1 城市地下工程施工中的马头门开挖技术.docx
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1城市地下工程施工中的马头门开挖技术
城市地下工程施工中的马头门开挖技术
贺长俊,蒋中庸,崔志杰,刘昌用
摘要:
本文对马头门的受力状况进行了分析,阐述了开挖前的加固措施,对矩形、圆形竖井开挖马头门的方法作了叙述,并分别对明挖结构的围护桩开挖马头门和从通道多个方向开挖马头门作了介绍。
关键词:
马头门;加固环;加密钢架;圆形竖井;强洞口防偏压
UrbanUndergroundEngineeringConstructionIngateExcavationMethods
HeChangjun,JiangZhongyong,CuiZhijie,LiuChangyong
Abstract:
thispaperwillmakeanalysisofloadingconditionsofingate,andstatementofreinforcementmeasurespriortoexcavation,excavationmethodofrectangular&roundshaft,includingtheintroductionofingateexcavation.
Keywords:
Ingate,reinforcementrings,intensifiedsteelstructure,roundShaft,strongtunnelportalbiaspressureprevention
1前言
马头门开挖一词,来源于矿山井巷施工。
由于矿井直径较小,且与竖井相接的运输通道高度不大,(一般巷道高度约在4m以内),为便于长大物件能顺利由竖井进入运输通道,常将连接竖井处的运输巷道加高成斜坡状,如下图1所示。
因为其形状如马头,因此把竖井开口处的施工称作开挖马头门。
贺长俊:
(1935—)教授级高工,住房和城乡建设部特聘专家。
蒋中庸:
(1934—)教授级高工,铁道部有突出贡献科技专家。
崔志杰:
(1940—)教授级高工,原北京市城建勘察设计院总工程师,长期从事地下工程设计和工法研究工作。
刘昌用:
(1940—)高级工程师,享受政府特殊津贴,铁道部有突出贡献科技专家。
现任中铁隆公司首席顾问。
图1矿井马头门示意图
城市地铁暗挖隧道施工中,与竖井相连的横通道高度一般均能满足下放长大物件设备需要,不必加高成斜坡状,虽然形不如马头,但仍沿用马头门开挖这一名词,而且,还把由竖井的横通道开口进入暗挖区间隧道、把从明挖的围护桩开口进入暗挖地段施工,也称马头门开挖。
马头门开挖改变了原结构的受力状态,如施工不当容易造成原结构的变形,增大地表的沉陷,严重时甚至引起结构破坏。
因此,应根据其结构受力变化特点,选择合理的施工方法和施工顺序,并对结构给予必要的加强和支撑。
1矩形竖井开挖马头门
1.1受力特点
马头门开挖各阶段的受力状态如图2所示。
图2马头门开挖各阶段受力示意图
在图2-1中,尚未开挖马头门,竖井井筒处于周边承受均匀土压力的状态。
在图2-2开挖马头门后,洞口处井壁临空,不能提供土压力,井壁处在偏压状态。
偏压力由在马头门两侧土压力而产生的摩擦力,洞口的支撑力和空间效应来平衡。
所谓的空间效应是指开口段上下的井壁及土体拱效应。
如果上述的受力状态达不到平衡,则可能产生松弛和失稳,这是开挖马头门的最危险的状况。
因此,应尽快施作洞口的支撑格栅框架,并于洞口对侧的井壁架设对撑,并施做一定长度的横通道以提供支撑力,建立新的平衡。
必要时对马头门高度范围的土体进行超前加固,提高拱效应。
以达到图2-3所示的状态。
1.2开挖前采取的措施
(一)井壁加强和临时封底
由于空间效应,马头门开挖后,马头门上下方的竖井井壁受力增加,因此井壁在马头门开挖上下方和有临时仰拱位置密排钢架,一般为2榀;在开挖横通道时临时你仰拱位置密排的钢架和喷砼不破除,开挖前竖井要先封底;必要时注浆进行壁后充填。
当马头门开挖的高度较高时,为避免搭设高的脚手架,也可以在井壁施工时预设牛腿,以供开挖上部台阶时搭设施工平台;也可在开挖一定深度进行临时封底后再开挖上层马头门。
临时封底建议采用环形封底,如图3所示。
图3竖井临时封底示意图
1—井壁;2—临时封底;3—临时封底环形钢架;4—环形钢架外喷砼(厚度一般为30cm);5—环形钢架内喷砼(厚度一般为10~20cm);6—竖井底正式封底
(二)超前加固
为防止破除井壁后土体失稳,可根据情况,采用超前管棚或者和通道平行的单层或双层小导管注浆,其长度宜超过上台阶高度加1m,必要时对土体进行环向注浆或上台阶全断面注浆。
(三)施作加固环
为承受马头门开挖后井筒对马头门的侧压力,在开挖前应在其横通道的初期支护周边外施工加固环。
加固环的做法目前有两种,一是在竖井施工时在井壁内作加固环,另一种是在井壁完成后,在井壁内侧作加固环,前者的加固环效果较好,后者施工方便。
现仅介绍前者的施工方法。
如下图4所示。
图4马头门加固环示意图
1—加固环;2—横通道初期支护
加固环由短节格栅钢架组成,随井壁施工,穿过井圈钢架,并焊接在其上,如图5所示。
图5加固环和井圈钢架连接侧视图
1—井圈钢架主筋;2—加固环主筋(4根);3—焊缝
当横通道高度不大时,加固环也可以做成矩形。
(四)临时支撑
为平衡在开挖马头门时的井筒偏压,必要时可采用图6的临时支撑方法。
图6临时支撑示意图
1——竖井井壁2——竖井工字钢支撑3——水平方向钢支撑
1.3马头门范围内井壁破除和开挖
(一)施工顺序
井壁破除应按通道的开挖顺序逐块破除,在上部开挖的井壁破除向前开挖一段距离后,再破除下部开挖的井壁,并向前开挖。
兹以上下台阶开挖横通道为例,阐述马头门破除和开挖顺序,如图7所示。
图7马头门破除顺序
Ⅰ——在井壁施工时施工加固环
2——按上台阶环形开挖破除井壁
Ⅲ——施工作井壁内的上台阶初期支护
4——上台阶环形开挖3~4m
Ⅴ——施作上台阶初期支护
6——拆除上台阶核心部分井壁
7——继续向前开挖上台阶
Ⅷ——施作上台阶初期支护
9——上台阶开挖5~10m后拆除下台阶范围内井壁
10——开挖下台阶
Ⅺ——施作下台阶初期支护
(二)施工要点
1)靠近马头门处加密钢架(一般密排2榀),其中一榀在井壁内,并不用破除的井圈钢架和喷砼为临时仰拱。
2)上下台阶开挖应在开马头门5m范围内增设临时仰拱。
3)横通道开挖一定距离(一般大于10m)方可破除下部开挖的井壁进行下步开挖。
4)横通道初期支护全部成环一定长度后方可拆除临时支撑
5)马头门开挖段井壁宜进行应力应变观测
2圆形竖井开挖马头门
圆形竖井的受力条件较好,但由于布置人行梯和开挖马头门困难,现在地铁很少采用。
圆形竖井开挖马头门有两种做法:
一是将竖井马头门范围的断面过渡成方便开挖马头门的部分直线型,如图8所示,其开挖方法同前矩形断面竖井开挖马头门;另一种是不改变断面开挖马头门,但施工较复杂,其特点及施工方法如下。
图8在圆形竖井变断面开马头门
2.1从圆形竖井开挖马头门的结构特点
图9圆形竖井开挖
1—加固环;2—通道伸入井筒的初期支护;3—井筒外的通道初期支护;4—井筒
圆形竖井开挖马头门的支护结构图如图9所示。
由于横通道伸入井筒内必须对部分井筒进行扩挖,这部分的横通道拱部钢架不闭合,而是焊接在割断的井筒钢筋上,底部不能封底,而是将其边墙的初期支护伸入未破除的外;无法施作临时仰拱。
2.2开挖前采取措施
圆型井筒临时支撑较困难,一般均不采用,超前加固措施与矩形竖井相同。
(一)井壁加强
小直径竖井和开挖高度不大的通道(例如尺寸小于6m),除采用前述的加强措施外,一般利用空间效应进行开挖。
当尺寸较大时则需对井壁进行特殊加强。
如工期允许最好先完成马头门开挖上下各2m范围内的井筒二次初砌,再开挖马头门,这是最好的施工方案。
不做二次衬砌开挖马头门应加大马头门上下一定范围内的井筒竖向筋直径,按规定焊接要求进行竖向筋的连接,使竖向筋成为受力钢筋,能将马头门内对方不平衡的侧压力分担到马头门上下的井筒上。
(二)施工加固环
和矩形断面竖井的加固环不同,加固环不在同一平面上,边墙和拱部部分加固环在井筒和横通道的相交线上,底部沿通道深入部分的井筒水平布置。
2.3马头门范围内井壁破除和横通道开挖
如图7所示,在井筒范围内的横通道只有采用无临时仰拱的台阶法施工,井壁随施工顺序逐次破除。
由于在井筒范围内左右需扩宽,因此施工分左右进行。
现仍以横通道台阶法开挖为例说明其施工顺序,如下图10所示。
图10上台阶开挖顺序图
上台阶开挖距马头门一定距离(一般为10m)后停止前进。
下台阶仍按上台阶的顺序开挖。
当下台阶距上台阶5m时上下台阶同时向前开挖。
在井筒范围内横通道的拱部高度由零逐渐提高,为方便施工,宜将上下台阶的分界线定在起拱线下1m,由于在井筒范围的横通道初期支护无法施工临时仰拱施工;因此有需要时可采用初期支护扩大拱墙脚。
3在横通道内开马头门
3.1开挖顺序
一般情况在横通道内要开挖多个马头门,横通道向四个方向开挖地铁区间隧道,如图11所示。
图9横通道开区间马头门示意图
对开马头门对结构受力极为不利,曾发生过重大安全事故,应明令禁止。
施工的正确顺序是:
先对角开挖1、2号马头门,待各全断面开挖成环一定距离后(例如10m)再开3、4号马头门。
3.2受力特点
开挖马头门前后的受力结构处于偏压状态,如图12所示,在开挖马头门后,在开马头门一侧的拱脚失去了边墙对拱脚的垂直支撑力和大部分水平约束力,结构处于偏压状态仅靠加固环和结构的空间效应来维持平衡,有可能结构变形大和失稳,因此也一般在开挖前对结构加强。
其他有关分析参见前矩形竖井有关部分。
图10开挖马头门内结构受力图
1—横通道;2—马头门内加固环反力;3—区间隧道
3.3开挖前采取措施
(一)施工加固环
竖井开挖马头门的加固环主要承受侧压力,横通道的加固环主要承受破除横通道边墙初支后由拱脚产生的垂直压力,加固环可在横通道施工时在边墙内作加固环,如前所述,也可以在横通道完后在边墙外面做加固环。
后者施工较方便。
由于要侵占横通道净空,如果在横通道内要施做二次衬砌,则横通道要适当加大开挖宽度。
图11横通道加固环示意图
1—横通道初期支护;2—加固环钢架
3—加固环范围内喷砼;4—待施工区间隧道;5—临时横撑
在边墙外做加固环有两种做法:
一是沿隧道初期支护外轮廓线作成拱形加固环,一是作成内框形。
后者的加固环作法如图13所示。
施工方法是先将框架固定在横通道的边墙上,然后用喷混凝土将框架到通道拱顶间、框架与开马头门处的初期支护间的空隙,框架左右侧一定范围用喷混凝土充填。
(二)临时支撑
为平衡开挖马头门后对部分边墙的侧压力,可在加固环的顺梁上按间距1~1.5m设横撑。
如图13所示。
4从明挖结构的围护桩开挖马头门
4.1从围护桩开马头门
从围护桩结构施工的工程进入相邻的暗挖工程施工时必须先破桩。
在围护桩施工时如能根据暗挖工程的外轮廓线适当调整桩间距,则可以减少破桩。
明挖结构尚未完成时进入暗挖施工,一方面要保证不影响桩护结构原来的受力状态和围护能力,同时明挖进行施工的干扰也大,因此一般均采用完成相邻明挖工程的结构后方开始暗挖。
此时马头门仅承受围护桩克服地层摩擦力的自重。
图12明挖结构马头门破桩施工顺序图
破桩开挖马头门施工顺序如图14所示
1——破除上台阶环形开挖内的半桩和施工加固环范围内的桩间喷砼
Ⅱ——施工加固环,墙脚宜设钢筋砼的扩大基础,并嵌入左右的桩体内。
3——破除前半桩另一半
Ⅳ1——在破桩范围架设钢架喷砼,同时施作超前防护Ⅳ2
5——环向3开挖5m并完成拱部初期支护,Ⅴ在靠近维护桩处宜架加设一榀钢架;
6——破除上台阶范围内维护桩和桩间喷砼
7、Ⅶ——继续向前上台阶环形开挖,并完成拱部初期支护
8——待上台阶开挖10~15m后,破除下台阶范围内维护桩和桩间喷砼
9、Ⅸ——开挖下台阶并完成初期支护
本台阶破桩开挖马头门方法,能避免向上破桩的困难并可方便施工超前支护。
5马头门开挖预留扩大端切忌直切和反掏措施
开挖马头门时,洞口每侧应预留500~800mm的扩大端,以便于施作洞口加强环梁并留有操作空间。
切忌直切和反掏进洞。
如图15所示:
图15预留扩大端、直切、反掏图
6结束语
马头门开挖除应遵循浅埋暗挖十八字方针外,还应遵照“强洞口防偏压”的原则,细化施工步序,以确保安全。
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