十导洞结构施工工序

1）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖导洞

图10 十导洞施工第二步

1、2，施作初期支护，各洞室纵向开挖长度＞1.5倍开挖高度。见图9。

图11 十导洞施工第三步

2）分段局部施作导洞内防水层及底板、边墙、顶板二衬结构，施作顶板与底板间垂直支撑。见图10。

图12 十导洞施工第四步

3）深孔注浆加固土体，小步距、台阶法开挖小导洞3、4，施作初期支护。见图11。

4）分段局部施作导洞内防水层及顶板、中柱、底板二衬结构。见图12。

图13 十导洞施工第五步

图14 十导洞施工第六步

5）深孔加固土体，台阶法开挖导洞5、6，施作剩余防水层及顶板、底板二衬结构，二衬封闭成环。见图13。

6）新建二衬强度满足要求时，逐步拆除垂直支撑，完成永久结构，进行二衬背后回填注浆。见图14。

根据“化大断面为小断面，化大跨度为小跨度”的思路[6～7]，结合隧道穿越的复杂外部环境，初期支护优先设置为两跨双层十导洞，减小施工跨度，最大限度降低施工风险，保证安全；但其工序较一般六导洞设置的平顶直墙隧道更为复杂，施工进度慢，结构施工缝多。

3.2 格栅钢架节点板

初支格栅节点设置在受力较小区域（1/4～1/3 跨度），节点板连接采用8.8 级（A 级）螺栓等强连接，螺栓连接后再对节点板进行围焊补强。当节点板缝隙过大，围焊无法实施时，设置与主筋同直径的帮焊钢筋，单面搭接焊补强，搭接长度10d（d 为钢筋直径）。为保证顶部格栅钢架刚度，顶部节点板全部设置帮焊筋。所有焊缝均采用双面搭接电弧焊，焊缝高度≮8 mm。

施工中应加强对顶部初支混凝土厚度与密实度的质量控制，及时进行初支背后回填注浆，避免由于顶部喷射混凝土的质量缺陷而引起初期支护构件的刚度、强度损失以及拱顶沉降。

4 二次衬砌临时支撑拆除

平顶直墙结构应充分重视竖向支撑体系的连续性，优先形成竖向永久结构承载力体系，谨慎拆除竖向支撑[8]。二衬施工时的临时支撑处理方法主要有两种：一是在二衬施工前进行换撑，分段跳仓施工底板、顶板结构；二是不进行拆撑施工，将支撑底部进行防水节点处理后，直接浇筑在二次衬砌内部，达到强度后割除。

4.1 换撑工艺

将暗挖通道底板高度范围的临时中隔壁混凝土进行破除，破除后的中隔壁与底板衬砌钢筋内侧保护层同标高，逐根割除工字钢，在工字钢基底上进行基面处理后铺设防水板，防水保护层浇筑完成后，铺设25 cm×25 cm 钢板，使临时支撑坐落在钢板上形成整体支撑墙，以此来解决中隔壁破除导致竖向支撑不足的问题。待结构浇筑完成后拆除临时支撑，剔除凹槽，对工字钢与混凝土结合部进行打磨、防锈处理，使用等强度水泥抹灰找平。

临时支撑分段、跳仓拆除长度一般≯7 m，杜绝底板一次通铺，横向支撑拆除及替换与竖向支撑同步，尽量减小一次拆撑范围。

4.2 不拆撑工艺

将底板高度范围竖向支撑混凝土凿除，对型钢进行防腐处理，周围使用丁基橡胶粘接带与橡化沥青非固化防水涂料进行加强后，将工字钢直接浇筑在底板结构内部。

图15 底板中隔壁防水节点

对沉降控制敏感的高风险通道，一般建议使用此工艺；既能保证施工安全性，又能够实现二衬结构大面积快速施工，有效减小结构沉降量，提高施工进度，降低拆撑风险，但同时也有细部防水节点工艺复杂的缺点[9]。见图 15。

5 特殊措施

5.1 回填注浆

平顶直墙暗挖隧道结构特点决定了其沉降控制偏弱，因此应加强初支及二衬背后回填注浆。

初支背后回填注浆分两次进行：第一次距掌子面3～5 m，为低压注浆，至相邻注浆孔有浆液溢出或达到压力并稳定一段时间后结束；第二次距开挖面8～10 m，为饱压注浆，注浆压力0.5 MPa，风险工程段注浆压力提高至0.8 MPa。注浆孔沿顶部和边墙布置：环向间距起拱线以上为2 m、边墙为3 m，纵向间距3 m，呈梅花型布置且拱顶部位置需保证有1根注浆管。

二衬背后回填注浆应在二衬结构混凝土达到75%设计强度后进行，注浆孔沿断面拱部布置，环向间距3 m，纵向间距5 m，呈梅花型布置。

5.2 千斤顶应急措施

型钢或者钢拱架作为初期支护时，只能被动承受荷载，不能主动提供向上的抬升力。在穿越既有设施的施工过程中，由于下方土体已被挖空，当结构沉降过大时，无法通过注浆的方式对结构进行抬升。除在通道内增设I25a@1 000 mm 型钢作为临时支撑外，还可以根据监测情况，在洞内使用千斤顶作为联合支护控制结构拱顶沉降，保证上方穿越既有设施的安全。