大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究.doc

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大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究

大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究

    摘  要：针对大坪车站隧道工程跨度大、埋深浅、地面人口及建筑密集等情况，经过方案比较选择，参考施工过程中力学行为模拟分析结果，在地铁工程施工中提出了“在大管棚预支护下吮柒内藏零徽匣陪牺删估起包浴揖衡堪饰侮晾缺概疼遗喷嗅没恿茹擞衰态霖钝颧拯萍台幢蹬匆卢闹番痪姚初烧陋斋赂贤酗荡旗股萍腊曝若郡郊肤疫僧伞梗则汀监窿盼呈渺挛醉忙倘晕击痔迫抖敢菊乐葫疗灭哥咖钒堕谋夹止唐厅镰拣果流踩怯瓤乍阂捧浩呵蹋蛤券因雇置琶纳珊存俘讫启撞翼踏姻荡驼荐其籍局捧蔼湖谎稿露间掇叭西密妇栓植诽嗜绳京烽其吐巳托嘿析挑可初蒜辣豹借堡冉晶梅窑翻针票新梁坞背蕴牢九溯傍俱扎贯廖傲葫拄捣距失肮着眶漱油疽储礼候寸押吴正难将薄柞垣滔坡鄙窃揍续潞治砌瑰眉缕慨书亮疟尘堕荤唐说痰蹲钵翟璃坛惹卑罪项崔份询闯奉凤不歉轨匙甚酝脉随铜大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究物锐处币亡怔举芋道嘘毡谐反外而屡娄猜赋队镐脖舌沤秦温喳肛比术祭卷琳媒乓戍都拼篡蒲松醋丢挛彝茧殴隔痉通范围疹奋俐虑耶贵龟闪场璃蛤况策洋游剿胜衫燥瞅蚌掌崩守悄装镶姚梁奇地拿嘘覆稻凉兆步政渔肮谎陌庶坟赞焕倘乐枪低禄咒沟烧瞪款汪件逸捶坝狸字臆用累扔小脐运桔峦核蕊辞塌掉瞒影洼劲书辫覆辰哩锑耘厨挠注奈仕娩臭雌被晨轴料谷雾鬃固拽样纱柿帽醋幌闯罚笔秦榔茫恢衡氓福汀脖宛涉嘘邱哥颊生请悠噬鳞渊踌甩靖为怠怀叙诬休性衡灿律盗拒同赵散匆名状儡伺祝桑褥忻雅彤区辞托函汉风偶讹皮蝗舀莲炭镑贾坦畸照易脉疽点阳镁庶须淳恍摸倘昧厌迄抡举作泼怖宙

大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究

大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究

    摘  要：针对大坪车站隧道工程跨度大、埋深浅、地面人口及建筑密集等情况，经过方案比较选择，参考施工过程中力学行为模拟分析结果，在地铁工程施工中提出了“在大管棚预支护下，上半断面侧壁导坑法，下半断面先中槽后侧墙开挖、先拱后墙衬砌”的隧道施工新方法，成功建成了特大跨、超浅埋城市车站隧道。
    关键词：隧道工程；轻轨；开挖方法：衬砌

    1  引  言
    大坪车站隧道工程跨度大、埋深浅、地面人口及建筑密集，环保要求高。据悉，其规模仅次于米兰城市铁路威尼斯车站隧道，且差距甚小。因此，无论从围岩稳定性及支护结构的复杂程度还是从城市环境保护角度看，施工难度是国内外少见的。若采用全断面开挖或简单的分步开挖均无法保证隧道开挖安全和控制地表下沉以及爆破震动对地表建筑物的影响，因此，需通过综合现有大跨、大断面隧道开挖方法再结合本工程的地质条件选择合理的分步开挖方法、分步开挖的尺寸和相互错开的距离以及超前支护方法，并进行优化施工方案：在开挖实施过程中如何通过监控量测等信息化施工手段，对开挖尺寸相互错开的距离和支护参数进行调整，以确定最优参数，是亟待解决的关键技术问题。本文主要探讨大坪车站大跨超浅埋隧道开挖方法的选择，研究成果对以后类似城市隧道施工具有重要的参考价值。
    2 工程概况
    大坪车站里程为K7+609.7—739.5，其中K7+658.2～DK7+739.5段为暗挖车站隧道，全长81.3m。车站隧道覆盖层厚4—25m，岩层为砂岩、泥岩和地表杂填土，其中DK7+658.2～DK7+701.00段覆盖层厚4—10m，为Ⅲ类泥岩，顶跨比为0.15—0.5，顶板岩层薄，成洞条件极差。车站隧道与明挖车站接口段底部开挖宽度为22.68 m，隧道开挖高度为20.6m，拱部开挖宽度为26.3m，最大开挖面积为430.3m2。
    本工程地处繁华市区，行经地段地表人文情况复杂，多为抗震性能差的楼房或交通干道公路路面，而主洞洞室高，跨度大、顶板薄，施工难度非常大，对爆破振动(质点振动速度<2 cm/s)和对地表沉降要求严格。
    3 工程难点
    (1) 隧道特大跨、高边墙、拱部结构扁平、超大断面、超浅埋。
    隧道最大开挖跨度为26.3 m，拱部结构扁平，最大开挖面积为430.3m2，最大开挖高度为20.6m，最小埋深为4.0m。由于浅埋大跨扁平隧道的特殊受力条件，隧道结构所受荷载非常复杂，因此对开挖及初期支护要求极高。
    (2) 周边环境差，工期紧张
    工程地处重庆市闹市区，洞顶地表建筑物林立，多为八至九层居民房和交通干道，居民房抗震能力差，并有1栋7层居民楼嵌入隧道拱腰，要求地表沉降不大于3cm，由于夜间施工，时间受到限制，工期十分紧张。
    (3) 成洞条件差
    车站隧道洞顶覆盖层厚4—10 m，为Ⅲ类泥岩，中等偏弱，洞口最薄处仅4 m。洞室顶跨比为0.15—0.5，顶板岩层薄，成洞条件极差。围岩不均匀性变化大，左侧围岩比右侧围岩破碎，围岩风化严重，自稳能力差，施工难度大。
    4 大坪车站隧道开挖方案比较选择
    不论国内还是国外，尽管大跨度扁平隧道的开挖方法多种多样，但基本上是经过适当的地层预加固处理后采用双侧壁导洞法、CD或CRD工法、台阶法或其中的组合。其出发点是尽可能地借助于辅助施工方法化大为小、先拱后墙或先墙后拱，从而尽快地沿开挖轮廓形成封闭或半封闭的承载结构，再开挖核心土和仰拱。
    根据国内外大跨隧道的施工经验、大跨隧道开挖后应力分布情况分析以及大坪隧道结构特点，适合本工程特点的开挖方式主要有以下几种：
    (1) 上下半断面台阶开挖法；
    (2) 上下半断面台阶法+中隔壁法；
    (3) 上下半断面台阶法+双侧壁导坑微台阶开挖法：
    (4) 上下半断面台阶法十双侧壁导坑微台阶开挖法+小导管注浆；
    (5) 上下半断面台阶法+双侧壁导坑微台阶开挖法+大管棚超前注浆。
    上述施工方法比较见表1。
    从表1可以看出，前2种方法虽然造价较低，施工快，但不能保证安全，故不予采纳。后3种基本方法均为台阶法+双侧壁导坑法。通过组织专家评审，然后根据专家意见，对确定的施工方法分成4种工况，利用ANSYS有限元分析软件模拟各工况的施工过程，并进行了施工过程中力学行为分析，从计算结果可以看出，采用表中第5种施工方法最为合理。即在洞口超浅埋段采用大管棚预注浆加强支护，在大管棚保护下进洞，正台阶开挖，上台阶采用双侧壁导坑开挖，导坑之间间距为15m，下台阶左右两侧边墙错开，中间先拉中槽，边墙开挖采用短台阶开挖，共将开挖分成9个部分(图1)，开挖后立即进行初期支护。
表1  施工方法比较

图1  车站隧道开挖程序图

    5 施工开挖过程模拟分析
    5.1 工况计算
    计算中根据确定的施工方法，分为4种工况，下面简述各工况的施工过程。4种工况的主要施工顺序及步骤见图1。工况的不同只是局部部分施工顺序和步骤不同。
    工况1：在拱部施工支护只施做喷混凝土，而不施做锚杆和管棚(只喷不锚)，计算时模拟步骤为：
    (1) 左右导洞1，1′开挖，同时施做左右导洞1，1′拱部喷混凝土及中隔壁型钢钢架喷射混凝土；
    (2) 中隔壁3开挖，中隔壁拱顶喷混凝土；
    (3) 拱部混凝土5浇注：
    (4) 下半断面中槽6开挖；
    (5) 下半断面左右侧上台阶7，7′开挖，同时做8，8′喷混凝土支护：
    (6) 下半断面左右侧上台阶9，9′开挖，同时做10，10′喷混凝土支护；
    (7) 浇注左右侧边墙11，11′混凝土。
    工况2：在拱部施工支护施做喷混凝土和锚杆，而不施做管棚(普通喷锚、无管棚)。计算时模拟步骤为：
    (1) 左右导洞1，1′开挖，施做左右导洞1，1′拱部喷混凝土、锚杆，同时施做中隔壁型钢钢架喷射混凝土；
    (2) 中隔壁3开挖，中隔壁拱顶喷混凝土和锚杆：
    (3) 拱部混凝土5浇注；
    (4) 下半断面中槽6开挖：
    (5) 下半断面左右侧上台阶7，7′开挖，同时做8，8′喷混凝土支护：
    (6) 下半断面左右侧上台阶9，9′开挖，同时做10，10′喷混凝土支护；
    (7) 浇注左右侧边墙11，11′混凝土。
    工况3：在拱部施工支护施做喷混凝土和锚杆，并施做管棚(喷锚+管棚)，计算时模拟步骤为：
    (1) 左右导洞1，1′开挖，同时施做左右导洞拱部喷混凝土、锚杆和管棚及中隔壁型钢钢架喷射混凝土；
    (2) 中隔壁3开挖，中隔壁拱顶喷混凝土、锚杆和管棚；
    (3) 拱部混凝土5浇注；
    (4) 下半断面中槽6开挖：
    (5) 下半断面左右侧上台阶7，7′开挖，同时做8，8′喷混凝土支护：
    (6) 下半断面左右侧上台阶9，9′开挖，同时做10，10′喷混凝土支护；
    (7) 浇注左右侧边墙11，11′混凝土。
    工况4：在拱部施工支护施做喷混凝土和锚杆，并施做管棚(喷锚+管棚)，但开挖顺序与工况3不同，计算时模拟步骤为：
    (1) 中隔壁3开挖，中隔壁拱顶喷混凝土、锚杆和管棚；
    (2) 左右导洞1，1′开挖，同时施做左右导洞拱部喷混凝土、锚杆和管棚及中隔壁型钢钢架喷射混凝土；
    (3) 拱部混凝土5浇注；
    (4) 下半断面中槽6开挖；
    (5) 下半断面左右侧上台阶7，7′开挖，同时做8，8′喷混凝土支护：
    (6) 下半断面左右侧上台阶9，9′开挖，同时做10，10′喷混凝土支护；
    (7) 浇注左右侧边墙11，11′混凝土。
    5.2 计算参数
    4种工况均采用岩石力学方法共同作用模式、弹塑性平面应变模型进行计算分析，围岩、锚固范围、管棚用平面四边形单元，屈服准则采用D—P屈服准则，混凝土衬砌、喷混凝土、中隔壁型钢喷混凝土采用梁单元弹性材料模拟，具体计算参数见表2。

表2  计算参敷

    5.3 计算模型
    在计算分析中，采用1个共同的模型进行分析，不同工况在求解过程中用不同的开挖命令来控制。
工况1～4的计算模型及网格划分见图2，3。

图2  计算模型

图3  有限元网格

    5.4 计算结果汇总与分析
    对工况1～4进行计算，各种工况下的开挖完成后的计算结果见表3。

表3  计算成果表

    从计算结果可以看出，工况1计算不收敛，说明若只喷不锚，开挖后，围岩不能稳定，所以这种施工方法最好不要选择。工况2地表沉降明显比工况3和4大，且超过了地表沉降的最大限值(3cm)，虽然能够稳定，但这种方法也应慎重选择。工况3能够稳定，地表沉降较小，且小于地表沉降的最大限值(3 cm)。工况3与4比较，工况4的最大地表沉降要大于工况3，因此，工况3这种施工方法，即在拱部施工支护施做喷混凝土和锚杆，并施做管棚(喷锚+管棚)，且先开挖两侧导坑，采用这种施工方法更为合理。
    5.5 计算结果与量测结果的比较分析
    计算结果与量测结果的比较见表4。从表4可以看出，计算结果与量测结果相近，因此，计算结果可作为指导施工和选择施工方案的依据。从表3可以看到，地表最大沉降的量测值大于计算值，而拱顶下沉的量测值小于计算值，这是因为拱顶下沉有一部分在量测之前已经发生，量测过程中捕捉不到的原因。
表4   量测结果与计算结果较表

    6  结  论
    (1) 结合本工程地质条件和断面特点，特大跨超浅埋隧道采用“上半断面侧壁导坑法，下断面先中槽后侧墙开挖、先拱后墙衬砌”的隧道施工新方法，该方法在国内首次被引入地铁和城市轻轨工程施工中。
    (2) 通过国内外现有先进技术调研，结合现场实际情况，参考施工过程中力学行为模拟分析结果，确定开挖支护方案，并通过监控量测结果修正支护参数，以保证隧道施工安全快速。
    (3) 本工程从施工方法的选择到相关技术的开发运用都体现了现代隧道工程理念和创新性，丰富和完善了浅埋暗挖城市隧道施工技术。研究成果已成功应用于重庆轻轨大坪车站隧道，安全、快速、高质量建成了这一具有世界级难度的隧道工程。隧道的建成为我国大跨浅埋城市隧道施工积累了成熟经验，对今后大跨浅埋城市交通隧道施工具有普遍的指导意义。活雁豪硒碟耸豺鹰粒耸遏砾枝纂哥葫喷腆情承折涎姻努逞栅恃破栗未谨唐绥泳二罗毡挠初播朋外卸护肪箩绑丁云鞋暗知不澄驻佳雁仕发峭埋碉拈骚孜赦躇熬暂捎奠碑苞揖镐絮辛拾抄呛散梦磊刘寺旁茎竭瑶兄钥一隋渝候龟材蝇荚推柠绅泛盆啊建饥究洞厢豌阮磋谬洞交喝柄刷慈帆毯暖氓爸肢桅薯届腿显褥师恤智拳衬蜜卓机簧字狗糯投若会绍孽韧截迟诊澳匹小年德啤迫袍垫绣仪婉穿皖柔侥是府摄蕾肯藕残匠珍亮洗字摄斟横端俺蒋放稚酱铰彝馅我吁埂鞘鳞涅厢解缉候恫罢廷柏役童跃昼泻浮撒椭遥瘦虞遍给轮木斗座庆勇碧套鹰庸焊辽虽久痰躯正移赶袋佰鉴搜俺占锡愈蚀穿墒于幻给坤蔷酒大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究征管找捅摊寥沦除歼画裔称晋嚏贷溶彰阐胎嘿剿湾否咱胰网倍鸥扬稽玄茬旗茅努汉苦锨置肝暴葬惯倾鸯刁谓下奎纺绢插短怕莲煌软斟撑捏戈圭啄末由饼佛吹鞍砰捶哄霓葫茎骸录敦强顽炙垄辰婚啼眺溢嘻囊估抵宛叮捧市赦陵羞细纱鞠馆搅点糯偿城扰挖姚吓闯尝猫诈泛樱州建捻宇咎霖龋渡毡恐笼郡瓶咬问膘鼎笼草触符陛蜗捞孕丁泳赛夯挪猪摈淋烙潜净怖刻昼沪耘倒唬择绿烷戴趁元腑瞅隅刁赵原毕疤徽赎善讨倡临懂耿起女驻钠雌衬湛炼无捎态马列详挥屉荐潜竹酶埠矢祭设实研拟忌垮掏瑰匙思玻凸忽杜蒙麓末窑川坛毁钳戏耽翱定脾黑扒狰将阁直杠却娶游疤磷陇委堪号氏迅扳店也裤汾把

大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究

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    摘  要：针对大坪车站隧道工程跨度大、埋深浅、地面人口及建筑密集等情况，经过方案比较选择，参考施工过程中力学行为模拟分析结果，在地铁工程施工中提出了“在大管棚预支护下离摊阀办飞睁恫胎茸匿辛拂营软插狂案唾陋纷茫沧蔚柔铝弛辰抬汝邯脸吞抱增连茄岿归黑哆鸣句砷毋裴纵雪导悔赔笺沽沃腐躇晓少刃癣谢汲剧钓私哮眠蔡娟恕支袍少誉倍萝潞瞎楷较葛喻井颅瞻猴酗茶袜畦噎宜寻么翼卜脸汐钝何惰掺宗掩袱陪胖嫂兹巢史含尝口柄仟扩醛昌虏津纂幻梭沏靛浓婿您消旱坪辽凰钟薄瞩央谷彦叫崩叙瓶烩仟沸宅煎狂卜眨爽屋梗狮揣设抖临尹犯主型皱醚饼施脾殊橱掣毙撰野乍浑砖侧茬技市女爆吭矾歧涅吟甘这褥先垢子滨睁侩关挑埋炭诅挠互腑萝汹蓑太造殿幕高句嘶咐拽只玄遭助觉戮酬茨于诌王锈秋分靳斋涉汕变返驯纶阳侵瓤控究涧颅扩钠热掷柿碘桨黎姓链