既有人防隧道改造为地铁区间的施工力学行为研究

2012-01-22杨峥

铁道标准设计 2012年3期

杨峥

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 概述

我国目前处于大规模基础设施建设时期,随着社会的发展,我国将从土建大国变成修缮大国,因此有必要对工程维修及扩能改造等一系列问题进行深入研究,为今后工程维修积累经验。

哈尔滨某人防工程建于20世纪70年代,使用铁路设计规范和施工规范,采用当时北京地铁1号线设计标准。哈尔滨地铁1号线一期工程利用其中5.4 km作为地铁区间。受当时施工条件、技术标准等因素的限制,既有人防隧道不能直接为地铁区间加以利用,必须加以修缮改造后利用。因此如何利用既有隧道结构就成为哈市地铁能否顺利通车的关键点之一。

该人防工程既有隧道修复利用技术具有很高的复杂性和综合性,其中包括既有车站的加固利用、既有区间的扩挖、地下商业街下方矩形断面的处理等一系列技术问题,其中既有区间的单边扩挖工法在国内尚无先例。其修缮经验在国内外也屈指可数。

文章依托既有人防隧道改造利用工程,对采用单侧扩挖法改造利用的隧道进行了深入的分析,所得的数据和结论不仅为改造隧道的支护体系设计及优化提供依据,进而可以指导隧道现场施工,而且可望为同类隧道的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。

2 工程概况

既有人防隧道工程使用铁路设计规范和施工规范,采用“马蹄形”设计断面形式,按北京地铁1号线设计标准,限界按DK-3型地铁机车车型。人防隧道为双线隧道,隧道上方覆土厚12～15 m。

哈尔滨地铁1号线一期工程利用既有人防隧道结构5.4 km,既有标准断面改造区间断面采用单洞双线马蹄形断面,结构断面如图1所示,采用暗挖法施工,限于当时技术条件,以人力挖掘为主,简单的机械施工为辅,土方开挖形式采取正台阶法,衬砌采用单层衬砌结构,施工过程中先浇筑衬砌的拱部结构,后浇筑边墙及仰拱结构,限于当时客观条件,多数衬砌背后超挖部分未按要求压浆回填,仅以建筑垃圾、碎石等回填。

图1 人防隧道结构横剖面(单位：mm)

既有人防隧道改造利用段地层主要由第四纪全新世人工堆积层(Q4ml)、上更新统哈尔滨组地层(Q3hr2al)、中更新统上荒山组地层(Q2h2l)、下荒山组地层(Q2hlal)、下更新统东深井组地层(Q1dn2l)、猞猁组地层(Q1sh1al)组成,岩性为黏质黏土、粉土、砂类土,稳定地下水位于结构仰拱以下,对施工影响较小。

3 施工方法及支护参数

隧道及地下洞室工程,其核心问题都归结在开挖和支护2个关键工序上。即如何开挖,才能更有利于洞室的稳定和便于支护；若需支护时,又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。这是隧道及地下工程中2个相互促进又相互制约的问题。地下工程在施工过程中应以少扰动围岩、尽快施工初期支护并及时量测为原则,既“短进尺、强支护、早封闭、勤量测”。

为充分利用既有人防隧道结构。方案设计将线位在既有人防隧道结构线位基础上横向偏移400～600 mm,轨顶面下移300～400 mm。利用拱形结构在空间上位置关系,充分利用既有人防隧道结构作为初期支护,局部开挖,局部支护,在此基础上修建二次衬砌,新建结构与既有人防隧道结构关系详见图2。

图2 人防隧道结构与新建结构关系(单位：mm)

为充分利用既有人防隧道结构，避免结构大面积的凿除破坏的同时兼顾结构限界及线路等方面的要求,确定施工工序如下(图3)。

图3 施工工序

第1步：采用跳槽法破除既有人防隧道结构在仰拱填充及仰拱处侵限界的混凝土结构。

第2步：施工仰拱部分初期支护结构,仰拱部分初期支护施做完成后,在槽段两侧架设临时型钢支撑。

第3步：破除该槽段内既有人防隧道侧墙结构,扩挖土体至设计轮廓线。

第4步：打设小导管等超前支护结构,架设侧墙格栅钢架并将格栅钢架与既有结构连接成环,喷射混凝土,封闭该环初期支护。

第5步：铺设防水板,施做二次衬砌仰拱结构,预留钢筋及防水连接条件。

第6步：施做拱墙二次衬砌。

在纵向人防隧道改造施工采用跳槽法施工,施工槽段长1.5 m,施工段间距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,沿隧道纵向施工工序详见图4。

图4 沿隧道纵向施工工序

该施工方案采用了局部扩挖,局部支护的施工方法,施工过程中采用跳槽法施工,槽段长1.5 m。该施工方案在既有人防隧道结构破除后能迅速封闭成环,结构受力转换明确。

单侧扩挖法超前支护采用钢管超前注浆辅以超前导管方式,小导管采用φ42 mm普通钢管,壁厚4 mm。环向间距30 cm。管头为30°的锥体,预留止浆段长1.0 m,花管部分钻有φ8 mm注浆孔,梅花形布置,间距30 cm。支护体系采用格栅拱架。格栅钢架0.75 m,网喷30 cm喷射混凝土。二次衬砌采用40 cm厚C40钢筋混凝土结构。

4 数值模拟

人防洞体改造采用单侧扩挖法施工,结构在凿除过程中,不可避免地会出现因既有人防隧道结构凿除而结构在平面内刚度削弱,因此利用人防结构在纵向上的刚度将成为工程能否顺利实施的关键。

由于既有人防隧道改造施工采用分步扩挖,跳槽施工,施工工序复杂,对围岩有多次扰动,槽段长度及二次衬砌施做时机等参数直接影响结构的稳定性。所以把握扩挖、支护过程中既有人防隧道及新建支护结构的受力状态显得尤为重要。

考虑空间效应等对模拟分析的影响,确定模型长45 m,宽度100 m,高度为50 m,模型划分为30个施工步骤,槽段长度1.5 m,结合机械设备情况,确定施工间隔18 m,模型前、后及左、右面边界均采用水平约束,底边界受竖向约束,顶面为自由面；模拟分析软件采用Midas Gen,计算模型共划分79 260个单元,79 296个节点；岩土体本构方程采用DP弹塑性非线性本构模型,计算模型见图5,考虑地面超载考虑20 kPa。

隧道开挖,实质上是衬砌结构刚度和荷载的迁移,在破除和支护处均有“预设单元”,利用Midas Gen的“钝化”和“激活”功能模拟施工工况。每破除及开挖一步,破除及开挖的土体单元被“钝化”,同时支护单元被“激活”来模拟支护作用,如此循环前进,直至完成该段施工。

图5 既有人防洞体有限元模型

模拟过程按照施工步1、2、3、4分别进行模拟分析,取已施工完成段区1施工槽段为分析对象,图6为1、2、3、4施工步施工完成后,初期支护结构以完成段1的主应力图。

图6 初支结构主应力图

从已完成区段1施工槽段主应力图可以看出,最大主应力为扩挖段新建初期支护侧墙部位,扩挖段侧墙结构格栅钢架辅以30 cm厚网喷C25混凝土,结构刚度相对既有结构较弱,初期支护封闭成环后,相应结构内力较大,结构最大内力出现在墙角部位,因此初期支护在该处采用扩大端墙角结构进行了加强,确保初期支护结构的稳定。

与新建隧道不同,改造隧道沿隧道纵向采用跳槽法施工,施工槽段施工相互影响,表1为1、2、3、4施工步施工完成后,初期支护结构已完成段1的主应力增减情况。从表1中可以看出施工步1、3完成后,内力增加较小,其中施工步1完成后,初期支护主应力增加0.02～0.04 MPa,施工步3完成后,初期支护主应力增加0.05～0.08 MPa,施工步2、4完成后,内力增加较大,特别是施工步4完成后,内力增加0.09～0.13 MPa,因此相关施工段施工过程中,对已施工完初期支护的监测显得非常重要。