1、北京地铁王府井东单区间折返线及渡线施工方案研究与实施陈西霞邢玲艳(铁道部第十六工程局)【提要】结合地铁王府井东单区间隧道工程折返线及渡线段工程施工实例,对浅埋暗挖洞群施工技术方案进行研究、剖析。【关键词】浅埋暗挖折返线渡线施工方案研究1工程概况北京地铁王府井东单区间隧道工程位于地面车水马龙、地下管网密布的东长安街下,隧道全长518 m,共有10种不同断面型式,各种断面交错分布,频繁变化,其中最大断面开挖尺寸为1412 m101678 m(宽高),隧道断面最高达1517 m。本区间设有折返段,包含两条渡线、一条预留线、两个施工通道及两端迂回通道、隔断门等(如图1)。图1王府井东单区间折返线平面图
2、区间所处地层为永定河冲洪积扇脊部的中下部,属第四纪地层。表层为沥青混凝土路面及人工杂填土,往下依次为轻亚粘土层、中细砂层、砾层、亚粘土层、中砂层、粘土层,洞体通过的地层主要为粘性土、砂类土和砾石沉积互层,地层自稳能力差,加之地处交通要道,地面动荷载引的震动大,易坍塌。本地段地下水位较高,自地表向下依次蕴藏着上层滞水、潜水、承压水。上层滞水水位及水量受季节性降水及地下给排水管道渗漏水等影响,变化很大;潜水水位埋深12141612 m,渗透系数为100120 m?d;承压水水位埋深2铁道建筑1999年第2期 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,
3、Ltd.All rights reserved.15172014 m,渗水系数为150180 m?d。在隧道的开挖、支护中,由于上半部潜水及下半部承压水的存在,洞内极易产生流砂现象,底部有可能产生突涌或隆起。为使施工达到无水作业条件,本区段选用深井大井点及自渗井相结合的区域性降水,同时对滞水层采用大口井无砂管接力抽排水的方法在隧洞内进行降水。根据各种不同断面型式特点及所处地质条件,本着“稳妥可靠、安全优质”的原则,对浅埋暗挖各种施工方法进行了反复比选、研究,从而拟定了适应不同断面型式、不同地质特点的施工方案。2问题的提出本区间东西两条渡线斜贯南北正线,结构受力转换十分复杂,在渡线与区间正线汇合
4、为一洞室处,结构跨度达1412 m(7-7断面),如此大断面分块开挖,将多次扰动原状土体,使得地面沉降量难以控制,加之本区间折返线断面由小到大、由大到小频繁变化,给设计和施工带来极大难度。因此,对本段工程的施工方案需作深入的研究、分析。3方案的研究鉴于本工程所处的特殊地理位置,我们确定了选用施工方案的基本原则,即施工中确保地面环境稳定,地中管网正常运营,由开挖支护引起的地面最大沉降值不超过30 mm;具有可连续性,能兼顾前后断面结构的型式变化及工法转换;可操作性强,施工方法既要有先进性,同时也应充分考虑我国现阶段在工程技术方面的国情;工期短,造价低。311超前支护方案的研究由于本区间隧道处于软
5、弱地层中,土体开挖后地层不稳定或稳定时间极短,支护结构初表1超前支护方案比选超前支护类型锚杆小导管注浆大管棚注浆大管棚与小导管注浆综合运用适用地层及断面拱顶为粘土层,断面跨度小于8.5 m拱顶为砂土层,断面跨度较大拱顶为砂土层或粘土层,断面跨度大于815 m特点11构件长度短,作为超前支护无法传递土压荷载,沉降量大;21支护构件刚度小,承载能力低,受载挠度大;31支护作用长度不够,对掌子面土体滑移的约束力小;41无需大型机具设备,具有灵活机动、易于施工的优点。11作为超前支护,管棚长度较长、刚度大,承载能力高,受载挠度小,可减小地面沉降量;21钻孔机具需要有足够的作业空间;31循环作业时间较长
6、,影响工期。表2开挖支护施工方案比较开挖支护方案台阶法中隔壁法“眼镜”法中洞法侧洞法主要特点拱脚应力大,接触面小,拱部易坍塌。断面分割,可有效控制沉降量。利用侧壁导坑先行,开挖时间短。工序多,拆除量大。开挖量大,拆除量少,工序少。适用断面小较大大大较大沉降量大小小较小较大工期短较长长较长较短造价低较高高较高较低3铁道建筑1999年第2期 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.期承受压力大,变形快,如果控制不当,地层很快松弛,所以施工中必须选用适当的辅助措施对隧道周围地层进行超前支护或预加固,将掌
7、子面前方土层因开挖释放的能量传至后部稳定土体中,以达到控制地面沉降,防止坍塌的目的。表1对工程待选的几种超前支护方案的特点、适用的地质条件及断面形式进行了对比分析。312开挖支护方案的研究地下浅埋暗挖工程开挖支护施工方法主要有台阶法、中隔壁法、“眼镜”法、中洞法和侧洞法,不同的施工方法具有不同的特点。为便于分析,现就上述各主要施工方法的特点、适用条件、沉降量控制效果、工期、造价等方面作一比较,见表2。4工程的实施411超前支护的施工通过对几种超前支护方案的比选,结合本区间所处地质条件,工程除在施工通道进入正线开口处采用大管棚超前支护外,其它地段均选择以小导管注浆作为主要超前支护手段。小导管注浆
8、支护参数如下:图2小导管注浆示意图小导管:42 mm钢管,L=215315 m,外插角1316,环 向 间 距=2533 cm,搭接115 m。浆液:水玻璃单液浆,11Be硫酸18Be水玻璃=11181212,pH值=311315。注浆区域:开挖轮廓线以外115 m范围内。注浆压力:013015M Pa。412区间折返线开挖支护的施工根据区间折返线断面类型、地面沉降控制分析以及工期、造价比较,同时兼顾前后断面施工的衔接,施工确定了如表3所列开挖支护方法。413渡线段施工本区间隧道有两个渡线段,即B209+69B210+06(如图1)和B206+21B206+64。其中包括了1-1、3-3、8-
9、8、7-7、6-6五种断面型式,结构尺寸相差甚大。图3渡线段主要施工程序4铁道建筑1999年第2期 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.以东侧渡线段交叉口施工为例(见图3),从图中可以看出,渡线段跨度很大,南北正线通过交叉口8-8断面相连通,横贯长安街地下,由采用正台阶法施工的两个小断面(1-1、3-3)进入采用“眼镜”法施工的大断面(7-7),受力相当复杂,交叉口三角状土体最薄处仅为115 m,需承受来自两个洞室的土压力,结构的稳定难以保证,因此施工中必须采取加强支护措施以及合理的施工工序。
10、表3开挖方法的施工程序及断面分块开挖支护方法断面形式开挖尺寸(mm)施工程序及其示意图正台阶法1-15176112-251861123-361361228-86106116环状开挖1部土体;架格栅挂网、安置纵向连接筋,喷混凝土;拱顶设超前小导管或钢筋,拱脚设置锚杆或锚管,并注浆固结地层;开挖2部土体,上、下台阶相距610 m,开挖3部土体,架格栅、挂网、喷混凝土;开挖4部土体,架仰拱格栅,喷混凝土,初期支护封闭成环,拱背注浆。中隔壁法4-48197111环形开挖1部土体,开挖进尺不超过1 m;架格栅挂网、安置纵向连接筋,喷混凝土;打超前小导管或锚杆,注浆固结地层;相错2 m开挖支护2部土体;与
11、1部相错4 m开挖支护3部土体,架格栅挂网、喷混凝土,待边墙开挖封闭两榀即架设3部仰拱格栅、喷锚、封闭;与3部相错4 m开挖支护4部土体,架格栅挂网、喷混凝土、封闭;拱背注浆,拆除临时中隔壁和临时横撑,进入下道工序。眼镜法6-612129106-6A12129137-7141210177-7A14121111“眼镜”宽4.4 m,高715 m,分上下两部开挖。环状开挖1部土体,开挖进尺不超过1 m;架格栅挂网、安置纵向连接筋;打超前小导管和锚杆,注浆固结地层,喷混凝土;相错4 m随即开挖2部土体,架格栅挂网、喷混凝土;架2部仰拱格栅,喷锚、封闭;与1部相错4 m开挖支护另一眼镜3、4部;两眼镜
12、开挖封闭10 m,以正台阶法开挖支护中部土体5部,架格栅挂网、喷混凝土,打超前小导管和锚杆,拱部格栅与两眼镜格栅焊接牢固,6部仰拱与两侧眼镜仰拱相焊接;喷混凝土,拱背注浆,完成整个洞体的封闭。中洞法5-511136155先做中洞,而后作两侧边洞。中洞宽4 m,高4 m,采用台阶法施工,待中洞与侧洞相距10 m,即按台阶工法的开挖支护程序分先后相错5 m开挖支护两侧边洞。拱背注浆,完成洞体封闭。5铁道建筑1999年第2期 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.(1)加强支护措施增设护墙小导管注浆,
13、提高交叉口处土体的自稳能力:开挖支护3-3、1-1、8-8断面隧道时,在交叉口10 m范围内垂直边墙打设 42 mm护墙小导管,导管长315 m,间距每m 3根,自上而下呈梅花形布置,内注水泥、水玻璃双液浆,加固边墙。适当加密格栅间距,增加初期支护的强度:将交叉口10 m范围内的1-1、3-3、8-8断面格栅间距由原设计的1m 1榀改为015 m1榀,小导管由原设计的单根长315 m改为215 m,确保注浆效果。增设纵向连接筋,提高整个结构的刚度:施工渡线段两个大断面(7-7)时,纵向连接筋由原设计的每m 1根增加至每m 2根。(2)优化施工工序开挖8-8断面前,先施作1-1、3-3断面B20
14、9+69B209+79段二衬,1-1、8-8断面抬高段拱部用同级混凝土回填,7-7断面开挖后,立即施作8-8断面二衬,确保渡线交叉口处结构稳定。渡线段具体施工程序如图3:南正线1-1断面施工至渡线B209+76处开始挑高,直至与7-7断面“眼镜”齐平,至B209+79处1-1抬高断面封端,同时架格栅,挂网,喷30 cm厚混凝土,在1-1抬高断面内开挖支护7-7断面右“眼镜”,由7-7断面“眼镜”继续向前施工至6-6断面“眼镜”;北正线7-7断面左“眼镜”掘进至渡线里程B209+69前面1 m处进行封端,在左“眼镜”内架双榀格栅加强支护并套挖3-3断面。施作北正线3-3断面及南正线1-1断面衬砌
15、,待混凝土强度达到75%以上时,开始施工渡线段交叉口8-8断面,并逐步挑高直至抬到7-7断面“眼镜”高度,在8-8抬高断面内开挖支护7-7断面左“眼镜”。7-7断面核心土体的开挖需要先从两侧“眼镜”内向中部挖一中槽,再从中槽内向东、西方向展开施工,待7-7断面开挖支护完后,8-8断面二衬与南正线开挖支护平行作业,完成渡线交叉口段永久结构的施工。414监控量测的实施为确保此段隧道施工时结构安全稳定,及时了解结构受力状况及周围土体在不同工作状态下的力学动态和收敛状况,在施工中对地表下沉、拱顶下沉、钢筋应力、净空收敛均进行了严密监测,并对监测结果作了动态分析。量测结果显示:地表最大沉降量23 mm,
16、收敛值3 mm,拱顶下沉值20 mm,均在允许范围内。5结束语地铁“王东”区间折返段,包含十种不同结构断面型式,断面交错变化几十处,施工方法集台阶法、中隔壁法、眼镜法、中洞法之大成,成为暗挖工法的“博物馆”。在施工方案的选择和实施方面,既考虑了保证结构的安全、地面环境的稳定,同时又兼顾了前后不同断面的型式和工法的巧妙过渡,工期和施工质量得到有效保障。改回日期:1998-11-26(责任审编邵根大)审慎确定隧道岩石类别岩石类别直接在隧道掌子面上确定。承包者提出关于岩石类别的建议,必须得到业主代表的同意。建议必须是建立在经过审定的细部设计的基础上,并且必须考虑下列三个准则:(1)设计和施工的静力计算必须由数值分析、参数研究和审慎评估三部分组成;(2)土工记录由现场调查、掌子面地质描述和参数的确定及其推断所组成;(3)监控量测包括变形监测、应力和应变监测,以及地下水位监测。这些方法的任何输出结果,必须由负责人进行分析和解释,同时把他们的经验也考虑进去。确定岩石类别是对整个隧道断面而言的,并在分步开挖中基本上不变化。(路石供稿)6铁道建筑1999年第2期 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.
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