大跨平顶直墙暗挖通道二次衬砌技术探析

田海波

(上海市城市建设设计研究总院，上海 200125)

0 引言

受交通和管线限制，城市过街通道及地铁出入口通道等越来越多地采用暗挖法施工。对于浅埋暗挖结构，从施工安全及结构受力的角度考虑，在满足建筑净空要求下，宜采用拱顶结构;同时，为控制沉降，宜满足一定覆土要求。但有时受建筑功能限制，会出现超浅覆土情况，此时由于不能起拱而只能采用平顶直墙断面。当通道上方分布管线时，为控制变形，通道与管线宜留有一定距离。当管线与结构距离过小时，往往无法起拱而只能采用平顶直墙形式。

对于平顶直墙暗挖断面，其顶部自承能力显然不如拱顶结构，其开挖和二次衬砌拆撑风险加大，极易出现坍塌，因此，临时支撑体系应能满足开挖和二次衬砌施工安全要求。根据不同结构形式和环境条件，通道开挖和二次衬砌施工有多种施作方法:张哲强［1］、宋福来等［2］对超浅覆土条件下平顶直墙断面纵向小范围一次拆撑施工二次衬砌进行了介绍;赵志江［3］、贺善宁等［4］、雷安定等［5］结合工程实践研究了针对双跨结构平顶直墙条件下暗挖及二次衬砌施工方法;李名淦等［6］、姚海波等［7］、李峰等［8］对多层多跨平顶直墙浅埋暗挖法分部开挖及二次衬砌分仓施工进行了研究，工程效果显著。上述研究均是针对特定条件下，暗挖通道开挖及二次衬砌施工方法进行研究，但在实际工程中，受制于环境、结构形式、工期等因素，各种方法均有其优势及局限性。

本文结合国内某城市地铁暗挖工程设计实践，进行一种新的二次衬砌施工方案尝试，对平顶直墙暗挖通道开挖方法、初期支护及二次衬砌施工工序等进行分析，针对工期、造价、施工等因素对各方案进行比较，总结其优势及适用条件。

1 工程概况

1.1 暗挖通道

通道位于道路下方，上方分布φ2 400上水管等众多市政管线，采用暗挖法施工。暗挖段长约22 m，结构净宽12.35 m，结构净高6.25 m，覆土厚度约5.0 m。由于上方分布大型市政管线，无法起拱，采用平顶直墙断面形式。通道剖面及与管线位置关系见图1。

图1 通道剖面(单位:mm)Fig.1 Profile of underpass(mm)

1.2 地层参数

通道主要位于③粉土和③1粉质黏土层中。各土层参数见表1。

表1 土层物理力学特性指标Table 1 Physical properties of soil

1.3 结构设计

通道受控制管线限制，采用平顶直墙断面。利用明挖段作为暗挖竖井，向车站方向暗挖施工。结构计算见图2。

结构剖面设计尺寸及设计参数见图3。拱部采用小导管注浆超前支护，初期支护采用格栅网喷混凝土，格栅节点处设置锁脚锚杆。二次衬砌采用现浇模筑混凝土，初期支护与二次衬砌之间敷设柔性全包防水层。

图2 计算荷载模式Fig.2 Load calculation model

图3 结构剖面(单位:mm)Fig.3 Cross-section of underpass(mm)

2 开挖及二次衬砌施工方法

暗挖通道开挖跨度为14.55 m，高度为8.64 m。由于采用平顶直墙断面，顶板承载能力较拱顶不利，因此采用CD法分导洞开挖施工，开挖完成后，进行二次衬砌结构施工。

2.1 方案1

图4为纵向分段拆撑二次衬砌施工方法。纵向根据跨度分段循环，拆除底板处临时中隔壁，浇筑底板，底板施工完成后，拆除对应剩余临时支撑，浇筑剩余结构。

图5和图6为拆撑模拟计算。结果显示:拆撑距离3～6 m时，顶部初期支护能满足受力要求;拆撑距离9 m时，拱顶弯矩超出支护承载能力;如施工要求需一次拆撑9 m时，为确保拱顶安全，底板施工时可将中隔离复顶至底板。

图4 方案1:二次衬砌施工步骤Fig.4 Option I:lining construction steps

图5 计算断面Fig.5 Calculation model

2.2 方案2

图7为不拆除竖隔壁条件下，二次衬砌施工方法和步骤。

先凿除底板高度范围型钢隔壁混凝土，保留型钢，底板高度中部位置设置止水法兰，敷设防水层，浇筑部分侧墙和底板二次衬砌。

待先浇混凝土达到设计强度后，拆除中隔板，凿除型钢隔壁混凝土，保留型钢，顶板设置止水法兰，敷设防水层，浇注其余侧墙和顶板二次衬砌。当二次衬砌混凝土达到设计强度时，分段切割拆除竖向型钢支撑。

研究表明，程序可以有效描述裂隙岩体渗流特征和连续介质渗流规律，显示出良好的工程应用前景，为裂隙与连续介质的耦合渗流计算提供了新的方法。

2.3 方案3

图8为纵向分段，横向分左、右半环分部浇筑二次衬砌。

根据监测情况，根据跨度纵向分段拆除临时中隔板(步长5～7 m)，敷设防水层，浇筑左半断面二次衬砌，顶板悬臂部分设置临时型钢支撑。拆除纵向分段临时中隔壁，浇筑右半侧顶板、底板二次衬砌。

当二次衬砌混凝土达到设计强度时，拆除临时型钢支撑。重复步骤，施工下一纵向分段循环。

图7 方案2:二次衬砌施工步骤Fig.7 OptionⅡ:lining construction steps

图8 方案3:二次衬砌施工步骤Fig.8 OptionⅢ:lining construction steps

2.4 方案比较

1)方案1。当采用拱顶结构且步距较小时，可直接拆除中隔壁浇筑底板，然后浇筑剩余二次衬砌。对于平顶直墙结构，承载能力较差，若直接拆撑，则难以确保拱顶安全。拆撑长度较大时，建议竖隔壁复顶至底板，避免顶部初期支护长时间承受上部荷载，该法工序较为繁琐，一次循环长度较短，工期较长，且只适用于小跨度，对于大跨度，安全不能保证。

2)方案2。采用不拆除竖隔壁型钢，在基本不改变初支受力状态条件下直接浇筑混凝土，大大提高了安全性，一次纵向拆撑长度可加长至12～16 m。该法竖隔壁混凝土凿除后需保持承载能力，因此竖隔壁宜采用型钢，浇筑混凝土时将型钢埋置在结构内，为保证防水效果，结构板内型钢位置设置止水法兰，防水板与工字钢密贴，周围用止水胶密封，型钢进行防腐处理，见图9。该法一次循环长度较长，工期短，缺点是防水工艺复杂，但安全性得到保证，适用于大跨断面。

图9 型钢节点防水处理Fig.9 Node waterproofing

3)方案3。采用纵向分段、左右分部浇筑二次衬砌方法。在不拆除中隔壁的条件下，浇筑左部半环结构，以形成对左部导洞的支承，然后拆除临时撑浇筑剩余二次衬砌。该法顶板中部增设一道施工缝，需保证防水质量。该法虽施工工序较多，但安全有保证，特别是针对双跨结构中隔墙时可结合使用，适用于双跨等较大跨度断面。

2.5 节点设计

由于采用分导洞开挖，二次衬砌施工时均涉及到临时中隔板及中隔壁的拆除。格栅总装图见图10，节点大样见图11。

为确保临时支撑拆除后，初期支护强度连续，外圈初期支护采用等强连续节点，中隔板钢筋锚入初期支护格栅。

方案1和方案2在浇筑底板时，需凿除临时隔壁，若采用钢筋格栅，则凿除后失去支承能力。因此，临时竖隔壁采用型钢喷混凝土，满足凿除混凝土后复顶要求或保持支承能力。

图10 格栅总装图Fig.10 Grille assembly

图11 节点大样Fig.11 Node details

2.6 工程实施

对于本工程而言，由于开挖跨度达到近15 m，且分6部开挖，经综合比选，采用方案3，即分段浇筑左右半环结构，然后拆除临时隔壁浇筑剩余二次衬砌。图12为开挖完成后的通道断面，图13为左右半环结构完成。

图12 通道开挖Fig.12 Underpass excavation

图13 衬砌施工Fig.13 Lining construction

3 结论与建议

综上分析可得出以下结论:

1)平顶直墙对于开挖、初期支护结构及二次衬砌转化阶段受力均不利，对于暗挖结构，拱部应遵循“能拱则拱”的原则。

2)采用平顶直墙结构形式时，宜采用分导洞开挖。对于小跨度单跨断面，可采用本文所述方案1，为确保拆撑时初期支护连续及安全，节点应保证外圈初期支护钢筋顺直等强连接。

3)对于较大跨度平顶直墙断面，二次衬砌施工时建议采用不拆除型钢或间隔保留型钢施工二次衬砌方案。为保证二次衬砌施工拆撑安全，中隔壁钢架宜采用型钢。

4)对于双跨等大跨断面，可采用本文所述方案3结合中隔墙采用横向分部纵向拆撑方案，以确保安全。

5)本文针对不同二次衬砌实施方案做了初步探讨，但由于工程条件限制对其拆撑长度未进行深入研究，后续可结合实际工程进行理论分析和拆撑试验段进一步研究。

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