既有人防隧道改造為地鐵區(qū)間的施工力學行為研究

楊 崢

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 概述

我國目前處于大規(guī)模基礎設施建設時期,隨著社會的發(fā)展,我國將從土建大國變成修繕大國,因此有必要對工程維修及擴能改造等一系列問題進行深入研究,為今后工程維修積累經驗。

哈爾濱某人防工程建于20世紀70年代,使用鐵路設計規(guī)范和施工規(guī)范,采用當時北京地鐵1號線設計標準。哈爾濱地鐵1號線一期工程利用其中5.4 km作為地鐵區(qū)間。受當時施工條件、技術標準等因素的限制,既有人防隧道不能直接為地鐵區(qū)間加以利用,必須加以修繕改造后利用。因此如何利用既有隧道結構就成為哈市地鐵能否順利通車的關鍵點之一。

該人防工程既有隧道修復利用技術具有很高的復雜性和綜合性,其中包括既有車站的加固利用、既有區(qū)間的擴挖、地下商業(yè)街下方矩形斷面的處理等一系列技術問題,其中既有區(qū)間的單邊擴挖工法在國內尚無先例。其修繕經驗在國內外也屈指可數。

文章依托既有人防隧道改造利用工程,對采用單側擴挖法改造利用的隧道進行了深入的分析,所得的數據和結論不僅為改造隧道的支護體系設計及優(yōu)化提供依據,進而可以指導隧道現場施工,而且可望為同類隧道的設計、施工和研究提供有益的借鑒和參考。

2 工程概況

既有人防隧道工程使用鐵路設計規(guī)范和施工規(guī)范,采用“馬蹄形”設計斷面形式,按北京地鐵1號線設計標準,限界按DK-3型地鐵機車車型。人防隧道為雙線隧道,隧道上方覆土厚12～15 m。

哈爾濱地鐵1號線一期工程利用既有人防隧道結構5.4 km,既有標準斷面改造區(qū)間斷面采用單洞雙線馬蹄形斷面,結構斷面如圖1所示,采用暗挖法施工,限于當時技術條件,以人力挖掘為主,簡單的機械施工為輔,土方開挖形式采取正臺階法,襯砌采用單層襯砌結構,施工過程中先澆筑襯砌的拱部結構,后澆筑邊墻及仰拱結構,限于當時客觀條件,多數襯砌背后超挖部分未按要求壓漿回填,僅以建筑垃圾、碎石等回填。

圖1 人防隧道結構橫剖面(單位：mm)

既有人防隧道改造利用段地層主要由第四紀全新世人工堆積層(Q4ml)、上更新統(tǒng)哈爾濱組地層(Q3hr2al)、中更新統(tǒng)上荒山組地層(Q2h2l)、下荒山組地層(Q2hlal)、下更新統(tǒng)東深井組地層(Q1dn2l)、猞猁組地層(Q1sh1al)組成,巖性為黏質黏土、粉土、砂類土,穩(wěn)定地下水位于結構仰拱以下,對施工影響較小。

3 施工方法及支護參數

隧道及地下洞室工程,其核心問題都歸結在開挖和支護2個關鍵工序上。即如何開挖,才能更有利于洞室的穩(wěn)定和便于支護；若需支護時,又如何支護才能更有效地保證洞室穩(wěn)定和便于開挖。這是隧道及地下工程中2個相互促進又相互制約的問題。地下工程在施工過程中應以少擾動圍巖、盡快施工初期支護并及時量測為原則,既“短進尺、強支護、早封閉、勤量測”。

為充分利用既有人防隧道結構。方案設計將線位在既有人防隧道結構線位基礎上橫向偏移400～600 mm,軌頂面下移300～400 mm。利用拱形結構在空間上位置關系,充分利用既有人防隧道結構作為初期支護,局部開挖,局部支護,在此基礎上修建二次襯砌,新建結構與既有人防隧道結構關系詳見圖2。

圖2 人防隧道結構與新建結構關系(單位：mm)

為充分利用既有人防隧道結構，避免結構大面積的鑿除破壞的同時兼顧結構限界及線路等方面的要求,確定施工工序如下(圖3)。

圖3 施工工序

第1步：采用跳槽法破除既有人防隧道結構在仰拱填充及仰拱處侵限界的混凝土結構。

第2步：施工仰拱部分初期支護結構,仰拱部分初期支護施做完成后,在槽段兩側架設臨時型鋼支撐。

第3步：破除該槽段內既有人防隧道側墻結構,擴挖土體至設計輪廓線。

第4步：打設小導管等超前支護結構,架設側墻格柵鋼架并將格柵鋼架與既有結構連接成環(huán),噴射混凝土,封閉該環(huán)初期支護。

第5步：鋪設防水板,施做二次襯砌仰拱結構,預留鋼筋及防水連接條件。

第6步：施做拱墻二次襯砌。

在縱向人防隧道改造施工采用跳槽法施工,施工槽段長1.5 m,施工段間距12 m,第1步先施工1、3槽段,第2步施工5、7槽段,第3步施工2、4槽段,第4步施工6、8槽段,沿隧道縱向施工工序詳見圖4。

圖4 沿隧道縱向施工工序

該施工方案采用了局部擴挖,局部支護的施工方法,施工過程中采用跳槽法施工,槽段長1.5 m。該施工方案在既有人防隧道結構破除后能迅速封閉成環(huán),結構受力轉換明確。

單側擴挖法超前支護采用鋼管超前注漿輔以超前導管方式,小導管采用φ42 mm普通鋼管,壁厚4 mm。環(huán)向間距30 cm。管頭為30°的錐體,預留止?jié){段長1.0 m,花管部分鉆有φ8 mm注漿孔,梅花形布置,間距30 cm。支護體系采用格柵拱架。格柵鋼架0.75 m,網噴30 cm噴射混凝土。二次襯砌采用40 cm厚C40鋼筋混凝土結構。

4 數值模擬

人防洞體改造采用單側擴挖法施工,結構在鑿除過程中,不可避免地會出現因既有人防隧道結構鑿除而結構在平面內剛度削弱,因此利用人防結構在縱向上的剛度將成為工程能否順利實施的關鍵。

由于既有人防隧道改造施工采用分步擴挖,跳槽施工,施工工序復雜,對圍巖有多次擾動,槽段長度及二次襯砌施做時機等參數直接影響結構的穩(wěn)定性。所以把握擴挖、支護過程中既有人防隧道及新建支護結構的受力狀態(tài)顯得尤為重要。

考慮空間效應等對模擬分析的影響,確定模型長45 m,寬度100 m,高度為50 m,模型劃分為30個施工步驟,槽段長度1.5 m,結合機械設備情況,確定施工間隔18 m,模型前、后及左、右面邊界均采用水平約束,底邊界受豎向約束,頂面為自由面；模擬分析軟件采用Midas Gen,計算模型共劃分79 260個單元,79 296個節(jié)點；巖土體本構方程采用DP彈塑性非線性本構模型,計算模型見圖5,考慮地面超載考慮20 kPa。

隧道開挖,實質上是襯砌結構剛度和荷載的遷移,在破除和支護處均有“預設單元”,利用Midas Gen的“鈍化”和“激活”功能模擬施工工況。每破除及開挖一步,破除及開挖的土體單元被“鈍化”,同時支護單元被“激活”來模擬支護作用,如此循環(huán)前進,直至完成該段施工。

圖5 既有人防洞體有限元模型

模擬過程按照施工步1、2、3、4分別進行模擬分析,取已施工完成段區(qū)1施工槽段為分析對象,圖6為1、2、3、4施工步施工完成后,初期支護結構以完成段1的主應力圖。

圖6 初支結構主應力圖

從已完成區(qū)段1施工槽段主應力圖可以看出,最大主應力為擴挖段新建初期支護側墻部位,擴挖段側墻結構格柵鋼架輔以30 cm厚網噴C25混凝土,結構剛度相對既有結構較弱,初期支護封閉成環(huán)后,相應結構內力較大,結構最大內力出現在墻角部位,因此初期支護在該處采用擴大端墻角結構進行了加強,確保初期支護結構的穩(wěn)定。

與新建隧道不同,改造隧道沿隧道縱向采用跳槽法施工,施工槽段施工相互影響,表1為1、2、3、4施工步施工完成后,初期支護結構已完成段1的主應力增減情況。從表1中可以看出施工步1、3完成后,內力增加較小,其中施工步1完成后,初期支護主應力增加0.02～0.04 MPa,施工步3完成后,初期支護主應力增加0.05～0.08 MPa,施工步2、4完成后,內力增加較大,特別是施工步4完成后,內力增加0.09～0.13 MPa,因此相關施工段施工過程中,對已施工完初期支護的監(jiān)測顯得非常重要。

表1 初期支護內力增量 MPa

圖7為1、2、3、4施工步施工完成后,初期支護結構以完成段1的豎向位移圖。結構最大豎向位移出現在仰拱部位,豎向位移為+17 mm,仰拱在施工過程中受力相對較為薄弱,因此初期支護完成后,快速完成二次襯砌仰拱部分結構,不僅可以為下一施工工序創(chuàng)造施工通道,而且可以確保施工過程中仰拱的穩(wěn)定。

圖7 初支結構豎向位移圖

5 現場監(jiān)控量測及數據處理與信息反饋

周邊收斂和拱頂沉降是地下結構信息化施工的重要觀測數據,其結果是判斷支護效果,指導施工工序,保證施工質量和安全的最基本的資料。根據單側擴挖法施工工序的特點,每個周邊收斂布置3條測設基線,側線布置詳見圖8。

圖8 周邊收斂側線布置

圖9為初期支護周邊收斂時態(tài)曲線,結合施工工序,通過對時態(tài)曲線的分析可得出相鄰槽段施工對以施工完成段影響較大,在相鄰槽段施工期內,施工已完成段水平收斂達到6 mm,在相鄰槽段施工完成后,時態(tài)曲線收斂。

初期支護新建側側墻收斂曲線數值稍大于既有側側墻收斂結果,分析其原因主要為新建側初期支護剛度相對既有結構較弱,結構變形相對較大,人防工程在施工過程中已擾動原狀地層,擾動后地層經幾十年的固結沉降,可認為應力重新分布完成。新建側土體擴挖后應力釋放后對未擴挖側也有影響,但影響相對擴挖側較小。

圖9 周邊收斂時態(tài)曲線

6 結論

通過對既有人防隧道改造為地鐵區(qū)間的施工力學行為研究分析,結合監(jiān)控量測結果,得到如下結論。

(1)初期支護封閉成環(huán)后,結構內力較大部位為擴挖側側墻部位,結構最大內力出現在墻角部位,因此初期支護在該處特別是墻角部位應采取必要的加強措施，確保初期支護結構的穩(wěn)定。

(2)初期支護完成后,仰拱部位位移收斂較大,因此初支完成后,應盡快完成二次襯砌仰拱部分結構,不僅可以為下一施工工序創(chuàng)造施工通道,而且可以確保施工過程中仰拱的穩(wěn)定。

(3)擴挖側支護結構及初支背后的土體的穩(wěn)定與相鄰槽段施工關系密切,相鄰槽段施工過程中需對以施工完成槽段加強觀測。

(4)施工槽段的長度,施工段落的劃分務必結合隧道的地質條件、初期支護強度及收斂速率等做出準確的判斷與計算,防止結構出現失穩(wěn)破壞。

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