《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《浅埋暗挖大断面隧道新型悬吊法设计、施工关键技术研究与应用》

本期项目简介

完成单位: 中交黑龙江建设发展有限公司、中国交通建设股份有限公司哈尔滨地铁 3 号线二期工程项目总经理部、 天津大学、 中交二航局第三工程有限公司、 中交第二航务工程局有限公司

主要完成人: 刘宝许、 刘运生、 张强、 邹新祥、 石立民、 沈宁、 房帧、 付欣

项目简介

(一) 项目背景

哈尔滨地铁 3 号线二期工程进乡街站—汽轮机厂站区间隧道断面为 13郾 8m 伊 11m, 覆土埋深约11m, 属于浅埋暗挖大断面地铁隧道, 原设计采用双侧壁导坑法施工, 隧道紧邻汽轮机厂厂房, 厂房内有大量精密仪器, 隧道施工期间厂房沉降变形控制要求极高。

(二) 技术概况

为减小地层沉降, 保障隧道支护安全, 优化传统双侧壁导坑法支护体系, 保证浅埋暗挖大断面隧道自身、 汽轮机厂厂房不会发生沉降变形较大导致的安全事故, 同时拓宽浅埋暗挖大断面隧道施工导洞, 延长浅埋暗挖大断面隧道二衬施作时初支拆除距离, 提高施工工效, 完全自主创新研究采用悬吊法在浅埋暗挖大断面地铁隧道中进行施工。

隧道开挖前在地表设置钢系梁, 并在钢系梁(钢纵梁和钢横梁) 上预留钻孔, 以钻孔为导向向地层深处预钻孔, 隧道开挖后洞内及时架设钢格栅拱架, 采用洞内钢纵梁将每榀钢格栅连接起来,然后将精轧螺纹钢 (吊杆) 穿过预留钻孔, 通过洞内钢纵梁将钢格栅拱架与钢系梁连接起来, 及时对吊杆施加预应力, 从而克服浅埋暗挖大断面隧道开挖和后期施作二衬拆除初支时引起的地层沉降变形, 简称 “悬吊法冶。

本项目采用工程调研、 创新设计、 理论计算、数值模拟分析、 现场实测对比分析以及现场施工工法总结等方法和手段对浅埋暗挖大断面隧道悬吊法设计型式、 悬吊法关键措施比选、 悬吊法施工地表变形及关键措施变化规律、 悬吊法施工工法等关键技术进行了系统研究, 形成了成套浅埋暗挖大断面隧道新型悬吊法设计、 施工关键技术。

(三) 适用范围

本项目 “悬吊法冶 成套技术成果可直接在浅埋暗挖大断面隧道中推广应用, 尤其适用于对地层沉降要求极高的超浅埋大跨度城市地铁隧道工程, 对风险较高的郁、 吁、 遇级围岩大跨度矿山法隧道、 超浅埋地铁出入口等附属工程隧道、 周边环境复杂无法进行明挖施工的地下工程等类似工程顺利施工也具有重要的指导意义。

(四) 获奖情况

(1) 2020 年 5 月 20 日, 中国公路建设行业协会的评价委员会对 《浅埋暗挖大断面隧道新型悬吊法设计、 施工关键技术研究与应用》 课题研究成果进行了鉴定评价, 认定研究成果总体上达到国际先进水平。

(2) 《浅埋暗挖大断面隧道新型悬吊法设计、施工关键技术研究与应用》 获得中国交通运输协会 2020 年度科技进步三等奖。

项目创新点

(1) 提出了浅埋暗挖大断面隧道悬吊法施工的新工法, 解决了地面沉降可靠控制的工程难题。

(2) 建立了浅埋暗挖大断面隧道悬吊法施工地面沉降的计算方法, 为这种新工法的实际应用提供了理论基础。

(3) 形成了浅埋暗挖大断面隧道悬吊法的设计方法和施工成套技术, 为工法推广应用提供了必要的技术支撑。

同类项目比较

      国内外已有施工经验和研究成果表明, 根据地质情况及断面尺寸, 浅埋暗挖隧道施工工法主要有全断面法、 上下台阶法、 单侧壁导坑法 (CD 法)、 交叉中隔壁法 (CRD 法)、 双侧壁导坑法等, 目前控制隧道顶部地层变形的普遍做法主要为单排超前小导管注浆、 双排超前小导管注浆以及大管棚等。

      无论采用何种超前支护方式, 浅埋暗挖隧道施工时地表均产生不同程度的沉降变形。这是因为浅埋隧道开挖土体卸载后, 隧道洞室收敛变形引起地层沉降变形, 浅埋暗挖隧道埋深较浅, 进而引起地表沉降变形。在隧道初期支护未达到设计强度之前, 隧道变形基本处于无边界约束状态,只有在初期支护强度达到设计强度后, 隧道变形才得以约束, 变形继续进行至结束, 变形速率逐渐下降并最终收敛为零。

      其中浅埋暗挖隧道由于断面大, 分部开挖导洞对土层存在多次扰动, 对地表沉降变形影响更明显。另外, 隧道二衬施作拆除中隔壁支撑时也会引起较大的沉降。并且浅埋暗挖隧道施工通常采用双侧壁导坑法, 隧道施工导洞多, 工序衔接复杂, 施工现场易出现管理松懈、 工艺操作不规范等现象, 实际地层沉降变形经常超出设计控制标准。

      本项目大断面隧道悬吊法创新技术, 将原大断面隧道双侧壁导坑法 6 导洞施工优化为悬吊式CRD 法 4 导洞施工, 力学原理清晰, 施工工艺简单, 可操作性强, 安全性高, 在悬吊系统的保障下, 可实现较大断面开挖和长距离拆除中隔壁,减少施工工序的同时有效控制了施工地层沉降。“悬吊 法冶 初 支 施 工 阶 段 最 大 地 表 沉 降 约8mm, 二衬施工阶段最大地表沉降约 15mm, 与传统双侧壁导坑法相比, 地表沉降控制效果显著。

应用案例

     本项目创新研究成果在哈尔滨地铁 3 号线二期工程进乡街站—汽轮机厂站区间得到了成功应用,应用效果良好。

      2018 年 9 月 7—9 月 30 日现场完成 “悬吊法冶地面悬吊系统施工; 2018 年 10 月 22 至 12 月 5 日现场完成 “悬吊法冶 隧道初支施工; 2019 年 6 月26 至 8 月 12 日现场完成 “ 悬吊法冶 隧道二衬施工。

      “悬吊法冶 施工时, 对地面沉降、 管线沉降、建构筑物沉降、 钢纵梁沉降、 钢纵梁表面应变、精轧螺纹钢吊杆轴力、 围岩土压力、 钢格栅钢筋应力、 拱顶沉降、 净空收敛、 底板竖向位移 11 个项目进行了监测。

      监测数据表明, “悬吊法冶 初支施工阶段最大地表沉降约 8mm, 二衬施工阶段最大地表沉降约15mm, 与传统双侧壁导坑法相比, 地表沉降控制效果显著。吊杆轴力最大值约 208kN, 与理论计算值相符, 其余项目监测数据也都满足相关设计及规范要求。

社会效益与经济效益

(一) 社会效益

(1) “悬吊法冶 可有效控制浅埋暗挖大断面隧道施工地层沉降, 且在悬吊系统的保障下, 隧道可实现大断面开挖和长距离拆除临时支撑, 施工安全、 可靠, 避免隧道自身及周边汽轮机厂厂房等建 (构) 筑物发生安全事故。

(2) 提高大断面隧道施工工效, 缩短建设工期, 减少城市地铁建设造成的社会交通拥堵, 提高老百姓交通出行的满意度。

(3) 节省了隧道初支钢筋、 超前小导管注浆等材料; 系梁及吊杆采用钢材制作, 重复利用率达 100% , 循环利用次数不少于 10 次。可大大减少材料浪费, 减少社会资源的浪费。

(4) “悬吊法冶 中地表系梁、 吊杆可预制化加工施作, 提高了专业化水平, 极大推动了大断面隧道施工现场精细化管理, 有利于传统管理组织模式转型升级。

(二) 经济效益

(1) 现场通过该创新技术应用, 将原大断面隧道双侧壁导坑法 6 导洞施工优化为悬吊式 CRD法 4 导洞施工, 在悬吊系统的保障下, 可实现较大大断面开挖和长距离拆除中隔壁, 且可取消超前小导管注浆加固, 减少了施工工序, 人工、 材料及机械投入减少约 1 / 3, 施工工效提高约 40% , 对降低施工成本极为有利。25m 大断面隧道悬吊法区间总体节约施工成本 103郾 46 万元, 与传统双侧壁导坑法相比, 每延米可节省约 4 万元。

(2) 可节约汽轮机厂厂房袖阀管注浆等沉降控制措施成本约 40 万元。