随着城市化进程的加快, 交通运输业迅速发展, 为了不干扰城市地面交通和周围环境且满足市内通行能力, 大断面城市暗挖隧道日益增多。国内外大断面隧道主要采用CD法、CRD法、双侧壁导坑法、多台阶法等分部施工法, 主要指导思想是将大断面隧道分割成多个小断面导洞, 以减少隧道单次开挖的跨度, 有利于维护隧道掌子面的稳定。但也造成很多难题, 如围岩多次扰动、各工序转换频繁、力学转化复杂等, 其中临时支撑拆除是大段面暗挖隧道修建过程中的关键技术之一。经验表明, 初期支护的最危险状态是在临时支撑拆除但永久衬砌尚未完全发挥作用环节, 施工不当会引起初期支护变形过大、地表下沉、坍塌等风险。

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段开挖断面高21m, 宽18.8m, 断面面积336.8m², 是目前世界上开挖断面最大的公路隧道。隧道采用临时钢支撑将断面分割成5层台阶14个导洞, 分部开挖, 并在初期支护、二次衬砌完成后, 三次衬砌施工前拆除临时钢支撑。

拱北隧道是港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程, 采用双向六车道。位于拱北口岸下方的暗挖段长255m, 埋深4～5m, 为双层暗挖隧道。该暗挖段经过海陆交互相沉积软土地层, 地下水丰富, 与海水相通, 最大水压约0.3MPa, 管幕横断面如图1所示。工程采用“曲线管幕+水平冻结+五台阶十四部”工法施工, 管幕由36根直径为1 620mm的钢管组成, 管壁上、下层分别厚20, 24mm, 管间距约35.5～35.8cm, 奇数管幕内填充混凝土形成实心冻结管, 偶数管幕为空心冻结管。冻结工程形成与暗挖段等长的冻结圈, 冻结壁厚2～2.6m, 待3次衬砌全部完成后停止冻结, 开始解冻施工。隧道分3层施作支护结构:工字钢和喷射混凝土形成30cm厚的初期支护, 格栅钢架和分导洞模筑混凝土形成30cm厚的二次衬砌 (初期支护与二次衬砌之间的距离≤15m) , 初期支护、二次衬砌完成后拆除临时支撑, 同时施作60～219cm厚的钢筋混凝土三衬, 即永久衬砌。临时支撑采用HW400×400型钢, 间距1.2m, 由120mm×40mm的方钢相连, 喷40cm厚混凝土, 与初期支护同步施工, 将隧道断面分割成5层台阶14个导洞。其端部与管幕焊接, 第1道横撑和所有竖撑均采用2根型钢通过螺栓连接形成并撑, 第2, 3, 4道横撑为单撑, 五台阶十四部暗挖如图2所示。

结合三次衬砌的施工顺序和长度, 依次先于三次衬砌施工分部拆除临时支撑。三次衬砌施工由下至上进行, 先仰拱, 再侧墙、中板, 最后拱部衬砌, 施工长度12m。临时支撑拆除时, 先采用破碎锤从上到下破除全部喷射混凝土, 临时钢支撑每10榀保留2榀不拆, 以控制隧道结构变形, 保留的2榀临时钢支撑紧跟三次衬砌工作面前拆除。具体拆除顺序如图3所示。

根据工程地质状况、隧道临时支护结构和二次衬砌设计建立数值模型进行分析, 主要考虑围岩压力、水压力、结构自重、地面荷载和施工荷载作用。其中, 地面荷载取30kPa, 施工荷载取20kPa。由于隧道断面大、埋深浅, 围岩竖向压力按全土柱考虑, 水平压力按静止土压力考虑。图4为计算得到的隧道结构轴力图。由图可知, 第5层竖向支撑和第3道横向支撑轴力最大, 在临时支撑拆除施工中应重点关注。

把握好临时支撑的拆除时机可有效地减少初期支护的结构变形。本工程在初期支护和二次衬砌全部完成, 且各导洞变形充分稳定后, 开始拆除临时支撑。

五台阶十四部临时支撑拆除没有成熟的经验, 为了保证口岸的绝对安全, 拆撑长度需通过现场试验和数据分析来确定。施工中先逐个切断钢支撑, 同时监测结构内力变化及变形情况, 评估拆除的距离。钢支撑切断后, 若支护变形小, 则开始在安全范围内拆除临时支撑;若支护变形较大, 存在极大的安全风险, 则应立即将临时支撑焊接复原, 同时对变形区域进行加固, 重新评估、分析并调整拆除方案。最终本工程确定临时支撑的一次拆除长度为10.8m。

支撑连续拆除距离过长容易引起隧道结构受力变化, 从而导致大变形, 因此, 临时支撑必须间隔拆除, 每10榀保留2榀不拆。

临时支撑拆除由下向上进行, 同时解除钢支撑两端与管幕的连接, 形成分段对称式拆除。

临时支撑型钢极重, 当第5层竖撑拆除后, 仅靠4道横撑与管幕焊接, 以承受临时钢支撑的全部质量, 结构变形风险较大, 因此需在仰拱施工完成后及时对第5层竖撑进行换撑。施工过程中要求工序紧凑以减少支撑悬空时间。

每拆除1段临时支撑后应立即施工仰拱、侧墙、中板及拱部三次衬砌。

临时钢支撑拆除与三衬施工交叉作业, 组织复杂。根据以往临时支撑拆除经验, 钢支撑拆除是影响结构变形的主要因素, 混凝土破除过程对结构变形影响极小。因此, 先由上至下破除全部临时支撑上的喷射混凝土, 这样既简化了拆除工艺, 又使上部拆撑完成后下部即可开展后续施工, 不会出现每拆除1段支撑, 破除的喷射混凝土碎块四处飞溅, 严重影响下道工序施工的情形。下部临时钢支撑随仰拱、侧墙、中板跳槽施工, 255m长度可形成4个工作面, 拱部三次衬砌可从一侧工作井向另一侧工作井依次施工, 这样组织可减少干扰, 提高工效。利用第3道横撑及下部支撑施作中板, 可减少搭设支架的工作量, 加快施工进度, 同时极大减少新设支架运输对其他工作面的交叉干扰。待中板全部完成后, 通过仰拱拆除、运输剩余钢支撑, 大大提升了施工工效和安全性。

监控量测贯穿临时钢支撑拆除和三衬施工的全过程。通过动态监测指导施工, 有效控制了结构变形。

对临时支撑拆除过程中的结构监测主要以拱顶下沉和结构周边收敛为主 (每10m设置1个监测断面) , 二衬结构内力为辅 (每20m设置1个监测断面) , 其监测点布置如图5所示。

图6～8为临时支撑拆除时各时期的监测结果。图中显示, 拆撑前拱顶沉降、收敛、内力变化量均很小, 曲线趋于平稳, 满足拆撑时机要求。

图6显示的是YK2+410断面中间拱顶沉降监测点从出现最大沉降5.7mm开始到铺设拱部三衬防水板之前的数据曲线。由图可见, 拱顶沉降曲线呈整体上浮趋势, 主要是因为隧道埋深浅, 土体挖除后, 管幕与冻结壁形成的密封体其自重小于浮力。此外, 当第1阶段的第1层和第5层竖撑拆除后, 拱顶出现了明显的沉降趋势, 但变化量较小, 平均速率为0.04mm/d;在第3, 4阶段临时支撑拆除过程中, 拱顶沉降变化极为缓慢, 平均速率为0.01mm/d;三次衬砌中板完成后, 拱顶沉降曲线趋于平稳。由分析可知, 在临时支撑拆除过程中, 第1阶段的拱顶沉降变化量最大, 拆除与管幕连接的竖撑会立即产生沉降, 但又很快趋于平稳。

由于第3道横向支撑的横向轴力最大, 具有一定代表性, 图7曲线取YK2+410断面中板高程位置的第3层两侧的二衬收敛监测点。由图可见, 第1阶段竖撑拆除时, 其二衬收敛值变化极小, 平均速率为0.005mm/d;第2阶段第1道横撑拆除时, 结构有明显的收敛, 但变化量不大, 平均速率为0.05mm/d;第3, 4阶段剩余横撑的拆除过程中, 结构收敛变化缓慢, 平均速率为0.02mm/d;三次衬砌中板完成后, 结构收敛曲线趋于平稳。由分析可知, 在临时支撑拆除过程中, 横撑拆除对二衬水平收敛影响较大, 其中, 第1道横撑拆除时的收敛变化量最大, 拆除与管幕连接的横撑会立即产生收敛, 但很快趋于平稳。

图8为YK2+410断面第3层左侧28号管幕附近的二衬内力监测点的数据曲线。由图可知, 第1, 2阶段竖撑拆除过程中, 二衬内力变化小, 平均速率为0.33kN·m/d;第3阶段横撑拆除后, 内力明显增大, 但随着边墙的混凝土施工, 内力逐渐恢复到横撑拆除前大小, 平均速率为1.20kN·m/d, 内力变化速率较大;从第4阶段的横撑拆除到中板施工完成过程, 二衬内力值在-21.76～-31.60kN·m波动。分析可知, 在临时横撑拆除过程中, 隧道侧墙处的二衬内力变化波动较大, 拆除与管幕连接的横撑和施工三衬结构的混凝土都会产生明显的内力变化, 但很快趋于平稳。

临时支撑拆除是五台阶十四部工法施工中一道重要的工序, 在施工中必须予以高度重视。经分析研究表明, 在管幕、冻结圈、初期支护、二次衬砌等强大的临时支护下, 先破除临时支撑上的混凝土, 再分段分层、间隔跳段地割除临时钢支撑, 同时紧跟施工三衬永久性结构的临时支撑拆除施工技术是可靠的。通过实践验证了五台阶十四部的拆撑时机、范围、顺序及工艺的合理性, 实现了超大断面临时支护到永久性结构的转换, 为其他类似施工提供了借鉴与指导。