摘要：近年来，随着我国城市化和机动化进程的加快，交通拥堵问题已成为当前我国各大城市发展过程中的“瓶颈”，具有节能、快捷和大运量特征的城市轨道交通建设愈趋受到众多城市的关注。城市轨道交通建设正在高速发展，其施工难度亦越发增大。实践表明，在城市轨道交通大断面暗挖隧道施工过程中，通过对隧道的数值模拟分析，以及与其相应的监测手段，可以更好的指导现场施工，达到提高进度、控制施工质量、节约成本的目的。
本文以北京有轨电车西郊线工程土建施工01标植物园站～万安公墓站区间暗挖平顶直墙段隧道工程为例，详细介绍了平顶直墙隧道区间暗挖施工技术以及施工中重要的安全指标。在地面构建（筑）物、地下管线及地表交通情况比较复杂的条件下，采用明挖施工难度很大，而采用暗挖可很好的解决这些问题。但是其技术和施工难度加大，经济指标加大。在北京粉质粘土地层中施工暗挖隧道，保证隧道区间施工安全。通过监测、进行信息反馈，指导施工，确保施工顺利进行。
采用暗挖法施工的植~万区间平顶直墙隧道，施工工序相对简单、施工安全、造价相对较低。本工程的实施中，不但使地面变形在如此复杂的条件下得以有效控制，确保了地面交通及地下管线的稳定与安全，本文对大断面平顶直墙隧道区间施工技术进行理论和实际分析，论证该种施工方法的可行性，探讨了长管棚等施工工艺，在类似的工程施工具有很好借鉴作用。
关键词：暗挖隧道；平顶直墙；大断面隧道；数值模拟；监测施工
第1章 绪论
1.1引 言
近年来，随着我国城市化和机动化进程的加快，交通拥堵问题已成为当前我国各大城市发展过程中的“瓶颈”，具有节能、快捷和大运量特征的城市轨道交通建设愈趋受到众多城市的关注。城市轨道交通建设正在高速发展，其施工难度亦越发增大。实践表明，在城市轨道交通大断面暗挖隧道施工过程中，通过对隧道的数值模拟分析，以及与其相应的监测手段，可以更好的指导现场施工，达到提高进度、控制施工质量、节约成本的目的。
本文结合现代有轨电车西郊线工程土建施工01标植物园站～万安公墓站区间暗挖平顶直墙段隧道工程的施工，在数值模拟、现场监测的基础上，对大断面平顶直墙隧道在初期支护及二次衬砌施工过程的围岩的力学性质以及支护体系的受力状态以及场区内构建筑物所受施工的影响进行动态分析，提出适宜的施工方法及支护结构形式以便于指导施工。
1.2研究内容、目标
1.2.1研究内容
背景工程为现代有轨电车西郊线工程土建施工01标植物园站～万安公墓站，区间暗挖平顶直墙段隧道全长58m，采用复合式衬砌结构，隧道断面尺寸为10.6m7.75m。
隧道穿越的主要底层为粉质粘土层以及含粉质粘土碎石土层。隧道下穿香泉环岛辅路、雨水边沟、DN700高压燃气管线以及军缆。隧道初期支护采用双侧壁导坑法施工，共分为6个导洞分步开挖，上下导洞之间错开距离为3～5m，左右侧导洞之间错开距离为8～10m。在马头门破除施工前，在拱顶部位采用A108，L=58m，水平间距300mm的管棚进行超前支护。永久初期支护厚度350mm，设置内外双侧A6.5@150*150mm钢筋网片，临时支护厚度300mm，设置A6.5@150*150mm单层钢筋网片，喷射C25混凝土；格栅间距0.5m。超前支护采用A42，L=2800mm超前小导管，隔榀打设，导管水平间距300mm，打设角度7～10°。二次衬砌采用C40P8防水钢筋混凝土，防水系统采用EVA防水板+400g/㎡无纺布。
本文结合现代有轨电车西郊线工程土建施工01标植物园站～万安公墓站区间隧道施工，对大断面平顶直墙隧道地质条件较差、施工难度大、对场区内构建筑物及管线施工影响大的特点，在数值模拟计算、现场监测的基础上，提出适宜的施工方法以及支护结构形式以便于指导施工。
通过对平顶直墙隧道施工技术的研究，探索城市轨道交通建设中隧道工程与地质环境、周边环境之间的相互关系、相互作用，以及由此产生或诱发的各类隧道病害及对周边环境的影响，从而提出合理的控制技术措施，确保施工安全处于受控状态。
1.2.2研究目标
（1）结合数值模拟分析和现场监控量测，采用动态的施工方法对大断面平顶直墙隧道在初期支护及二次衬砌施工期间提出合理的施工方法以及支护参数，使隧道施工安全处于受控状态。
（2）通过对现场监控量测数据分析，确定适宜的城市轨道交通工程大断面平顶直墙暗挖隧道施工技术，保证施工安全、确保施工质量及进度。
（3）对初期支护施工期间围岩的力学状态以及支护体系的受力状态进行计算，并结合监控量测数据判断结构的安全性；在二次衬砌施工期间，对在中隔壁拆除时的初期支护的结构受力状态进行计算，判断支撑体系转换时的结构的安全状态；对二次衬砌施工脚手架的刚度、强度以及稳定性进行验算，保证施工安全处于受控状态。
1.2.3拟解决的关键问题
（1）大断面平顶直墙隧道在初期支护及二次衬砌施工期间的施工安全。
（2）在保证施工质量及安全前提下，提高大断面平顶直墙隧道的施工速度。
第2章 工程概述
影响隧道工程施工技术的因素有很多，为了能够安全合理的进行隧道工程施工，必须对其所处的水文地质条件、交通环境、断面形式及工程中可能遇到的难点、重点情况进行详细的调查和了解，并做出相应的应对策略和方案，本章将针对植~万区间平顶直墙暗挖隧道的工程概况进行简要的介绍。
2.1工程概况
现代有轨电车西郊线工程土建施工01合同段起点k0+000至终点k5+456，全长5.456km共四站四区间，主要工程由香山站、植物园站、万安公墓站、玉泉郊野公园站、地面线、U型槽、明挖暗埋及暗挖段组成，其中地面线3265.5m，U型槽918.5m，明挖868.6m，暗挖403.4m。
图2-1现代有轨电车西郊线工程土建施工1#合同段线位图
植物园站～万安公墓站区间在右K1+510.363～K1+808.000为暗挖施工段，在里程右K1+520.76暗挖下穿A700高压燃气管，在里程右K1+598～K1+648暗挖旁穿香泉桥桥桩，暗挖区间设一处消防泵房和一处雨水泵房，暗挖段在右K1+660.462处设竖井横通道兼雨水泵站，在暗挖隧道东端头右K1+808.000处区间隧道位置设东端施工竖井及横通道，在右K1+508.013处设西端施工竖井。区间在两端浅埋段采用明挖法施工。
2.2隧道主体结构
暗挖段在里程右K1+510.363～K1+568.363段为平顶直墙施工段，采用双侧壁导坑法进行施工，平顶直墙断面尺寸为10.6m×8.52m，平顶直墙施工段初期支护体系包括Ф108×5大管棚、Ф42超前小导管、支护格栅、锚喷、锁脚锚管、背后注浆等，平顶直墙二衬结构厚度顶板为1000mm，侧墙为800mm，底板为900mm，二衬净空高度为5.85m，宽度为8.3m。
支护断面形式如下图2-6所示。
图2-6 暗挖隧道平顶直墙断面示意图
2.3本章小结
植物园站～万安公墓站区间地质情况复杂，地下管线错综，给施工带来很大难度，隧道区间采用双侧壁导坑工法，施工难点主要在于地质条件复杂、隧道断面大、隧道结构防水要求高及地面交通量较大等，因此对地下管线的保护、马蹄形断面转换平顶直墙断面交界处拱顶的沉降控制以及特殊结构部位的防水等要求较高，需要对这些施工重点和难点做出对应的方案。
第3章 浅埋隧道主体结构施工方案
大断面浅埋暗挖平顶直墙隧道，采用双侧壁导坑工法开挖，开挖步序复杂，其中辅助施工繁杂，本章介绍平顶直墙施工的结构施工方案，并针对关键断面的施工工序进行详细的阐述，进一步采用数值分析的方法对采用结构施工方案进行理论方面的研究。
3.1平顶直墙隧道施工
植~万区间隧道采用双侧壁导坑法施工：首先在隧道拱部打设Ф42的超前小导管，并注浆加固地层，依次开挖①号导洞、②号导洞、③、④、⑤、⑥号导洞并施作初期支护、临时支护并及时封闭掌子面（上下导洞的掌子面距离应大于5m），并在墙角施加锁脚锚杆加固；然后再沿拱顶打设Ф42的超前小导管，并注浆加固地层，然后进行中跨导洞的开挖，并进行初期支护；中跨上部导洞开挖完后并超出中跨下导洞掌子面5m后，开挖中跨下导洞，紧接着施作初期支护闭合承欢。各个小导洞的初期支护的背后注浆需要在初支闭合成环5m以外的距离及时进行。
图3-1暗挖结构断面初衬结构图
3.2.1数值分析结论
由上述模拟计算可以得出：
（1）在本区间采用暗挖平顶直墙隧道施工是合理可行的；
（2）采用该施工方法引起洞室周围土体的破坏区域范围较小，不会出现整体失稳现象；
（3）采用该施工方法引起地层沉降能够满足周围环境控制要求，保证周围构（建）筑物的安全和正常使用；
（4）采用该施工方案的支护结构的受力均能满足其强度要求。
由于模拟分析是以开挖后立即支护的施工状态下进行的，因此实际施工过程中的土体变化可能稍大。为尽量减小土体扰动，施工中一定要严格遵循“快开挖、早支护”的原则。
3.3 本章小结
植~万区间平顶直墙隧道采用双侧壁导坑法开挖，开挖时按照设计依次按照小导洞顺序进行开挖，开挖时注意做好拱顶注浆加固措施，对平顶直墙段隧道开挖进行数值模拟，结果表明设计采用的施工方法和施工工序合理可行，隧道周围土体不会发生整体失稳，并且满足地层沉降控制要求，能保证周围构（建）筑物的安；隧道开挖时采用的支护结构，其受力也满足强度要求。
第4章 浅埋隧道暗挖施工监控量测
暗挖区间在临时支撑拆除及二衬施工期间，会发生受力转换，为保证本区段施工及结构安全，需要对洞周衬砌结构、洞周围岩进行全过程监控量测，追踪隧道上部地表的变形情况。分析、判断、预测施工中可能出现的情况，消除各种隐患，并将施工对周围环境的影响降到最小程度。
监控量测项目主要根据设计的要求并结合本工程的特点（隧道暗挖、断面大、工序转换多、应力变化大、结构易失稳）、工程地质和水文地质、结构形式、工程周边环境等因素综合而定。监控量测目的有如下几点：
（1）保证隧道结构的稳定和施工安全。
（2）确保邻近建筑物、道路及地下管线安全。
（3）根据监测数据分析可能发生的情况，判断工程的安全状况，采取措施，确保施工安全和周边环境安全。
（4）以施工监测结果指导施工，进行信息化反馈，优化施工方案。
根据设计图纸的要求进行各个监测点的布设，各测点应设置于同一断面上，具体暗挖标准大断面、平顶直墙断面、旁穿香泉桥、下穿燃气保护涵断面监测布置图如下。监控量测项目设置、监测手段选择主要是根据工程的重要性、难易程度、监控目的以及工程施工对衬砌结构、周围环境的影响程度等因素综合考虑确定的。
4.1监控量测采用的方法
4.1.1拱顶下沉及净空收敛监测
监测点在支护结构施工时就施加埋设，使用测量高程的方法监测拱顶沉降，支护结构完成后的第一时间取得的数据为初始值，然后按照设计监测频率要求进行日常监测。
图5-1平顶直墙隧道断面监测点布置图
4.1.2地表沉降量及地下管线沉降监测
按照设计埋深的测点和测量频率的要求，要对每一个的测点进行测量和记录，对测量数据进行三点描绘，并进行回归分析。根据回归曲线可以判断地层的稳定性和周围构（建）筑物的影响程度，这样可以及时采用有效措施，保证地表沉降、地下管线及周围构（建）筑物的影响在允许范围内。
图5-2管线监测点示意图
4.2数据处理和反馈
4.2.1监测数据处理
随着工程施工的进度，监测工作在工程期间穿插进行。为了能够保证施工的安全性，应及时将测试信息反馈给施工单位，由施工管理单位通过反馈的信息指导的施工进度。每次监测工作结束后，及时提供监测资料、简报及处理意见。发现数据有错误时，及时改正和补测，当发现测值有明显异常时，将迅速通知总包，以便采取相应措施。
在本工程的监控量测工作过程中，将采取警戒控制法结合变形速率进行安全信息反馈，在数据超过警戒时或变形速率异常增大时，监测人员除了报表中标注出来外，必须向技术主管和主管部门进行汇报。
4.2.2监测反馈
信息化施工要求以监测结果评价施工方法，确定工程技术措施。因此，对每一测点的监测结果要根据管理基准和位移速率（mm/d）等综合判断结构和建筑物的安全状况。为确保监测结果的质量，加强信息反馈速度，全部监测数据及图表均由计算机管理，并向驻地监理工程师、设计单位及监测中心提交监测周报或月报。
4.3监测结果与理论分析比较
通过有限元计算的沉降量和实际监测的数据比较，理论计算沉降量在16mm以内，最大不超过20mm，而实际监测结果，在开挖小导洞时，沉降量很小，当6个小导洞全部完成后，产生硐室效应，沉降量累计达到21mm。
4.4本章小结
植~万区间平顶直墙暗挖隧道工程监测方案，包括对拱顶、地表、周围构（建）筑物和地下管线的监测，建立了全方位的监测网络；针对监测内容建立了三级风险预警制度，评判监测项目的安全状态，通过监测数据的反馈评价施工方法，指导施工技术，并建立了紧急监测预案，以应对突发状况；通过实际监测与理论分析比较，由于模型的简化等因素，理论沉降数据会比实际沉降数据偏小。
结 论
采用暗挖法施工的城市地下大断面平顶直墙隧道，其难点在于隧道断面大，交通量大，增加了施工难度大，拆除的初支量也大，经济成本大。
其次施工步序复杂，需合理组织施工，.隧道跨度大，达到10.6米，需要稳步施工，以免出现安全事故。
采用暗挖法施工大断面平顶直墙隧道，总的来说对植~万区间地面交通没有多大影响，对周边建筑物、地下管线没有多大的影响，对地表、路面影响也较小，施工进展顺利。采用暗挖法施工平顶直墙隧道，施工进展顺利，施工质量良好，能够在工期、质量，安全和造价上满足各方的要求。我国地铁工程发展迅速，城市地下隧道施工的方法选择越来越多，由于城市地面交通量大，周边环境复杂，合理的施工方法可以大大的减小对环境的影响和建设成本。明挖法在城市边缘交通密度较小的地方可以采用，而盖挖法会地面交通产生一定影响，而暗挖法可以在交通密度较大的十字交叉口或者周边环境较差的状况下修建地铁隧道，不会对地面交通产生影响，有着很多优势。
隧道暗挖法有很多优点：施工难度相对小，风险小，工程成本相对较低，工序相对简单，工序间转换也较少，可以保障结构的稳定性，对交通影响小，适合在交通密度较大的十字交叉口等环境。
采用暗挖法施工地铁隧道，通过理论计算和实际结果分析比较，在粉质粘土层和含粉质粘土的碎石土层中，对地表沉降，周边建筑物影响不大。从理论上说可以得到推广，暗挖隧道的施工方法经过较长时间的探索和实验，施工方法在不断的改进和优化。
采用暗挖法施工的植~万区间平顶直墙隧道，施工工序相对简单、施工安全、造价相对较低。本工程的实施中，不但使地面变形在如此复杂的条件下得以有效控制，确保了地面交通及地下管线的稳定与安全，在类似的工程施工具有很好借鉴作用。
论文作者:张宇华
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/7
标签：隧道论文; 断面论文; 平顶论文; 结构论文; 工程论文; 区间论文; 万安论文; 《建筑学研究前沿》2018年第17期论文;