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复杂地质条件下大断面隧道施工技术

研究报告

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

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