浅埋砂层大断面暗挖隧道临时支护拆除研究.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１６０７１８基金项目：中铁十七局集团有限公司科技研究开发计划项目（２０１３-７３）浅埋砂层大断面暗挖隧道临时支护拆除研究崔生金（中铁十七局集团第一工程有限公司山西太原０３００３２）摘要以石家庄地铁１—号线中山广场站解放广场站区间暗挖配线为背景，研究在浅埋砂层大断面隧道暗挖二衬施工中，因无法使用爆破整体施工，须借助临时支撑将大断面分段分部位施工，在二衬施工前再将临时支撑拆除。由于断面较大，临时支护结构须分块分段拆除，拆除前后，通过对隧道土体受力状况的分析，调整二衬施工时间、工序、拆除长度等，控制地表沉降，指导二衬安全有序施工。关键词砂层大断面临时支撑中隔壁拆除中图分类号Ｕ４５５文献标识码Ａ文章编号１００９４５３９（２０１６）０９００２９０５ＴｅｍｐｏｒａｒｙＳｕｐｐｏｒｔＤｉｓｍａｎｔｌｉｎｇｏｆＢｕｒｉｅｄ-ｅｘｃａｖａｔｉｏｎＴｕｎｎｅｌｗｉｔｈＬａｒｇｅＣｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎｉｎＳｈａｌｌｏｗ-ｂｕｒｉｅｄＳａｎｄｙＳｔｒａｔｕｍＣｕｉＳｈｅｎｇｊｉｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１７ｔｈＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ１ｓｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＴａｉｙｕａｎＳｈａｎｘｉ０３００３２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴａｋｉｎｇｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗｉｒｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎＺｈｏｎｇｓｈａｎＳｑｕａｒｅＳｔａｔｉｏｎａｎｄＬｉｂｅｒａｔｉｏｎＳｑｕａｒｅＳｔａｔｉｏｎｉｎＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＭｅｔｒｏＬｉｎｅ１ａｓｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｌａｒｇｅｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎｓｅｇｍｅｎｔａｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅａｓｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｅｍｐｏｒａｒｙｓｕｐｐｏｒｔ，ａｎｄｄｉｓｍａｎｔｌｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｏｒａｒｙｓｕｐｐｏｒｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｌｉｎｉｎｇｗｉｔｈｏｕｔｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｂｌａｓ-ｔｉｎｇｉｎｓｈａｌｌｏｗ-ｂｕｒｉｅｄｓａｎｄｙｓｔｒａｔｕｍ．Ｔｈｅｔｅｍｐｏｒａｒｙｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｈｏｕｌｄｂｅｒｅｍｏｖｅｄｉｎｓｅｃｔｉｏｎｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｌａｒｇｅｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｕｎｎｅｌｓｏｉｌｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅ，ｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｌｉｎｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃ-ｔｉｏｎｔｉｍｅ，ｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｄｉｓｍａｎｔｌｅｄｌｅｎｇｔｈｗｅｒｅａｄｊｕｓｔｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｄｇｕｉｄｅｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｌｉｎｉｎｇｃｏｎ-ｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎａｓａｆｅａｎｄｏｒｄｅｒｌｙｍａｎｎｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓａｎｄｙｓｔｒａｔｕｍ；ｌａｒｇｅｃｒｏｓｓ-ｓｅｃｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｏｒａｒｙｓｕｐｐｏｒｔ；ｍｅｄｉａｎｌａｍｅｌｌａ；ｄｅｍｏｌｉｔｉｏｎ１工程概况１．１工程简介及周边环境中解区间配线全长３７７．６ｍ，为左右线分离式双洞隧道，埋深约８～１０ｍ，断面有Ａ～Ｊ断面共１０种类型，变化频繁，最大断面为Ⅰ型断面，宽度１４．３ｍ，高度１０．７５ｍ。区间隧道位于新百广场至火车站主要商业街正下方，沿中山东路东西向布置，该路口交通较为繁忙，地面车流、人流量较大，周边多为较成熟的商业区域，地下管线分布密集，区间配线下穿管线及构筑物有上水管、污水管线、电力电信管线、黎明街地下人行通道。由于本区间正线设有交叉渡线及停车线，隧道断面变化较为频繁，不宜采用盾构法进行施工，为减少区间隧道施工对周边建构筑物及管线的影响，降低隧道施工对周边商业及城市交通的干扰，采用矿山法暗挖施工。其中Ｄ～Ｈ断面跨度大于１０ｍ，采用双侧壁６导洞开挖，Ｉ断面采用双侧壁９导洞施工，初支临时支撑中隔壁厚度为３００ｍｍ，支护形式中隔壁采用工字钢＋网喷Ｃ２５砼，中隔板采用钢格栅＋网喷Ｃ２５砼。９２铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０９）·隧道／地下工程·二衬施工时Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｈ、Ｉ断面临时支撑破除，采用跳仓法，按施工部位局部破除竖向临时支撑或横向临时支撑，步长６～８ｍ，及时施作二衬结构，二衬结构成环后，分段破除剩余支撑。大断面初支厚度３５０ｍｍ，临时支撑厚度３００ｍｍ，支护形式采用工字钢或格栅＋网喷Ｃ２５砼。二衬防水为全包柔性防水层，模筑Ｃ４０Ｐ８钢筋混凝土。仰拱填充为Ｃ２０素砼，钢筋采用ＨＲＢ４００和ＨＰＢ３００钢筋，钢筋保护层厚度：当结构厚度小于等于５００ｍｍ时为３５ｍｍ，当结构厚度大于５００ｍｍ时为４０ｍｍ。主筋采用ＨＲＢ４００φ２８、φ２５、φ２２、φ２０、φ１８、φ１６、φ１４钢筋，拉筋采用ＨＰＢ３００φ１２、φ１０钢筋。二衬厚度Ｄ～Ｉ断面二衬厚度为５００ｍｍ、５５０ｍｍ、６００ｍｍ。１．２地质及水文区间主要穿越粉细砂④１层、中粗砂④２层、粉质黏土⑤１层、粉土⑤５层，拱顶大部分位于中粗砂④２层。地质剖面见图１。图１配线地质剖面图本区间未进入潜水层，地下水位埋深在３８ｍ以下，且未见上层滞水，区间不需降水施工。２施工方法２．１总体部署配线暗挖区间大断面Ｄ～Ｉ断面采用双侧壁６导洞法、双侧壁９导洞法施工，从Ｋ９＋０３５处分为两个施工作业区，每个竖井及横通道作为一个施工区，向大小里程两个方向施工，临时支护拆除尽可“”能分片分区分部分段拆除，先凿除初支砼，再割除格栅拱架，拆除时须加强洞内外监控量测。根据断面大小不同临时支护按照不同工序拆除。右线主要为Ｅ断面、Ｉ断面等，采用双侧壁６导洞、９导洞开挖，由于断面中间有临时支撑，二衬施作前不能一次拆除，且断面变换较多，因此，无法台车衬砌，采用满堂脚手架支撑体系进行二次衬砌。每段步长６～８ｍ，进行临时支撑拆除由里向外采用跳仓法进行二衬施工。大断面二衬的施工按照先施作仰拱，再施作边墙与拱部的顺序施作，仰拱分段一次浇筑，边墙及拱部分两次浇筑。２．２正洞开挖施工方法隧道开挖采用新奥法［１］施工，先行开挖小断面隧道，大断面隧道滞后小断面隧道不少于５０ｍ开挖。区间Ｄ～Ｈ断面采用双侧壁６导洞法施工，总长１１０．８４ｍ；最大Ｉ断面采用双侧壁９导洞法，总长６０．３４ｍ。双侧壁导洞法将大断面划分为若干个小导洞，每个小导洞再采用台阶开挖，后续二衬施作前双侧壁及临时仰拱须分段拆除。开挖步序如图２所示。图２双侧壁导坑施工步序０３铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０９）·隧道／地下工程·第一步：开挖前对拱部及中隔壁背后进行超前小导管注浆加固，先开挖一侧①洞室，及时施作初期支护及中隔壁；另一侧同号洞室①滞后５～８ｍ施作。第二步：滞后①洞室５～８ｍ，先后开挖洞室②，同号洞室前后错开距离８～１０ｍ，施作初期支护及中隔壁。第三步：拱顶打设小导管并注浆，滞后洞室②１０～１５ｍ，开挖洞室③，施作初期支护及中隔板。第四步：滞后洞室③５～８ｍ，开挖洞室④，施作初期支护。２．３开挖受力分析对开挖土体进行数值模拟［２－５］，通过计算对土体的扰动程度，控制双侧壁导坑的开挖步距。网络模型如图３所示。图３开挖数值模拟紧邻小断面一侧的小导洞先开挖，如图４所示。图４大断面小导洞开挖顺序位移特征如图５所示。图５位移特征模拟小断面拱顶最大沉降量为７．１７ｃｍ，大断面拱顶最大沉降量为８．７１ｃｍ。路面最大沉降量为７．９８ｃｍ。并行断面开挖支护结构计算及拆除前后施工力学行为分析［６－１０］。（１）应力特征分析见图６、图７所示。图６Ｅ型断面六导洞开挖支护后最大主应力云图图７Ｅ型断面六导洞拆除临时支撑后最大应力云图Ｅ型断面围岩应力特征分析：①挖支护后，仰拱处出现应力松弛区，其最大主应力２３４ｋＰａ，仰拱两侧出现应力集中区，仰拱左侧最大为５３２ｋＰａ，仰拱右侧最大主应力为５００ｋＰａ。②拆除临时支撑后，拱顶和仰拱处最大主应力减小，边墙最大主应力增大。（２）轴力特征分析见图８、图９所示。图８六导洞开挖支护后支护结构轴力１３铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０９）·隧道／地下工程·图９拆除临时支撑后轴力Ｅ型断面支护结构轴力分析：①“”开挖支护后，最大轴力出现在第二步中隔壁上，其最大轴力为８７９ｋＮ，此外其它中隔壁轴力也较大。②拆除临时支撑后，最大轴力出现在右侧边墙，其值为１２９４ｋＮ，此外左侧边墙轴力也较大。（３）弯矩特征分析见图１０、图１１所示。图１０六导洞开挖支护后弯矩图１１六导洞拆除临时支撑后弯矩Ｅ型断面支护结构弯矩特征分析：①开挖支护后，结构最大正弯矩出现在外衬砌右端，其值为２０９ｋＮ·ｍ“，最大负弯矩出现在第五”步外衬砌左侧，其值为２５４ｋＮ·ｍ。②拆除临时支撑后，最大正弯矩出现在右侧墙脚，其值为３１５ｋＮ·ｍ，最大负弯矩出现在仰拱左侧，其值为２６８ｋＮ·ｍ。２．４临时支撑拆除及二衬施作（１）下部临时支撑截断，施作仰拱及填充。Ｄ断面～Ｈ断面跳仓分段局部破除截断竖向临时支撑（步长６～８ｍ，根据现场实际情况可以适当调整步距），敷设防水层，绑扎钢筋、支模浇筑仰拱及填充层，竖向临时支撑截断时提前预留３０～５０ｃｍ工钢伸入仰拱填充砼结构内，浇筑砼后形成支撑回顶，见图１２所示，达到设计强度７５％后，方可破除后续临时支撑。图１２切断竖向临时支撑施作仰拱及填充层（２）切断临时仰拱支撑，施作侧墙。跳仓分段局部破除二衬结构内横向临时支撑（步长６～８ｍ），敷设防水层、绑扎钢筋、支模浇筑侧墙砼，形成两边侧墙二衬结构，见图１３所示。图１３切断临时中隔板钢筋施作侧墙二衬（３）上部临时支撑截断，施作拱顶二衬结构。侧墙砼达到设计强度后分段局部拆除除上部剩余临时支撑（６～８ｍ），浇筑砼形成封闭二衬。见图１４所示。最后，中隔板、中隔壁分段６～８ｍ拆除，形成区间结构。如图１５所示。２３铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０９）·隧道／地下工程·图１４切断顶部支撑施作拱部二衬图１５临时支撑拆除后形成二衬封闭结构３临时支护拆除小结临时支护在二衬衬砌施作前拆除时，采用跳仓法分段施工，根据受力变化，调整控制拆撑长度及部位，做到快速回撑，确保施工安全，施作仰拱时破除中隔壁至仰拱回填层以上２０ｃｍ左右的位置，破除采用换“撑的方式施工，切断支钢架时，换撑原则为隔一留”一。换撑位置处防水提前施工，预留足够的宽度并加以保护，保证与大面积防水的连接，并在支撑处做好防水保护层，单次破除长度６～８ｍ。（１）布置变形观测点，拆除临时钢架前后，进行监控量测［１１］，确保安全，拱顶下沉异常时，暂停钢架拆除并适当采取加固措施。（２）凿出中隔壁支撑、临时仰拱钢架间的喷砼及钢筋网，应逐榀钢架自上而下进行，尽量保证钢架连接筋的连接不被破坏，防止凿出期间钢架失稳。（３）进行拆除试验，确保拆除安全，防止隧道因受力体系应力转换过大，造成初期支护失稳。（４）拆除时严禁采用挖掘机、装载机机械直接破换方式拆除钢架，以防止因机械碰撞造成初期支护体系变形失稳。４结束语通过对土体开挖前后和支撑拆除前后受力分析，现场监测等对临时支撑拆除部位、顺序的调整，安全有序地指导施工有条不紊地进行，有效地控制了地表及洞内沉降变形［１２－１３］，避免了窝工现象，使多个工作面可以同时施工而互不干扰，加快了施工进度。参考文献［１］何福生．浅谈新奥法在浅埋隧道施工中的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２００２（Ｓ１）：１０７－１０９．［２］李振东，李辉，王健．地铁隧道支护系统的数值模拟研究［Ｊ］．地下空间，２００４，２４（１）：１８－２２．［３］雷震宇，郭庆海，周顺华．大跨度浅埋暗挖隧道拆撑的数值模拟［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００５（２）：２３７－２４１．［４］徐林生，孙钧，蒋树屏．洋碰隧道ＣＲＤ工法施工过程的动态仿真数值模拟研究［Ｊ］．地质灾害与环境保护，２００１（１）：５８－６２．［５］朱合华，丁文其．地下结构施工过程的动态仿真模拟分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，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