[分享]地铁区间隧道结构与施工方法

发表于2019-07-16     1307人浏览     1人跟帖     总热度:752  

一、暗挖施工方法比较与选择
(一)喷锚暗挖(矿山)法
施工基本流程见图1K413012-1。
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该法采用先柔后刚复合式衬砌和新型的支护结构体系,初期支护按承担全部基本荷载来设计,二次模筑衬砌作为安全储备,初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。
应用浅埋暗挖法设计和施工时,同时采用多种辅助工法,超前预支护以改善加固围岩,调动部分围岩的自承能力;采用不同的开挖方法及时支护、封闭成环,使其与围岩共同作用形成联合支护体系。在施工过程中应用监控量测、信息反馈和优化设计,实现不塌方、少沉降和安全施工。
浅埋暗挖技术多用于第四纪软弱地层,由于围岩自承能力比较差,为避免对地面建筑物和地下构筑物造成破坏,需要严格控制地面沉降量,因此,初期支护要刚度大,支护要及时。初期支护必须从上向下施工,二次衬砌模筑必须通过变形量测确认初期支护结构基本稳定时,才能施工,而且必须从下往上施工,绝不允许先拱后墙施工。
浅埋暗挖法与新奥法相比,更强调地层的预支护和预加固。因为地铁工程基本是在城镇施工,对地表沉降的控制要求比较严格。浅埋暗挖法支护衬砌的结构刚度比较大,初期支护允许变形量比较小,有利于减少对地层的扰动及保护周边环境。
1)地层预加固和预支护
在城市地铁隧道施工中,经常遇到砂砾土、砂性土、黏性土或强风化基岩等不稳定地层。这类地层在隧道开挖过程中自稳时间短暂,往往在初期支护尚未来得及施作,或喷射混凝土尚未获得足够强度时,拱墙的局部地层已开始坍塌。为此,需采用地层预加固、预支护的方法,以提高周围地层的稳定性。常用的预加固和预支护方法有小导管超前预注浆开挖面超前深孔注浆管棚超前支护
2)隧道土方开挖与支护
采用浅埋暗挖法开挖作业时,所选用的施工方法及工艺流程,应保证最大限度地减少对地层的扰动,提高周围地层自承作用和减少地表沉降。根据不同的地质条件及隧道断面,选用不同的开挖方法,但其总原则是预支护、预加固一段,开挖一段;开挖一段,支护一段;支护一段,封闭成环一段。初期支护封闭成环后,隧道处于暂时稳定状态,通过监控量测,确认达到基本稳定状态时,可以进行二次衬砌的混凝土灌注工作。如量测结果证明尚未稳定,则需继续监测;如监测结果证明支护有失稳的趋势时,则需及时通过设计部门共同协商,确定加固方案;
3)初期支护形式
在软弱破碎及松散、不稳定的地层中采用浅埋暗挖法施工时,除需对地层进行预加固和预支护外,隧道初期支护施作的及时性及支护的强度和刚度,对保证开挖后隧道的稳定性、减少地层扰动和地表沉降,都具有决定性的影响。在诸多支护形式中,钢拱锚喷混凝土支护是满足上述要求的最佳支护形式
4)二次衬砌
在浅埋暗挖法中,初期支护的变形达到基本稳定,且防水结构施工验收合格后,可以进行二次混凝土衬砌灌注工序。通过监控量测,掌握隧道动态,提供信息,指导二次衬砌施作时机。这是浅埋暗挖法中二次衬砌施工与一般隧道衬砌施工的主要区别。其他灌注工艺和机械设备与一般隧道衬砌施工基本相同。 
二次衬砌模板可以采用临时木模板或金属定型模板,更多情况则使用模板台车,因为区间隧道的断面尺寸基本不变,有利于使用模板台车,加快立模及拆模速度。衬砌所用的模板、墙架,拱架均应式样简单、拆装方便、表面光滑、接缝严密。使用前应在样板台上校核;重复使用时,应随时检查并整修;
5)监控量测
利用监控量测信息指导设计与施工是浅埋暗挖施工工序的重要组成部分。在设计文件中应提出具体要求和内容,监控量测的费用应纳入工程成本。在实施过程中施工单位要有专门机构执行与管理,并由项目技术负责人统一掌握、统一领导。经验证明拱顶下沉是控制稳定较直观的和可靠的判断依据,水平收敛和地表下沉有时也是重要的判断依据。对于地铁隧道来讲,地表下沉测量显得尤为重要。
(二)盾构法
1)在盾构法隧道的始发端和接收端各建一个工作(竖)井;
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2)盾构机在始发端工作井内安装就位;
3)依靠盾构机千斤顶推力(作用在已拼装好的衬砌环和工作井后壁上)将盾构机从始发工作井的墙壁预留洞门推出;
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4)盾构机在地层中沿着设计轴线推进,在推进的同时不断出土和安装衬砌管片;
5)及时地向衬砌背后的空隙注浆,防止地层移动和固定衬砌环位置;
6)盾构机进入接收工作井并被拆除,如施工需要,也可穿越工作井再向前推进。
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2)盾构法施工隧道具有以下优点:
1)除工作井施工外,施工作业均在地下进行,既不影响地面交通,又可减少对附近居民的噪声和振动影响;
2)盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行,施工易于管理,施工人员也较少;
3)在一定覆土范围内,隧道的施工费用不受覆土量多少影响,适宜于建造覆土较深的隧道;
4)施工不受风雨等气候条件影响
5)当隧道穿过河底或其他建筑物时,不影响航运通行和建(构)筑物的正常使用;
6)土方及衬砌施工安全、掘进速度快。
7)在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。
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3)盾构法施工也存在以下一些问题:
1)当隧道曲线半径过小时,施工较为困难;
2)在陆地建造隧道时,如隧道覆土太浅,则盾构法施工困难很大,而在水下时,如覆土太浅则盾构法施工不够安全;
3)盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时,对劳动保护要求较高,施工条件差;
4)盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止,特别在饱和含水松软的土层中,要采取严密的技术措施才能把沉陷控制在很小的限度内;
5)在饱和含水地层中,盾构法施工所用的拼装衬砌,对达到整体结构防水的技术要求较高;
6)对于结构断面尺寸多变的区段适应能力较差。
4)对使用管片的技术要求:
盾构到达接收井(进洞)时,由于前方已无土体,对管片收缩量就有影响,容易造成管片松弛和错台。为此建议在进洞时的10环管片上,增设纵向拉紧装置,并适当加强第一次螺栓紧固力。工作井在盾构洞口应预埋现浇钢筋混凝土环梁筋。一般盾构从硬地层到软地层易下沉、扎头,此时要注意盾构推进保持匀速,推进时要严格控制出土量,保持土压平衡,必要时同步注浆,适当增加压力,并提早做管片二次压浆,减少本区段管片的沉降。作为盾构法隧道设计,此时应进行隧道纵向强度和变形验算,适当加大螺栓直径。
5)隧道内的水平运输以及地面的垂直运输:
隧道内配套的水平运输往往也关系到整个施工的进度。通过整个施工流程来看,隧道水平运输包括管片、砂浆以及其他材料的运进,土压平衡盾构还有掘进所出渣土的运出。如果配套合理,对整个工程施工工期将起到很好地促进作用

二、不同方法施工地铁区间隧道的结构形式
(一)明挖法施工隧道
在场地开阔、建筑物稀少、交通及环境允许的地区,应优先采用施工速度快、造价较低的明挖法施工。明挖法施工的地下铁道区间隧道结构通常采用矩形断面,一般为整体浇筑或装配式结构,其优点是其内轮廓与地下铁道建筑限界接近,内部净空可以得到充分利用,结构受力合理,顶板上便于敷设城市地下管网和设施。
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1.整体式衬砌结构
明挖现浇隧道结构断面分单跨、双跨等形式,由于结构整体性好,防水性能容易得到保证,可适用于各种工程地质和水文地质条件;但是,施工工序较多,速度较慢。
2.预制装配式衬砌
预制装配式衬砌的结构形式应根据工业化生产水平、施工方法、起重运输条件、场地条件等因地制宜选择,目前以单跨和双跨较为通用。关于装配式衬砌各构件之间的接头构造,除了要考虑强度、刚度、防水性等方面的要求外,还要求构造简单、施工方便。装配式衬砌整体性较差,对于有特殊要求(如防护、抗震等)的地段要慎重选用。
(二)喷锚暗挖(矿山)法施工隧道
在城市区域、交通要道及地上地下构筑物复杂地区,隧道施工喷锚暗挖法通常是一种较好的选择;隧道施工时,一般采用拱形结构,其基本断面形式为单拱、双拱和多跨连拱。前者多用于单线或双线的区间隧道或联络通道,后两者多用在停车线、折返线或喇叭口岔线上。
采用喷锚暗挖法隧道衬砌又称为支护结构或初期支护,其作用是加固围岩并与围岩一起组成一个有足够安全度的隧道结构体系,共同承受可能出现的各种荷载,保持隧道断面的使用净空,防止地表沉降,提供空气流通的光滑表面,堵截或引排地下水。根据对隧道衬砌结构的基本要求以及隧道所处的围岩条件、地下水状况、地表下沉的控制、断面大小和施工方法等,可以采用基本结构类型及其变化方案。
1.衬砌的基本结构类型——复合式衬砌
这种衬砌结构是由初期支护防水隔离层二次衬砌所组成,复合式衬砌外层为初期支护,其作用是加固围岩,控制围岩变形,防止围岩松动失稳,是衬砌结构中的主要承载单元。一般应在开挖后立即施作,并应与围岩密贴。所以,最适宜采用喷锚支护,根据具体情况,选用锚杆、喷混凝土、钢筋网和钢支撑等单一或并用而成。
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2.衬砌结构的变化方案
在干燥无水的坚硬围岩中,区间隧道衬砌亦可采用单层的喷锚支护,不做防水隔离层和二次衬砌,但此时对喷混凝土的施工工艺和抗风化性能都应有较高的要求,衬砌表面要平整,不允许出现大量的裂缝。
在防水要求不高,围岩有一定的自稳能力时,区间隧道亦可采用单层的模筑混凝土衬砌,不做初期支护和防水隔离层。施工时如有需要可设置用木料、钢材或喷锚做成的临时支撑。不同于受力单元,一般情况下,在浇筑混凝土时需将临时支撑拆除,以供下次使用。单层模筑衬砌又称为整体式衬砌,为适应不同的围岩条件,整体式衬砌可做成等截面直墙式和等截面或变截面曲墙式,前者适用于坚硬围岩,后者适用于软弱围岩。
(三)盾构法工隧道
盾构法隧道采用的预制装配式衬砌是用工厂预制的构件(称为管片),在盾构尾部拼装而成的。
1. 管片类型
管片按材质分为钢筋混凝土管片、钢管片、铸铁管片、钢纤维混凝土管片和复合材料管片。其中,钢管片和铸铁管片一般用于负环管片或联络通道部位,但由于铸铁管片成本较高现已很少采用;钢纤维混凝土管片在国外已有使用,在国内尚处于试验阶段;钢筋混凝土管片是盾构法隧道衬砌中最常用的管片类型。
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钢筋混凝土管片的耐压性和耐久性都比较好;目前已可生产抗压强度达60MPa、抗渗等级大于P12级的管片,而且这几种管片刚度大,由其组成的衬砌防水性能有保证。钢管片的强度高,具有良好的可焊接性,便于加工和维修,重量轻也便于施工。与混凝土管片相比,其刚度小、易变形,而且钢管片的抗锈性差,在不做二次衬砌时,必须有抗腐、抗锈措施。铸铁管片强度高,防水和防锈蚀性能好,易加工。和钢管片相比,刚度亦较大,故在早期的地下铁道区间隧道中得到广泛的应用。钢和铸铁管片价格较贵,现在除了在需要开口的衬砌环或预计将承受特殊荷载的地段采用外,一般都采用钢筋混凝土管片
盾构法施工的隧道衬砌可采用双层衬砌或在其内现浇钢筋混凝土内衬的双层衬砌,在满足作用、 受力和防水要求前提下,应优先选用装配式钢筋混凝土单层衬砌。在联络通道门洞区段的装配式衬砌,可采用钢管片、铸铁管片或钢与钢筋混凝土的复合管片
按管片螺栓手孔大小,可将管片分为箱型和平板型两类。
箱型管片是指因手孔较大而呈肋板型结构,手孔较大不仅方便了接头螺栓的穿入和拧紧,而且也节省了材料,使单块管片重量减轻,便于运输和拼装。但因截面削弱较多,在盾构千斤顶推力作用下容易开裂,故只有强度较大的金属管片才采用箱型结构。当然,直径和厚度较大的钢筋混凝土管片也有采用箱型结构的。在箱型管片中纵向加劲肋是传递千斤顶推力的关键部位,一般沿衬砌环向等距离布置,加劲肋的数量应大于盾构千斤顶的台数,其形状应根据管片拼装和是否需要灌注二次衬砌的施工要求而定。
平板型管片是指因螺栓手孔较小或无手孔而呈曲板型结构的管片,由于管片截面削弱少或无削弱,故对盾构千斤顶推力具有较大的抵抗力,对通风的阻力也较小。无手孔的管片也称为砌块,现代的钢筋混凝土管片多采用平板型结构。
目前,国内城市地铁盾构法隧道的管片常见厚度为300mm和350mm,常用环宽1000mm、1200mm和1500mm。
2.管环构成
盾构隧道衬砌的主体是管片拼装组成的管环,管环通常由 A型管片(标准环)、B 型管片(邻接块)和 K型管片(封顶块)构成管片之间一般采用螺栓连接,封顶块K型管片根据管片拼装方式的不同,有从隧道内侧向半径方向插入的径向插入型和从隧道轴向插入的轴向插入型以及两者并用的类型。半径方向插入型为传统插入型。随着隧道埋深的增加,不易脱落的轴向插入型K管片被越来越多地使用。两种插入型K管片同时使用的情况较少见。
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3.管片的通缝和错缝拼装
衬砌拼装方式分为通缝和错缝两种方式,见图1K413012-6。通缝的施工工艺相对简单,但通缝拼装的盾构隧道变形大,对防水的要求相应也高;错缝拼装可避免通缝拼装环面误差累积,从而减少施工中管片破损。错缝拼装时环向缝呈T形,可有效减少接缝处渗漏,防水效果比通缝拼装好。地铁长期运营过程中,特别是在小半径曲线上衬砌环受长期的列车水平离心力作用,隧道侧向压力不均,错缝拼装的管片环控制径向变形要比通缝时更有利。错缝拼装的管片配筋量稍大,但其整环空间刚度大,比通缝更适应于外部地层及荷载的变化,有一定的安全储备。
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4.衬砌环类型
地铁区间隧道由直线和曲线(圆曲线及缓和曲线)组成,为满足盾构隧道在曲线上偏转及纠偏的需要,应设计楔形衬砌环。目前通常采用的衬砌环类型有三种:
1)标准衬砌环+左右转弯衬砌环组合:
直线地段除施工纠偏外,采用标准衬砌环;曲线地段可通过标准衬砌环与左、右转弯衬砌环组合使用以模拟曲线。该方法施工方便,操作简单。国内通常采用这种方式,有丰富的设计及施工经验。
2)楔形衬砌环之间相互组合:
采用几种类型的楔形衬砌环,设计和施工中通过楔形衬砌环的优选及组合进行线路拟合。 根据线路偏转方向及施工纠偏的需要,设计左转弯、右转弯楔形衬砌环,在直线段通过左转弯和右转弯衬砌环一一对应组合形成直线。该种管片拼装时,每个千斤顶行程均不同,施工操作复杂,环面缝隙可能会增大,对施工管理水平要求很高。这种管片组合方式目前在国内使用较少。
3)通用型管片:
通用管片为只采用一种类型的楔形管片衬砌环,盾构掘进时根据盾构机内环向千斤顶传感器的信息和线路线形设计的要求,根据曲线拟合确定下一环衬砌绕管片中心线转动的角度,以达到设计线路和纠偏的目的,使线路的偏移量在规定的范围内。
(四)联络通道
联络通道是设置在两条地铁隧道之间的一条横向通道,起到安全疏散乘客、隧道排水及防火、消防等作用。
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我国《地铁设计规范)) GB 50157—2003第28.2.4条规定:两条单线区间隧道应设联络通道,相邻两个联络通道之间的距离不应大于600m,联络通道内应设并列反向开启的甲级防火门,门扇的开启不得侵入限界。
根据线路纵断面设计及区间隧道防、排水要求,在区间线路最低点处设置废水泵房(集水井),一般情况下,废水泵房与该处联络通道合建,即联络通道内设置废水泵房以及废水抽排和人员检修的管道、管道井。联络通道长度一般在为5~9m之间,通道的出入口高程近似,仅在通道中部设置高点,满足排水要求 。
目前,国内地铁的联络通道主要采用暗挖法、超前预支护方法(深孔注浆或冻结法)施工。联络通道的开挖要采用分层进行,其施工顺序为:
1)打开冻结站侧道钢管片。
2)按照通道中部的全断面开挖并作临时支护直到对面钢管片。
3)返回刷大两侧喇叭口断面并作临时支护。
4)集水井开挖、临时支护和一次浇混凝土永久支护。
5)最后打开通道对侧门钢管片。

来源:岩土    微信公众号    一级市政建造师
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 发表于2019-07-16   |  只看该作者      

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