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超淺埋暗挖平頂直墻結構施工技術

08-22 13:20:06  瀏覽次數:398次  欄目:結構設計
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    摘 要 北京地鐵某出入口,位于長安街快車道下,與既有長安街12m跨度過街道相接,結構最大凈空(寬×高)=7.0m×5.1m,最小覆土厚1.14m。結構頂部穿過素填土層,中部為輕亞粘土層,底部為中砂層,為自穩能力很差的I類圍巖。結構為平頂直墻,采用超淺埋暗挖法施工。因此,控制結構變位及地面沉降顯得尤為重要。且結構又與既有結構相接,存在新舊結構銜接與防水問題。施工中對這些問題都得到了圓滿解決。


    1 工程概況與特點
    北京地鐵某站工程,位于長安街快車道下,車站中線距長安街道路永中線15m。西端北側出入口與既有南北向地下過街道相接(該過街道于1991年完工),結構中線大致呈東西向。出入口結構凈寬7m。該出入口1999年初開工,與地下過街道之間不可避免地存在結構及防水問題。所以,控制結構變位及地面沉降顯得尤為重要,確定良好的施工方法成為本工程成敗的關鍵。
    既有地下過街道采用蓋挖法施工,為凈跨12m的箱形結構,覆土厚0.545m,結構頂板厚0.7m,凈高3.1m,因此決定了與之相接的出入口結構凈高只能為2.5m。由于既有過街道底板標高與本出入口底板標高相差5.5m,二者結構接口處需設置兩臺人行自動扶梯。這樣出入口結構最大凈高達到5.1m。
    如前所述,本出入口位于長安街快車道下,其交通十分繁忙,因此,本出入口采用明挖或蓋挖的方法施工都是不可能的,只能采用暗挖的方法。這樣,既有過街道的0.545m覆土條件,就限制了與之相接的出入口覆土厚度,在考慮了支護參數的因素后尚不足1.2m。也就是說,本出入口只能采用暗挖的平頂直墻結構形式。
    本出入口地處永定河沖、洪積扇的脊部,為第四紀地層,地層呈韻律分布。自上而下依次為:瀝青混凝土路面、雜填土、素填土、輕亞粘土、中砂、礫砂層。出入口結構頂部為雜填土層,洞身穿過輕亞粘土層。此類圍巖自穩能力很差,屬I類圍巖。
    由于該工程所處的地理位置和工程地質、水文地質條件,決定了本工程有如下基本特點:
    (1)地理位置環境特殊。本出入口位于地面交通十分繁忙的長安街下,暗挖施工幾乎是在連續不斷的活荷載作用下進行,增加了施工的難度和危險性。
    (2)結構跨度大、覆土薄、凈空高、施工難度大。本出入口開挖毛跨度8.6m,最大開挖高度6.68m,且為平頂直墻結構,開挖后覆土厚度不足1m,設計覆跨比僅為0.138,其施工難度十分罕見。特別是在第四紀地層中的施工,地層膠結不好,成拱能力差,圍巖無明顯塑性變形特征。一旦出現過量松動變形,地層隨即失穩,迅速波及地表,直接危及地面行車的安全,后果不堪設想。在結構頂板位置,有一條地下管線南北向通過,因此必須嚴格控制地表下沉,以確保管線的安全。
    (3)防水要求高。地鐵工程防水等級按規范要求定為一級。在施工分步多的情況下,結構各個施工縫的施做必須嚴格要求,否則極易形成工程隱患,影響工程的成敗。
    (4)與既有過街道的銜接施工難度大。兩個大跨度的結構進行銜接,在二者施工時間相距較大的情況下,要在既有12m大跨結構的邊墻上開洞,如何確保使既有結構受到的損傷減到最小程度,成為本工程的又一關鍵環節。
    2 施工方法
    2.1 結構型式
    根據施工設計圖,出入口結構型式如圖3所示(此處為說明特點的需要,取最大結構凈高處)。
    2.2 支護參數
    如圖3所示,本出入口結構超前支護采用32×3.25普通鋼管注漿,鋼插管單長2m,每榀鋼拱架排管一排,漿液為改性水玻璃;初期支護為C20噴射混凝土,鋼筋網鋼筋為6,網格100mm×100mm;鋼拱架為“8”字節框架格柵,主筋425,“8”字節框架14,鋼拱架節間用角鋼、螺栓聯結;縱向聯結筋22,頂部間距0.5m;二次襯砌C40防水鋼筋混凝土。在初期支護表面固定PE襯墊,用EVA薄膜作為外防水層,防水層無釘鋪設。
    2.3 通道主體結構施工方法
    理論及實踐證明,在第四紀地層中修建淺埋、大跨地下結構,CRD工法是比較成熟、有效及可靠的施工方法。因為CRD工法具有“小分塊、短臺階、多循環、快封閉”的特點,將結構自上而下分塊成環,化大跨為小跨,這樣就抓住了跨度與地面變形成正比這個主要矛盾。將大跨變為小跨施工,可以有效的控制結構及地面的變形,保證施工安全,也符合“新奧法”所倡導的對地層擾動小、及時支護的精神。因此綜合分析本工程的特點,首選方法應為CRD工法。
如上所述,本出入口結構開挖跨度8.6m,在如此敏感地區,采用CRD工法時,宜將結構施工分為三跨,以確保有效地限制地表下沉。
    至于三跨結構的施工是采用“中洞法”,還是“側洞法”,國內有關技術人員及學者早有實踐及論述,在此不用贅述。我們在施工時采用國內觀點比較一致、且較為推崇的“中洞法”。因為該法首先開挖及進行中跨的初期支護,中跨的初期支護完成后將形成一個巨大的剛體,對頂部及側面圍巖起到有效的變位約束,且對地層的擾動影響疊加最小。這樣,選擇了一個良好的施工方法就為保證施工的順利進行奠定了堅實的基礎。本出入口的施工方法見圖4。
    2.4 重點技術
    通過本工程的成功實踐表明,以下幾個方面的技術是保證工程順利進行的關鍵:
    (1)結構頂部的小導管注漿及初期支護背后回填注漿,甚至必要時在每步鋼拱架的腳部設置的鎖腳注漿錨管,都是對控制地面下沉起到十分關鍵作用的重要工序,應結合相應工程特點加以選用。
    (2)采用CRD工法進行淺埋大跨結構的暗挖施工時,頂部分塊的大小將最終影響地面下沉量。實踐證明,頂部施工所引起的地面下沉值占最終地面總下沉量的60%~70%。因此,進行施工方案設計時,應以快速掘進、快速封閉為原則。本工程上部分塊高度取值較小,為1.65m,取得了較滿意的效果。
    (3)中洞先行所完成的穩定受力結構對控制地面變形和約束側洞開挖產生的地面變形,有明顯的效果。且先施工中洞、后施工兩側洞,還能減小施工的風險性,也能對處理突發事件提供有利的條件。
    (4)二次襯砌背后的回填注漿工藝,以及漿液的配比及注漿參數應科學選擇,這是平頂直墻結構施工中的重要一環。
    2.5 與過街道接口段的施工
    (1)結構處理
    既有過街道凈跨度12m,已于1991年完工,本出入口與之銜接時須在其東邊墻上開洞。這樣,既有的過街道平衡受力體系將遭到破壞。為了使過街道結構因出入口的施工所受到的影響減少到最小程度,在施工時采取了以下措施:
1在過街道擬開洞處靠東邊墻2m范圍內,架設帶可調裝置的臨時立撐,上端通過型鋼托住過街道頂板,下端通過鋼墊板置于過街道底板上,臨時立撐縱橫聯結形成剛性體。開洞前通過可調裝置使過街道頂板預上撓一定的量。
    2采用無損切割技術進行開洞作業。
    3為使新、舊兩個結構銜接良好,要求將接口處鑿毛并沖洗干凈,而且二者鋼筋須保證有效搭接,模筑微膨脹混凝土,設置變形縫。
    4模筑混凝土強度達100%后方能撤除臨時立撐。
    (2)新老結構防水銜接
    新老結構防水的銜接,關鍵是兩種防水材料的相容性及銜接的可靠性。同時,必須極力維護老結構防水系統的完全。銜接基面要求干燥、干凈。在新結構施工時可向接口處以外開挖適當距離,以利二者防水材料有足夠長度的銜接。鑒于過街道防水體系以瀝青類材料為主,而出入口結構的防水材料為EVA薄膜,我們的銜接方案是,先在過街道防水材料上敷以SBS,再用ECB將EVA與SBS過渡連接。施工時注意保證防水材料有一定的變形富裕量及不同防水材料間的足夠搭接長度。
    2.6 施工監測
    施工監測是施工中的重要環節,以監控量測信息指導施工是淺埋暗挖法施工必不可少的組成部分。及時對施工過程中的結構受力以周圍土體在不同工作狀態下的力學性能和收斂情況進行動態監測,結合本工程的特點,通過對地層及支護狀況的觀察、地表下沉、頂部下沉、隧道周邊收斂等項目的監測,有效地控制了結構變位及地表沉降,確保工程施工的順利進行和結構的穩定與安全。
    3 結語
    綜上所述,通過該出入口的精心施工,實踐并完善了在第四紀地層中超淺埋暗挖平頂直墻結構的控制地面變形技術,以及兩個新老大跨結構的銜接技術。本工程的實施中,不但使地面變形在如此復雜的條件下得以有效控制,確保了地面交通及地下管線的穩定與安全,而且該結構在超淺埋的情況下還通過了國慶五十周年閱兵的成功檢驗。因此我們可以說,CRD工法、中洞先行、兩側洞先后錯開跟進等具體施工工藝,是有效控制地面變形的重要技術之一。
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