基于施工通道和复合衬砌的断面转换施工技术研究

沈 栋

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 北京 101300)

1 引言

近年来在地铁矿山法隧道施工中，断面转换不断增加。常规的小断面变大断面施工，经常采用挑高渐宽过渡的方式[1]。但是针对变化尺寸相对较大的情况，单独依靠过渡将无法实现。同时在复杂的地质条件下，断面转换的同时，结构受力也随之变化，土体扰动次数多，应力集中，易发生初支变形、失稳，施工难度和风险较大[2]。因此对于小断面变超大断面的施工技术研究，具有重要的科学意义和应用价值。

2 工程概况

北京地铁14号线金台路站-朝阳公园站区间，沿甜水园街敷设。受施工条件限制，左右线均由小断面A、B型断面转换为大断面。A型断面宽度为6.48 m，高度为6.72 m；B型断面宽度为7.2 m，高度为7.47 m，均为正台阶法，增设临时仰拱施工。大断面为K型断面，断面宽度为14.7 m，高度为12.02 m，采用双侧壁导坑法施工[3]。左右线最小净间距2.51 m，为Ⅰ级风险工程，见图1。

图1 新建隧道断面转换结构平面布置

新建隧道主要位于卵石⑤层、粉土⑥2层，存在层间潜水(三)、微承压水(四)，水位位于仰拱部位，采用管井降水施工。

3 工程重难点分析

3.1 工程重点

(1)本工程断面转化、马头门施工频繁[4]，超前加固效果欠佳，极易发生坍塌事故，影响主路通行。因此开挖过程中如何防止地层失稳坍塌是重点。

(2)左、右线均在此范围进行小断面进大断面施工，开挖土体区域大。因此细化节点连接，控制结构变形，避免对其他洞室造成影响是重点。

3.2 工程难点

(1)开挖区域内主要是粉土⑥2层，此地层降水效果差，施工过程中带水作业将增加难度。因此采用真空降水、深孔注浆等措施处理界面水，防止土体软化是难点。

(2)马头门施工、断面转换采用合适的方法，实现小断面顺利过渡至大断面是难点。

4 施工方案

4.1 小断面过渡技术

小断面采用逐榀挑高变宽来实现断面扩大，以A型断面为例，B型类同。渐变过程属于风险重点控制环节，通常重点控制以下细节：

(1)增加台阶长度和核心土留设，充分利用土体反压来保证掌子面稳定。

(2)渐变坡度控制，原则上不超过30°，还要充分考虑线路既有设计坡度的叠加影响。

(3)超前注浆小导管可适当抬高角度，确保下榀开挖有注浆效果，且不侵入开挖轮廓，可适当加密小导管布置[5]。

(4)加强节点连接，尤其是纵向连接筋存在角度问题，与格栅主筋往往存在不密贴无法有效连接的情况，可采用Z型连接筋。

(5)小断面过渡完成后封端，再进行小断面施工。

按照上述措施，将小断面转换为大断面双侧壁导坑的侧面导洞，见图2。

图2 小断面过渡为双侧壁导坑单侧导洞

4.2 侧面施工通道加固

在过渡完成后的双侧壁导坑侧面导洞进行施工通道施工。由于施工通道高度较大，基本占据了双侧壁导坑的单侧导洞，大面积开口将破坏原有初支的稳定状态，必须采取措施进行受力转换。

(1)马头门土体加固

在施工通道施工前，提前对马头门处背后土体进行注浆加固[6]，加固范围为通道两侧各3 m。在双侧壁导坑单侧壁进行钻孔打管注浆。拱部超前小导管向上倾斜打设，上仰角度10°～45°，间距(300×300)mm；下部导管水平打设，间距(500×500)mm。采用1.75 m长φ32 mm小导管梅花形布置，注浆压力为0.5～0.8 MPa，浆液采用超细水泥浆[7]。

(2)型钢门架受力转换

在双侧壁导坑单侧导洞内搭设40a工字钢型钢门架，门架工字钢内侧与施工通道初支外侧齐平。门架立柱贯穿临时仰拱，临时仰拱格栅主筋截断后与工字钢上预埋钢板焊接[8]。钢柱顶与40a工字钢横梁焊接，梁柱节点处梁上加焊加劲肋板。门架立柱增设两根20a工字钢支撑，确保门架稳定，在施工通道马头门破除前完成初支受力转换。为加强型钢门架与区间初支的整体性，在门架立柱工字钢两侧翼缘板上焊接φ20 mm钢筋并与区间初支格栅主筋焊接，钢筋间距500 mm内外双排交错布置，挂设φ6.5 mm、间距(150×150)mm钢筋网片，喷射C25混凝土，见图3。

图3 施工通道土体加固和型钢门架布置示意

4.3 施工通道施工

施工通道采用平顶直墙结构形式，平顶设置预拱度，施工通道纵向按照双侧壁导坑的轮廓轨迹呈台阶状设置，采用钢格栅施工。但在特定位置采用1榀40a工字钢横梁及立柱代替格栅，由此可形成施工通道范围内原中隔壁受力变为由工字钢梁传递至两根40a工字钢立柱上，利用此榀型钢拱架和马头门处型钢门架替换双侧壁导坑的两个临时中隔壁，完成第2次受力转换。同时考虑到实际施工，左侧导洞作为运输通道。为避免两侧土压力不平衡造成不利影响，对右侧进行土体加固，兼做线间小净距加固[9]，见图4。

图4 施工通道初支结构

4.4 复合衬砌施工

施工通道上层、中层导洞初支完成后，在其内部架设大断面双侧壁导坑的格栅并喷射混凝土，利用施工通道和大断面的双层初支形成复合衬砌。一方面大大增加了初支抵抗土体变形的能力，实现受力的第3次转换；另一方面完成了小断面到大断面的部分转换。

在复合衬砌施工过程中，特别注意两个细节，是设计和施工的重点把控部位：

(1)施工通道上层、中层导洞临时仰拱的设置位置。上层导洞临时仰拱未设置至端部，预留一定距离，来满足套拱格栅的通过；中层导洞临时仰拱设置在密贴大断面临时仰拱下方，保证在套拱施工中不必拆除施工通道的任何部位初支，确保了初支稳定性，增加了安全系数。

(2)大断面上半断面套拱格栅与原有侧壁初支进行有效连接。通过提前预埋的钢板与格栅进行焊接，使套拱初支与原有部分初支形成整体封闭。同时对空隙部位进行素混凝土填充。

上半断面复合衬砌封闭成环后，再进行施工通道下层导洞的初支施工，施工通道初支封闭后进行大断面下半断面套拱架设并喷射混凝土，并与上部形成有效连接。至此大断面双侧壁导坑整体封闭成环，完成了小断面变超大断面的全部断面转换过程[10]，见图5。

图5 复合衬砌施工

5 辅助措施

矿山法施工辅助措施是针对软弱不良地层提出的，采用不同的辅助方式来预加固地层，确保无塌方、沉降小，是矿山法顺利施工的关键，通常有以下措施：

(1)超前小导管注浆配合钢拱架形成超前支护，作用是防止开挖面顶部的坍塌，抑制围岩变形，承受纵向“次生拱”压力。

(2)长管棚、管幕施工。通过钢管及管内注浆，周边地层加固土体与钢管注浆体在开挖轮廓外形成类似“拱壳”的连续加固体，能很好地抑制围岩变形，增强土体开挖稳定性，避免发生塌方等恶性事故。

(3)界面水处理。针对拱脚和拱腰处的界面水，首先采用真空降水的措施进行抽排，同时做好上台阶水的明流引排；加强仰拱处渗水的抽排工作，将界面水的影响降至最低。

(4)线间地层加固。注浆加固从已完初支一侧向另一侧施工，线间加固采用φ42 mm小导管注浆，间距按0.5 m梅花形布置，长度以设计参数为准。土体加固指标需满足设计要求，并进行加固效果检验。

(5)及时、反复、多次背后回填注浆，充填拱部背后由于喷混不密实及砼收缩产生的缝隙，及时有效地控制地层的沉降；若有塌方的部位，则根据坍塌量判断背后的空洞体积，分多次对背后进行回填注浆，确保空洞能够有效地填充密实[11]。

6 监控量测

(1)监测目的

了解隧道支护结构和周边地层的变化情况，及时反馈洞内外位移变化的数据，调整相应的施工参数，确保安全施工；根据监测数据，分析施工引起的地表隆陷，以及地层应力重分布、地层变位对紧邻建(构)筑物和市政基础设施的影响；通过监控量测查找施工薄弱环节，加强重点管理；通过监控量测，收集数据，为后续设计、施工提供经验和参数，完善施工体系[12]。

(2)监测项目

监测项目主要包括：地表沉降、初支拱顶沉降、初支净空收敛、地下水位、断面转换型钢门架及初支结构的应力变化。

(3)测点布置

监测工作采用人工监测方式，监测范围为正常监测断面及变断面位置，监测剖面见图6。

(4)监测结果分析

小断面变大断面施工通道和复合衬砌施工过程中，隧道结构初支拱顶沉降最大竖向变形为-19 mm，最大水平收敛为15 mm；地表道路最大沉降为-25 mm。通过监测数据分析可知各项内容均满足变形控制标准的要求。

图6 监测断面测点布置

7 结论

(1)北京地铁14号线金台路站-朝阳公园站区间工程目前已施工完毕。实践证明基于施工通道和复合衬砌的断面转换施工，既满足了沉降要求，又保证了初支施工的稳定性，在小断面变超大断面施工中的运用是成功的。

(2)整个施工过程，2次马头门施工、3次受力转换，群洞效应影响明显。利用型钢门架支撑、土体加固等措施，能够确保初支的稳定性。

(3)平顶直墙施工通道初支结合套拱形成复合衬砌完成断面转换的施工方法，可为类似工程提供借鉴。

(4)真空降水、注浆加固等辅助措施，改善了开挖地层条件，是矿山法施工顺利进行的关键，值得作为重要分支进行深入研究。

(5)矿山法隧道土体开挖时，严格执行“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针，减小对围岩变形的影响。