淺埋暗挖隧道扣拱施工影響效應分析

王 坤，楊會軍，孔 恒

(1.中鐵隧道集團海外工程有限公司，河南洛陽 471009;2.中鐵六局集團有限公司，北京 100036;3.北京市政建設集團有限責任公司，北京 100045)

0 引言

在淺埋暗挖隧道扣拱開挖支護施工中，受空間效應、時間效應以及群洞效應的影響，拱頂鋼格柵和小導洞鋼格柵相交點處易產生應力集中［1－4］、塑性區域疊加、地層反復擾動等現象，影響拱部初期支護穩定性，易導致結構失穩。尤其在中跨開挖支護及二次襯砌時，力學轉換復雜，不平衡推力易引起邊跨混凝土開裂，出現滲漏水。在相關研究中:文獻［5］對多導洞施工影響效應進行分析;文獻［6］介紹了初期支護扣拱和二次襯砌扣拱的施工順序和方法;文獻［7］系統論述了二次襯砌扣拱施工技術。這些論述限于施工技術的論述，對扣拱施工的影響效應系統著述的并不多見。本文結合北京地鐵4號線宣武門車站扣拱施工，對拱部開挖初期支護、導洞側壁拆除、二次襯砌施工產生的力學和變形影響效應進行分析。

1 工程概況

北京地鐵4號線宣武門車站工程，里程為K7+736.7～+924.6，長187.9 m，為兩端雙層中間單層采用淺埋暗挖施工的車站。車站主體結構為雙層三跨三連拱結構、8個施工導洞的斷面，采用“PBA法”施工。施工總體順序為:先施工8個小導洞，利用上部邊導洞施作鉆孔圍護樁，利用下部邊導洞施工底縱梁，利用上部中導洞施作鋼管柱，施作主體天梁;再開挖上導洞間拱部土體，施作拱部二次襯砌;最后按逆作法邊下挖，邊施作結構二次襯砌。

扣拱段覆土厚8.00 m，扣拱施工跨度5.8 m，高5 m。拱部位于粉細砂層、中粗砂層;水位埋深20.50～24.30 m，車站所處地層復雜、地下水豐富、自穩性差，特別是砂層對覆土層厚度特別敏感，覆土小，拱頂沉降大，給施工帶來的困難大。

2 扣拱施工關鍵技術

拱部開挖按照“十八字”方針［1－2］，采用臺階法施工，按照“先對稱開挖邊跨拱部，后開挖中跨拱部”順序施工。二次襯砌采用鋼筋混凝土，每段襯砌長度為6 m。為方便下組襯砌鋼筋綁扎及支模施工，前組扣拱基面處理、導洞側壁拆除、防水板鋪設均比二次襯砌混凝土施工縫超前2 m。

2.1 超前支護

拱部土體超前支護采用φ32超前小導管，外插角為5°～12°，長度為 2.5 m，環向間距為 300 mm，縱向間距為1 m，壓注水泥－水玻璃雙液漿，注漿壓力為0.3 ～0.5 MPa。

2.2 初期支護開挖

1)采用臺階法開挖，上下臺階長度不大于2 m，臺階坡度不小于1∶0.5。

2)初期支護采用格柵+C20噴射早強混凝土。開挖支護范圍如圖1所示。

3)初期支護結束后及時回填注漿，注漿材料采用水泥砂漿漿液。

圖1 拱部開挖支護示意圖(單位:mm)Fig.1 Excavation and support of tunnel arch(mm)

2.3 臨時支撐安裝

拱部擴挖后為保證其穩定性，防止拱部沉降對初期支護結構造成影響，在導洞側壁初期支護拆除前對拱部進行臨時支撐加固。支撐系統采用150 mm×150 mm的方木，豎撐上、下均設置一根縱向方木梁，豎撐縱向間距1.5 m、且采用50 mm厚木板將豎撐連為整體。

2.4 導洞側壁初期支護拆除

在施作二次襯砌前，將影響施工兩側導洞的初期支護混凝土破除，并將側壁格柵拱架分段割除，以實現拱腳部位的擴挖。其施工的力學轉換復雜，應力和變形的集中釋放顯著，而且，其矢跨比將減小，受力條件不好。

1)兩側導洞側壁的初期支護格柵拱架按照“分段、隔榀、少量”的割除原則。割除完成后，待變形穩定后再進行下段的割除。

2)拆除時，采取石棉毯覆蓋或木板遮擋等措施加強對防水板預留接頭的保護。

3)格柵割除后，對扣拱與小導洞相連接的連接板出現連接質量不好的地方進行補強焊接，保證連接質量。

2.5 扣拱襯砌施工

二次襯砌采取“縱向分段、先邊跨、后中跨”施工，采用組合可調圓弧鋼模板+碗口式滿堂紅腳手架模板支撐體系，縱向分段長度為6～8 m(1倍跨度左右)。

拱部二次襯砌施工完成后，及時進行二次襯砌背后壓漿，漿液強度同混凝土強度。同時漿液中應加入適量膨脹劑及減水劑，以增加漿液的早期強度、和易性及微脹性。

3 監控量測

3.1 地層壓力量測布設

分別在中跨K7+797，K7+809斷面布設壓力量測斷面，埋設于初期支護背后。壓力盒布置如圖3所示。

3.2 收斂變形量測斷面布設

分別在兩側邊跨、中跨K7+792，K7+793，K7+816斷面布設水平收斂測線。收斂測線布設示意見圖4。

圖2 拱部模板支撐體系示意圖Fig.2 Formwork supports of tunnel arch

圖3 壓力盒布置圖Fig.3 Layout of pressure cells

圖4 收斂測線布設示意圖Fig.4 Layout of convergence monitoring lines

4 影響效應分析

4.1 力學特征

1)應力量測結果如圖5所示。開挖后拱頂壓力較小，小于初始應力，這是由于上覆土體受到鄰近土體摩擦力和黏結力的作用而引起的承載拱效應［1］，這在一定程度上減小了覆蓋土層的垂直應力。拱肩壓力較大，最大值達到0.05 MPa。

2)圖6為K7+809斷面土層應力－變形關系曲線。由圖6可以看出，其土層應力－變形關系有明顯的峰值，拱肩達到0.05 MPa，拱頂不是很明顯，超過峰值后，隨著變形的增加應力逐步降低，呈變形軟化型［8］。這是由于拱肩砂土在剪切時，砂粒之間產生相對滾動，土顆粒之間的位置重新排列的結果。在拱頂，上覆土層的壓力基本保持不變，隨著變形的增加應力下降緩慢。

圖5 中跨施工應力－時間變化曲線(2005年)Fig.5 Time-dependent curves of stress during mid-span construction in 2005

圖6 應力－變形關系曲線Fig.6 Relationship between stress and deformation

3)應力變化具有明顯的空間效應，如圖7所示。在開挖初期支護過程中，應力緩慢增加，當破除前期小導洞混凝土、割除格柵時，中跨洞徑由原來的2.60 m增大到5.8 m，拱墻地層應力釋放，作用在結構上的荷載隨之降低。在中跨二次襯砌過程中，由于襯砌結構限制了地層的變位，因此，作用在結構上的荷載再次增加，這種變化在拱肩最為明顯。拱頂荷載較小，且在工序變化過程中基本保持不變。

圖7 應力隨施工工序變化曲線(2005年)Fig.7 Relationship between stress and construction step in 2005

4.2 變形特征

1)圖8為中跨開挖支護過程中洞周土體的變形特征。由于K7+792，K7+793斷面是臨時橫通道，已經施作了二次襯砌，中跨的開挖是從K7+800開始，且中跨施工時，K7+792，K7+793變形已經穩定，因此，中跨開挖施工對這2個斷面的影響很小，在－1～+1 mm波動。而K7+809斷面收斂變形出現較為明顯的特征:最大值為3 mm，縱向距離為11 m，約為4.15倍洞徑。

圖8 收斂變形曲線(2005年)Fig.8 Curves of convergence in 2005

2)中跨不同施工階段所引起的土體變形大小不同，圖9是中跨初期支護拱架割除所引起的拱頂沉降的變化曲線。在拱架割除過程中，產生了2～10 mm下沉量，占總下沉量的30%。根據統計，由于割除速度過快，引起拱頂下沉突變。通過控制割除速度、分段、隔榀割除等措施，可明顯減小拱頂的下沉。

圖9 初期支護割除對拱頂下沉的影響(2005年)Fig.9 Crown settlement induced by primary support dismantling in 2005

3)圖10為K7+816斷面開挖通過前后中跨、兩側邊跨土體收斂變形－距離開挖面曲線關系。當中跨開挖還沒有到達該斷面時，變形已經產生，這主要是因為開挖在其前方產生了影響范圍，如果以變形為零作為分界線，可以推算，掌子面前方影響區縱向距離為－6 m，約等于2倍洞徑，通過掌子面時收斂值為1.2 mm，收斂達到穩定時，最大值達到3.1 mm，位置在掌子面后方6 m，約等于2倍洞徑。

圖10 收斂變形－距離開挖面關系曲線Fig.10 Relationship between convergence and distance from working face

5 結論與討論

1)上覆土體的承載拱效應在一定程度上減小了覆蓋土層的垂直應力，應力變化具有明顯的空間效應。隨著施工工序的變化，應力相應變化，這種變化拱肩變化最為明顯，拱頂變化較小，且在工序變化過程中基本保持不變。

2)中跨施工時，引起兩側邊跨出現收斂變形，且這種變形具有相關性。同時，施工的不同工序引起的變形不同，初期支護拱架割除產生的1～2 mm的下沉量占總下沉量的30%，可通過控制割除速度、分段隔榀割除等措施，減小拱頂下沉。

3)初期支護割除對拱頂下沉的影響具有明顯的空間效應和時間效應，隨著與割除斷面距離的增加，拱頂下沉迅速減小。掌子面前方影響區縱向距離為－6 m，約等于2倍洞徑，通過掌子面時收斂值為1.2 mm，收斂達到穩定時，最大值達到3.1 mm，位置在掌子面后方6 m，約等于2倍洞徑。

4)當中跨收斂變化時，兩側邊跨也出現相關性變化的影響效應，有待進一步研究，重點解決減少中跨、邊跨施工的相互影響問題。

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