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复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究报告1评审技术文件之一复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究总报告中铁十二局集团有限公司二○○六年十一月2一、概述1、工程简介北京地铁十号线第七合同段全长1.834公里。由花园东路站～八达岭高速站区间、八达岭高速站、八达岭高速站～熊猫环岛站区间三部分组成。设施工竖井3座。区间隧道均为暗挖，由于设计与16号线联络线、存车线和交叉渡线的需要，区间隧道断面复杂多变，共设计13种断面。其中花园东路站～八达岭高速站区间右线325m范围内集中设计11种断面形式（见表1）。复合式衬砌，大管棚和小导管超前支护，格栅钢架、钢筋网、喷混凝土初期支护，C30钢筋混凝土二次衬砌。区间隧道断面结构尺寸表1衬砌类型断面形式结构尺寸(宽×高m)长度m标准断面单跨标准断面6.0×6.33左线1601、右线12101-1断面三连拱断面22.55×10.5右线16.882-2断面单跨大断面13.4×9.11右线13.983-3断面单跨大断面12.2×9.34右线159.244-4断面单跨大断面12.4×9.54右线7.085-5断面双层框架结构20×14.2右线10.66-6断面不对称双连拱断面17.6×9.79右线24.457-7断面不对称双连拱断面14.9×8.45右线25.278-8断面对称双连拱断面11.7×6.8右线16.19-9断面单跨大断面7.3×7.1右线13.1910-10断面单跨大断面6.8×6.89右线11.812、周边建（构）筑物区间隧道埋深8～10m，穿越土城遗址公园，隧道边界距小月河0.5～9.0m，隧道经过地段下穿5处建构筑物：江南大夫第金榜梨园酒楼、瑞洁加油站、河湖管理所办公楼、大气物理研究所的索塔拉锚基础和小月河疏浚工程暗河。3、地质情况区间隧道地层主要为粉细砂层和粉质粘土层，根据铁路隧道设计规范，为Ⅺ级围岩，属于松土和普通土。4、地下水情况地下水有台地潜水和层间潜水，水位较高，接近自然地面。施工时采取降水措施，水位降至隧道底板1.0m以下，确保隧道在无水状态下施工。二、工程特点1、区间设计断面多达13种，属典型的大断面洞群段落，采用6种施工方法，不同施工方法3间转换多，断面间接口多。2、区间1－1断面为三连拱隧道，埋深浅，跨度达22.5m，施工步序多，施工难度大。3、区间下穿多种建筑物和管线，要求地面沉降量控制在30mm内，地表沉降要求严格。隧道隆起量控制在10mm内。三、关键技术1、地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术区间1－1断面为三连拱隧道，结构扁平，处于浅埋粉细砂地层，施工中隧道结构所受荷载加大，结构应力集中比较单拱隧道更趋复杂化，隧道成型和围岩稳定性控制的难度增大，稍有不慎，极易造成围岩过度变形，威胁区间管线和地表建筑物安全，甚至坍塌，严重影响施工进度和质量，因此选择合理的开挖方式和支护参数，保证围岩和结构的稳定极其关键。采用弹塑性有限单元法，对三连拱不同施工阶段、不同荷载条件的受力特性和形变量进行模拟和分析，为确定合理的施工方案提供理论参考。根据区间隧道地质情况，采用FLAK软件、显式有限差分方法进行分析。2、水平定向钻进施工隧道长大管棚技术本标段区间隧道在大断面施工、穿越地表建筑物时设计均采用φ108mm大管棚超前支护，累计数量达15213延米。大管棚施工速度和质量的好坏直接影响着施工进展。受竖井口和洞内作业场地施工空间的制约，普通管棚钻机具有移位困难、洞内作业需先扩挖工作室的问题，钻进过程中钻头的方向难于控制，棚管偏位严重是普通钻机管棚作业中的通病，并且在城市地铁扩挖工作室不利于对管线和建筑物的保护。本项目在国内首次采用HGT-100水平钻机对隧道大管棚施工进行了研究和尝试。该方法在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向，根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的楔型钻头改变钻头的钻进方向，从而按设计要求的角度完成各种大管棚的施工。具有一次连续钻进长、管棚精度高、水平钻机在同一断面中不需扩挖工作室等优点。3、不同大断面施工及工法转换技术区间隧道共设计10种大断面，并且大断面集中于花园东路站～八达岭高速站区间右线布置，属典型的大断面洞群段落。断面不同，采用的施工工法不同。根据断面情况分别采用CD法、CRD法、双侧壁导坑法、中洞法、侧洞法和双侧洞法等多种软弱地层隧道工法。相邻断面的施工工法转换是确保施工安全的关键环节，必须采用技术措施才能实现安全过渡。断面转换分为两种：大断面向小断面转换和小断面向大断面转换。施工中重点研究断面转换4中的分部开挖过渡技术和反向扩挖技术。四、主要成果通过北京地铁的施工，复杂大断面施工技术在以下方面取得研究成果：1、地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术采用FLAK软件、显式有限差分方法，对1－1断面拟采用的双侧洞法进行工况分析，模拟分析不同的施工工序对围岩应力－应变的影响及每步工序产生的地表沉降值，找出关键工序，理论分析双侧洞法在地铁三联拱施工中的可行性，经分析研究，取得以下成果：⑴采用双侧洞法左右对称开挖三连拱隧道能有效控制地表沉降。经计算，地表累计最大沉降为2.76cm，满足设计的地表沉降3cm限值要求。各工序产生的地表沉降值见下表：双侧洞法各开挖工序产生的沉降值表2工序1234567891011累计沉降值cm0.51.161.21.41.42.12.242.42.452.522.76⑵三联拱隧道施工过程中两侧钢筋混凝土立柱对围岩体的支撑稳定具有非常显著的作用。连拱隧道由于跨度大的特点，其松弛塌落范围比单拱隧道要大得多，作用在支护衬砌结构上的荷载也要比单拱隧道大得多，计算表明，这些荷载施工过程中大部分由两侧立柱承担。因此，施工过程中应尽可能保护好立柱上部的岩体，防止过度损伤，并坚决杜绝超挖回填不密实的现象发生，避免降低围岩结构的承载能力。对今后的三连拱隧道施工具有指导意义。2、水平定向钻进施工隧道长大管棚技术通过本项目的管棚施工研究，主要在管棚钻机的选择、钻头钻进过程中的方位监控、钻进过程中的纠偏方面取得以下成果：⑴钻机选择：HGT－100水平钻机在本项目中一次连续钻孔深度达52m，其特有的钻进轨迹微调功能使其在相同断面或断面变化不大的隧道中进行大管棚施工不需进行拱顶挑高和两侧扩挖的工作室施工准备。经多种钻孔设备比选，水平钻机具有很大优势。实践证明，水平钻机进行大管棚作业是成功的。⑵钻头方位监控：通过研究，在钻头内安装特制的传感器，灵敏感知钻头方位。传感器直接由15V直流供电。通过显示屏显示钻头的工作位置，主要显示钻头倾角(水平角度)和面向角（左右方向）。5⑵钻进纠偏：利用能进行调节方向的钻头（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进角度。如根据需要可以把钻头调到12点（如钟表点位），即导向板朝下，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键，为国内大管棚施工中首次使用。经开挖检查3根，距开孔50m处管棚垂直偏距分别是12cm、6cm、9cm，相邻钢管方向偏位分别为5、8、4cm，满足设计的垂直偏距小于20cm、相邻钢管方向偏距小于10cm的要求。3、软弱地层不同大断面施工工法转化技术本项目设计大断面类型多达10种，从单拱、双连拱到三连拱，各种断面采用的施工方法各异，相互之间转换频繁。⑴大断面向小断面转换大断面隧道向小断面隧道转换相对简单，由于开挖断面变小，围岩稳定性相对加强。转换过程中作业空间较大，操作方便，施工更趋安全性。一般在对大断面按设计采取支护措施后，采用直接转换法既可进入到小断面隧道施工。⑵小断面向大断面转换小断面向大断面的工法转换，因开挖断面的增大，作业空间又受小断面的制约，进行施工转换难于一步到位。本项目采用渐变过渡法，在标准断面的台阶法向三连拱的双侧洞法转换及大断面的双侧壁导坑法向三连拱的双侧洞法转换过程中都取得了成功。①分步过渡技术关键环节为：过渡段仰角的选取，综合考虑应力变化复杂性、施工作业可操作性及后续反向扩挖的工作量，在粉砂和粘土层中宜选取30～400；对过渡段附近5－10m小断面围岩注浆加固并施工二次衬砌；过渡段支护措施要加强，采取超前小导管注浆预加固岩体，格栅钢架根据过渡开挖净空定型加工，打设锁脚锚管等多种支护措施；严格控制开挖进尺，监控量测及时进行。②反向扩挖技术对过渡段进行反向扩挖，分部拆除过渡段临时支护并施工符合要求的初期支护，以满足设计净空：对过渡段围岩进行径向注浆固结，小导管长度4m，注水泥浆；拆除前从大断面向小断面打设超前小管棚，超前小管棚长度以达到小断面并形成棚管为准，对超前小管棚注浆；严格控制拆除范围和拆除长度，CRD中的临时仰拱及临时钢结构立柱只相应加长，不拆6除；及时封闭拆除过程中小断面一侧暴露出的岩体。7评审技术文件之二地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术中铁十二局集团有限公司二○○六年十一月一、分析内容及目的为了在施工之前了解1-1断面三联拱隧道暗挖段施工过程中可能对地层产生的影响，明8确这种影响的大小量级和范围，明确危险可能发生的部位、方式及应采取的施工对策，同时为现场监控量测提供管理基准和依据，对该暗挖段进行施工过程的动态分析，主要计算施工时对地表变形的影响。通过大型岩土工程软件FLAC模拟1-1断面施工顺序，确定每步开挖工序产生的沉降值，为科学制定方案提供依据，有效控制最大沉降在3cm以内。二、计算方法1、有限差分法基本原理FLAC（FastLagrangianAnalysisofContinua）是由美国ItascaConsultingGroupInc.开发的二维显式有限差分法程序，采用适合于模拟大变形问题的拉格朗日方法，即模型单元网格随着变形而不断更新。它可以模拟岩土或其他材料的二维力学行为。拉格朗日元法的名词渊源于流体力学。众所周知，在流体力学中研究流体质点运动的方法有两种。一种是定点观察的方法，称为欧拉法；另一种是随流观察的方法，称为拉格朗日法。后者是研究每个流体质点随时间而变化的情况，即着眼于某一个流体质点，研究它在任意一段时间内走出的轨迹、所具有的速度、压力等。将拉格朗日法移植到固体力学中，将所研究的区域划分成网格，网格的节点就相当于流体的质点，然后按时步用拉格朗日法来研究网格节点的运动，这种方法就称为拉格朗日元法。这种方法不需要形成刚度矩阵，不用求解大型联立方程组，占用内存较少，便于用微机求解较大的工程问题。2、FLAC程序的主要特点(1)较低的硬件配置由于FLAC程序采用的是显式有限差分方法，在运算过程中不必形成象有限元程序那样的整体刚度矩阵，因此程序运行所占的内存不大。(2)强大的前后处理功能FLAC由于提供了友好的用户界面，具有很强的前处理功能和后处理功能。差分网格生成较方便，而且可以很容易地用结构单元模拟梁、柱、桩、锚杆（索）等结构。(3)实现对多种材料和多种工况的模拟FLAC程序可以使用弹性模型、莫尔－库仑模型、横观各向同性模型、应变强化和软化模型、修正剑桥模型、Drucker-Prager模型等多种材料本构模型，可以模拟地应力场生成、边坡或地下洞室开挖、波在土中的传播、土与结构动力相互作用、地下渗流等问题。另外，程序还包括界面模型，可用来模拟岩土体中的结构面（层面、软弱面、断裂面、滑动面等）等复杂的地质条件。93、模型建立有限元计算模型如图1所示，尺寸为60m×35m，底部采用固定约束，两端边界处沿水平方向固定约束。模型上面为地表，取为自由边界。强度准则采用莫尔-库仑准则，变形模式采用大应变模型。施工过程中采取了降水措施，模型不考虑水的影响。图1模拟分析计算模型区间1-1断面穿越的部位的地上物为一栋三层高临时建筑。隧道北侧为北土城西路。隧道南侧为小月河，与小月河的最小距离为8.6米。支护结构采用复合式衬砌，初期支护采用喷射混凝土、钢筋网、锚杆和格栅钢架；二衬为防水钢筋混凝土。开挖前沿全断面拱部开挖轮廓线外施作小导管注浆超前支