城市地铁区间喇叭口段双联拱隧道施工技术

2022-09-11

1 工程概况

北京地铁四号线马家楼~石榴庄路区间全长705m, 沿马家堡西路下方布置, 呈南北走向。区间隧道在喇叭口处通过一段双联拱隧道, 将区间线路由单洞双线大断面隧道过渡到两个单洞单线小断面隧道, 并在喇叭口处设一座施工竖井, 竖井承担向北510m区间隧道的施工任务, 本文重点探讨竖井向北段的双联拱段施工技术。

施工竖井位于马家堡西路东侧主车道处, 施工期间交通道路向西侧改移, 竖井及双联拱段均在围挡范围内。竖井净断面尺寸6.0 m×13.2m, 井深1 8.9 3 m。竖井位于线路正上方, 南与单洞双线大断面相连, 北端与双连拱段相连, 采用明挖逆作法施工, 锚网喷井壁支护。

双联拱段隧道长34.3m, 开挖高6.9m, 宽由12.2m过渡到13.4m, 双联拱中墙厚度由0.8 m过渡到2.0 m;隧道拱顶埋深9 m~1 2 m, 设计采用中洞法施工, 详见图1。

本段地层处于北京市冲洪积平原的古河床内, 自上而下分别为人工杂填土、粉土、粉细砂层、圆砾卵石层、粉质粘土层、圆砾卵石层。隧道周身多半处于砂卵石层中, 仅在隧道起拱线以下约有1~2m的粉质粘土层, 围岩自稳能力差, 极易发生坍塌现象。

根据竖井施工时揭露地层情况, 隧道周身范围内上层滞水、层间水较丰富, 距离地面约8 m~1 0 m及1 7 m~2 2 m。

2 工程难点分析

(1) 隧道浅埋, 周身多以砂和卵石层为主, 含水量大, 自稳能力极差, 开挖后易产生坍塌;采用中洞法分部开挖, 施工中应力转换频繁, 对地层造成多次扰动, 对上方右侧道路结构及竖井结构稳定性不利。

(2) 隧道中部的粉质粘土层, 形成一道隔水层将上下两层富含水层分隔开, 且富含水量较大, 难以疏干完全。

(3) 双联拱段紧连施工竖井, 竖井断面较大, 在马头门处多次破除井壁, 井壁应力变化较大, 安全风险较高。隧道正上方为临时存土场, 右侧为交通繁忙的城市道路, 距隧道外边线仅3m, 施工及交通动载对隧道施工影响较大。

3 施工方案

3.1 总体思路

根据以上分析, 为保证上方竖井及右侧道路结构的稳定, 同时保证隧道结构及施工安全, 在充分考虑工程所处的环境及地质条件的基础上, 为使本工程顺利完成, 施工方案的总体思路如下。

(1) 为有效疏排隧道所处地层富水, 保证洞内无水或少水开挖作业, 在隧道开挖轮廓线两侧外2m施作φ600mm降水井, 间距6m, 深度至隧道底以下3m。同时为提高降水效果, 在降水井之间及双联拱隧道端头打设φ120mm的孔眼, 间距1.5m, 穿越粉质粘土层, 使上层富水流入下层, 提高降水效果, 以保证隧道无水开挖。

(2) 根据隧道上台阶及拱顶处于砂夹卵石层中, 且含水量较大, 采用小导管超前注浆, 水泥-水玻璃双液浆, 工人开挖, 最大限度的减小开挖对周边围岩的扰动。

(3) 竖井开挖支护到底结构变形稳定后, 进行马头门超前加固, 分部破除井壁, 保证安全进洞。

(4) 加强监控量测, 强化信息化施工, 及时全面掌握暗挖隧道在施工过程中对道路及竖井结构的影响程度, 以及支护结构的变形状况。

3.2 总体施工步序

双联拱段紧连施工竖井, 安全顺利进洞是先期施工的关键, 总体施工步序如下:

施工降水→中洞上台阶破口进洞→ (上台阶进洞5m) 下台阶破口进洞→ (中洞中墙施工完成后) 左侧洞上台阶破口进洞→ (上台阶进洞5 m) 下台阶破口进洞→ (左侧洞下台阶进洞10m~15m后) 右侧洞上台阶破洞口进洞→ (上台阶进洞5 m) 下台阶破洞口进洞→保持左、右线开挖面错开大于1 0 m同步向前施工。

4 隧道施工技术及措施

4.1 马头门段施工

(1) 在竖井施工时预先在马头门上方将三榀格栅拼在一起使用, 隧道底部将二榀格栅拼在一起使用, 并在马头门破口断面井壁设置四道格栅立柱, 与竖井壁环向钢格栅连接为一个整体, 形成马头门破口时的门洞。如图2所示。

(2) 竖井完成后, 进行竖井底投点测量, 通过竖井投点定出双联拱隧道在竖井壁的开挖轮廓线。

(3) 采用钢管脚手架搭设操作平台, 沿隧道开挖线环形破槽, 施作双排φ42小导管, 长L=4.0m, 环向间距300mm, 进行超前注浆加固拱部土体。

(4) 超前支护、洞口格栅钢架施作完成后, 喷射C25早强砼封闭破槽, 达到设计强度后, 再沿隧道拱部开挖轮廓线, 环形开挖, 安装下一榀格栅钢架, 喷射早强砼后, 破除隧道格栅钢架下部井壁, 向洞内施工, 依次放入拱部格栅钢架, 网喷早强混凝土至设计厚度, 在隧道洞口处形成三榀并列格栅钢架。

(5) 井壁砼采用人工配合风镐破除, 洞内采用人工开挖, 尽量减小对土体的扰动, 在上台阶进洞5m~6m后开始施工下台阶。控制开挖台阶间距, 按照短台阶、循序渐进, 稳步前进。开挖前采用小导管注浆超前支护预加固地层, 严格按既定的开挖步序、施工方法组织施工。

(6) 安排有经验的工程技术人员进行现场观测, 并作记录, 监测马头门处侧向收敛, 地面沉降值。通过现场监测、观察及时发现, 及时处理, 消除可能出现的隐患。

4.2 洞身段施工

本段隧道采用中洞法分6个导洞施工, 初支施工严格遵守“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”基本原则。各导洞施工顺序如图3所示。

4.2.1 中导洞施工

中导洞施工一次开挖到端头, 再从内向外分四段进行防水及中墙混凝土的施工。因本段双联拱为渐变断面, 中墙自洞口向内逐渐增厚, 最薄处厚度由0.8m渐变到2m。中导洞设计开挖断面随中墙加厚而加大, 开挖断面由3.6m×5.9m渐变到4.8m×5.9m。由于中导洞开挖断面外小内大, 且每榀格栅钢架均在变化, 不利于施工及安全。施工时进行了变更, 统一按最大开挖断面进行开挖, 以方便施工, 增大中隔墙施工作业空间。

中导洞按短台阶法施工, 工人开挖, 上下台阶间距3m~5m, 每循环进尺为0.5m。超前φ42小导管, 环向间距0.3m, 长度2.5m, 与格栅拱脚焊牢。超前预注浆采用水泥水玻璃双液浆, 注浆压力为0.3 M P a~0.5 M P a。开挖完成后及时初喷C 2 0混凝土, 厚约5cm, 临时封闭掌子面, 以防止掌子面失稳而出现坍塌, 然后依次设格栅钢架, 间距0.5m, 挂设钢筋网喷射混凝土至设计厚度, 钢筋网采用φ6.5@150×150双层钢筋网片铺设于格栅内外侧, 外侧喷射厚2 0 m m以上。

上导初支及临时仰拱施作完成后进行下导施工, 依次为开挖→立设格栅钢架→挂设钢筋网→喷射C20早强混凝土→上下导保持步距3m~5m, 直至双联拱段端头, 进行端头墙加固处理→中洞基面处理→铺设底板及顶面PVC防水板→浇筑C30防水混凝土, 抗渗等级S8。

4.2.2 左右侧洞施工

中导洞施工完成后, 及时对中墙顶与初支之间空隙充填注浆, 控制沉降。待中墙混凝土达到设计值的70%后方可进行左右侧洞的开挖。开挖前必须对中导洞左右侧进行支撑, 以防中墙受偏压产生位移。左右侧洞仍按短台阶法开挖, 上下导拉开步距3m~5m, 左右侧洞必须错开10m以上。超前支护及初期支护参数与同中洞施工。

施工中为减最大限度的减小对上方土体的扰动, 上下台阶均采用人工预留核心环形开挖, 开挖后立即安装钢拱架与临时仰拱, 使上断面支护能够及早封闭成环, 减少沉降。临时仰拱两端通过连接板与钢拱架栓接, 为加强临时仰拱与钢架的连接, 在连接处增加三角钢板焊接, 并及时施作两侧锁脚锚杆与格栅拱架牢固焊接。

二次衬砌施工前先拆除中导洞侧墙格栅钢架及喷射混凝土, 采用工人配合风镐破除, 施工过程中注意保护中墙混凝土面及中墙顶预留的EVA防水板不受损环, 对防水板采用薄铁皮裹防护, 对中墙混凝土表面用木板或竹耙进行遮挡。

5 双联拱防水施工技术

由于双联拱段纵环向施工缝较多、结构复杂, 故成为防水施工的薄弱环节。防水施工遵循“以防为主, 刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则, 以结构自防水为主, 施工缝、变形缝等防水为重点。隧道采用外贴E V A防水板实现全包防水, 防水板外侧设置单层无纺布作为缓冲层。纵、环向施工缝采用背贴式止水带, 对中洞拱顶与拱沟联结处, 预留注浆管注浆。详见图4。

6 监控量测

监控制量是浅埋暗挖中洞法施工中不可缺少的重要组成部分, 根据本工程情况, 建立了监控量测体系, 重点对地表下沉、拱顶沉降、净空收敛等项目量测。施工期间对该段隧道上方地表道路及竖井结构的位移沉降实施监测, 并对可能发生的危及环境安全的隐患提供及时、准确的预报, 以便及时采取措施, 确保安全。

从监测结果看, 左右侧洞进洞破壁施工时, 竖井及上方地表沉降较大, 而其余导洞的施工, 对地表影响较小, 安全进洞后对竖井壁及上方地表的影响逐渐减小。

该段隧道施工时监测结果:地表沉降值:1 6 m m~2 8 m m, 特殊点4 5 m m, 拱顶沉降为30mm~49mm, 特殊点为55mm, 洞内收敛值为1 3 m m~2 2 m m, 竖井收敛为8 m m~11mm。均控制在设计允许及预留值范围内。通过监测结果, 证明了以上步序、措施有效的控制了地表沉降和隧道结构变形。