《交通運輸科學技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）—第三部分隧道《淺埋暗挖大斷面隧道新型懸吊法設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用》

本期項目簡介

完成單位: 中交黑龍江建設(shè)發(fā)展有限公司、中國交通建設(shè)股份有限公司哈爾濱地鐵 3 號線二期工程項目總經(jīng)理部、 天津大學、 中交二航局第三工程有限公司、 中交第二航務(wù)工程局有限公司

主要完成人: 劉寶許、 劉運生、 張強、 鄒新祥、 石立民、 沈?qū)帯?房幀、 付欣

項目簡介

(一) 項目背景

哈爾濱地鐵 3 號線二期工程進鄉(xiāng)街站—汽輪機廠站區(qū)間隧道斷面為 13郾 8m 伊 11m, 覆土埋深約11m, 屬于淺埋暗挖大斷面地鐵隧道, 原設(shè)計采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工, 隧道緊鄰汽輪機廠廠房, 廠房內(nèi)有大量精密儀器, 隧道施工期間廠房沉降變形控制要求極高。

(二) 技術(shù)概況

為減小地層沉降, 保障隧道支護安全, 優(yōu)化傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法支護體系, 保證淺埋暗挖大斷面隧道自身、 汽輪機廠廠房不會發(fā)生沉降變形較大導(dǎo)致的安全事故, 同時拓寬淺埋暗挖大斷面隧道施工導(dǎo)洞, 延長淺埋暗挖大斷面隧道二襯施作時初支拆除距離, 提高施工工效, 完全自主創(chuàng)新研究采用懸吊法在淺埋暗挖大斷面地鐵隧道中進行施工。

隧道開挖前在地表設(shè)置鋼系梁, 并在鋼系梁(鋼縱梁和鋼橫梁) 上預(yù)留鉆孔, 以鉆孔為導(dǎo)向向地層深處預(yù)鉆孔, 隧道開挖后洞內(nèi)及時架設(shè)鋼格柵拱架, 采用洞內(nèi)鋼縱梁將每榀鋼格柵連接起來,然后將精軋螺紋鋼 (吊桿) 穿過預(yù)留鉆孔, 通過洞內(nèi)鋼縱梁將鋼格柵拱架與鋼系梁連接起來, 及時對吊桿施加預(yù)應(yīng)力, 從而克服淺埋暗挖大斷面隧道開挖和后期施作二襯拆除初支時引起的地層沉降變形, 簡稱 “懸吊法冶。

本項目采用工程調(diào)研、 創(chuàng)新設(shè)計、 理論計算、數(shù)值模擬分析、 現(xiàn)場實測對比分析以及現(xiàn)場施工工法總結(jié)等方法和手段對淺埋暗挖大斷面隧道懸吊法設(shè)計型式、 懸吊法關(guān)鍵措施比選、 懸吊法施工地表變形及關(guān)鍵措施變化規(guī)律、 懸吊法施工工法等關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)研究, 形成了成套淺埋暗挖大斷面隧道新型懸吊法設(shè)計、 施工關(guān)鍵技術(shù)。

(三) 適用范圍

本項目 “懸吊法冶 成套技術(shù)成果可直接在淺埋暗挖大斷面隧道中推廣應(yīng)用, 尤其適用于對地層沉降要求極高的超淺埋大跨度城市地鐵隧道工程, 對風險較高的郁、 吁、 遇級圍巖大跨度礦山法隧道、 超淺埋地鐵出入口等附屬工程隧道、 周邊環(huán)境復(fù)雜無法進行明挖施工的地下工程等類似工程順利施工也具有重要的指導(dǎo)意義。

(四) 獲獎情況

(1) 2020 年 5 月 20 日, 中國公路建設(shè)行業(yè)協(xié)會的評價委員會對 《淺埋暗挖大斷面隧道新型懸吊法設(shè)計、 施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用》 課題研究成果進行了鑒定評價, 認定研究成果總體上達到國際先進水平。

(2) 《淺埋暗挖大斷面隧道新型懸吊法設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用》 獲得中國交通運輸協(xié)會 2020 年度科技進步三等獎。

項目創(chuàng)新點

(1) 提出了淺埋暗挖大斷面隧道懸吊法施工的新工法, 解決了地面沉降可靠控制的工程難題。

(2) 建立了淺埋暗挖大斷面隧道懸吊法施工地面沉降的計算方法, 為這種新工法的實際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

(3) 形成了淺埋暗挖大斷面隧道懸吊法的設(shè)計方法和施工成套技術(shù), 為工法推廣應(yīng)用提供了必要的技術(shù)支撐。

同類項目比較

      國內(nèi)外已有施工經(jīng)驗和研究成果表明, 根據(jù)地質(zhì)情況及斷面尺寸, 淺埋暗挖隧道施工工法主要有全斷面法、 上下臺階法、 單側(cè)壁導(dǎo)坑法 (CD 法)、 交叉中隔壁法 (CRD 法)、 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等, 目前控制隧道頂部地層變形的普遍做法主要為單排超前小導(dǎo)管注漿、 雙排超前小導(dǎo)管注漿以及大管棚等。

      無論采用何種超前支護方式, 淺埋暗挖隧道施工時地表均產(chǎn)生不同程度的沉降變形。這是因為淺埋隧道開挖土體卸載后, 隧道洞室收斂變形引起地層沉降變形, 淺埋暗挖隧道埋深較淺, 進而引起地表沉降變形。在隧道初期支護未達到設(shè)計強度之前, 隧道變形基本處于無邊界約束狀態(tài),只有在初期支護強度達到設(shè)計強度后, 隧道變形才得以約束, 變形繼續(xù)進行至結(jié)束, 變形速率逐漸下降并最終收斂為零。

      其中淺埋暗挖隧道由于斷面大, 分部開挖導(dǎo)洞對土層存在多次擾動, 對地表沉降變形影響更明顯。另外, 隧道二襯施作拆除中隔壁支撐時也會引起較大的沉降。并且淺埋暗挖隧道施工通常采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法, 隧道施工導(dǎo)洞多, 工序銜接復(fù)雜, 施工現(xiàn)場易出現(xiàn)管理松懈、 工藝操作不規(guī)范等現(xiàn)象, 實際地層沉降變形經(jīng)常超出設(shè)計控制標準。

      本項目大斷面隧道懸吊法創(chuàng)新技術(shù), 將原大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法 6 導(dǎo)洞施工優(yōu)化為懸吊式CRD 法 4 導(dǎo)洞施工, 力學原理清晰, 施工工藝簡單, 可操作性強, 安全性高, 在懸吊系統(tǒng)的保障下, 可實現(xiàn)較大斷面開挖和長距離拆除中隔壁,減少施工工序的同時有效控制了施工地層沉降。“懸吊 法冶 初 支 施 工 階 段 最 大 地 表 沉 降 約8mm, 二襯施工階段最大地表沉降約 15mm, 與傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比, 地表沉降控制效果顯著。

應(yīng)用案例

     本項目創(chuàng)新研究成果在哈爾濱地鐵 3 號線二期工程進鄉(xiāng)街站—汽輪機廠站區(qū)間得到了成功應(yīng)用,應(yīng)用效果良好。

      2018 年 9 月 7—9 月 30 日現(xiàn)場完成 “懸吊法冶地面懸吊系統(tǒng)施工; 2018 年 10 月 22 至 12 月 5 日現(xiàn)場完成 “懸吊法冶 隧道初支施工; 2019 年 6 月26 至 8 月 12 日現(xiàn)場完成 “ 懸吊法冶 隧道二襯施工。

      “懸吊法冶 施工時, 對地面沉降、 管線沉降、建構(gòu)筑物沉降、 鋼縱梁沉降、 鋼縱梁表面應(yīng)變、精軋螺紋鋼吊桿軸力、 圍巖土壓力、 鋼格柵鋼筋應(yīng)力、 拱頂沉降、 凈空收斂、 底板豎向位移 11 個項目進行了監(jiān)測。

      監(jiān)測數(shù)據(jù)表明, “懸吊法冶 初支施工階段最大地表沉降約 8mm, 二襯施工階段最大地表沉降約15mm, 與傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比, 地表沉降控制效果顯著。吊桿軸力最大值約 208kN, 與理論計算值相符, 其余項目監(jiān)測數(shù)據(jù)也都滿足相關(guān)設(shè)計及規(guī)范要求。

社會效益與經(jīng)濟效益

(一) 社會效益

(1) “懸吊法冶 可有效控制淺埋暗挖大斷面隧道施工地層沉降, 且在懸吊系統(tǒng)的保障下, 隧道可實現(xiàn)大斷面開挖和長距離拆除臨時支撐, 施工安全、 可靠, 避免隧道自身及周邊汽輪機廠廠房等建 (構(gòu)) 筑物發(fā)生安全事故。

(2) 提高大斷面隧道施工工效, 縮短建設(shè)工期, 減少城市地鐵建設(shè)造成的社會交通擁堵, 提高老百姓交通出行的滿意度。

(3) 節(jié)省了隧道初支鋼筋、 超前小導(dǎo)管注漿等材料; 系梁及吊桿采用鋼材制作, 重復(fù)利用率達 100% , 循環(huán)利用次數(shù)不少于 10 次?？纱蟠鬁p少材料浪費, 減少社會資源的浪費。

(4) “懸吊法冶 中地表系梁、 吊桿可預(yù)制化加工施作, 提高了專業(yè)化水平, 極大推動了大斷面隧道施工現(xiàn)場精細化管理, 有利于傳統(tǒng)管理組織模式轉(zhuǎn)型升級。

(二) 經(jīng)濟效益

(1) 現(xiàn)場通過該創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用, 將原大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法 6 導(dǎo)洞施工優(yōu)化為懸吊式 CRD法 4 導(dǎo)洞施工, 在懸吊系統(tǒng)的保障下, 可實現(xiàn)較大大斷面開挖和長距離拆除中隔壁, 且可取消超前小導(dǎo)管注漿加固, 減少了施工工序, 人工、 材料及機械投入減少約 1 / 3, 施工工效提高約 40% , 對降低施工成本極為有利。25m 大斷面隧道懸吊法區(qū)間總體節(jié)約施工成本 103郾 46 萬元, 與傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比, 每延米可節(jié)省約 4 萬元。

(2) 可節(jié)約汽輪機廠廠房袖閥管注漿等沉降控制措施成本約 40 萬元。