中間風井內盾構隧道管片局部拆除方案研究

張海濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063)

0 引言

近年來, 隨著全國各大城市修建地鐵數量的大量增加, 地鐵區(qū)間施工過程遇到的問題也越來越多，如地鐵隧道和車站開挖引起周圍土體變形沉降、地鐵遇到火災情況下的緊急處理等[1-4]。所以, 開展地鐵各方面研究的學者也相對增多，如白云霄等[5]以西安地鐵4號線為案例, 對區(qū)間風井的必要性、布置原則等方面進行了研究分析, 為后續(xù)地鐵風井的設置提供了一定參考。

但是隨著地鐵施工的進行, 中間風井施工受到外部環(huán)境因素影響的案例越來越多，因此, 需要采用其他工法完成風井施工。陳衛(wèi)軍[6]采用暗挖法分離式豎井方案進行超大區(qū)間中間風井施工, 實現了降低風險、節(jié)約成本的目標。彭長勝[7]通過研究圍護、止水等方案成功解決了超深風井施工風險。其他工程中也對特殊情況下的中間風井采用了先隧后井、吊筑法等施工工藝來控制施工風險和施工成本[8-12]。數值理論計算對區(qū)間風井方案的創(chuàng)新提供了可靠的依據。秦義[13]以沈陽地鐵2號線為案例, 對比分析了三維地鐵風井與二維地鐵風井計算結果, 發(fā)現了二維計算區(qū)間風井結構的不足之處。殷凱等[14]對三維區(qū)間風井結構斷面計算分析進行了研究, 提出了荷載折減法的計算方法, 研究表明通過荷載折減法計算的三維區(qū)間風井斷面結果既安全又不會過于保守, 為設計和施工提供了很大便利。

以上文獻僅對風井本體進行了研究，沒有考慮盾構隧道穿越風井后存在的問題。本文針對蘇州地鐵盾構隧道直接掘進通過明挖風井后，位于地下空間下方的深埋盾構隧道與區(qū)間風井間封堵困難、整環(huán)管片拆除風險過大的問題，創(chuàng)新性地提出規(guī)避風險的管片局部拆除方案，即盾構隧道上部管片拆除后增加梁板形成倒“Ω”結構，并驗證其可行性。研究結果以期為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

以蘇州軌道交通某區(qū)間風井為例, 該區(qū)間采用盾構法施工, 在區(qū)間內設置一個車站脫離風井(簡稱中間風井),中間風井與蘇州站南廣場地下空間同期先行建設, 位于南廣場地下空間下方, 風井施工完成后回填土, 待盾構隧道施工完成后再開挖內部土體。風井布置受鐵路蘇州站站房、南廣場地下空間、北環(huán)快速路輔路隧道等制約, 風井內凈空沿線路方向長度為5.3 m, 在風井內部設置1個人防隔斷門, 門框處鋼筋接駁器均進行了預留; 風井兼作聯絡通道功能, 兩線中間設置檢修樓梯至風道層。中間風井平面位置示意圖如圖1所示。

風井施工時圍護結構采用玻璃纖維筋連續(xù)墻, 圍護結構外側施工3 m長端頭加固區(qū), 風井施工完成后在其內部回填黏土, 并充填注漿, 采用盾構直接切削玻璃纖維筋通過的方式。中間風井端頭加固剖面圖如圖2所示。待盾構完成, 清除風井處土體后, 拆除風井處管片環(huán), 施工洞門環(huán)梁和風井內附屬結構, 完成土建工程施工。

圖1 中間風井平面位置示意圖

圖2 中間風井端頭加固剖面圖(單位： mm)

Fig. 2 Profile of end reinforcement of middle ventilation shaft(unit：mm)

風井所處位置的土層由上至下分別是： ①雜填土層、②黏土層、③粉質黏土層、④-1粉質黏土層、④-2粉質黏土夾粉土互層、⑤粉質黏土層、⑥-1黏土層、⑥-2粉質黏土層、⑥-3粉質黏土層、⑦粉質黏土層。風井位置所在土層主要為⑤-1粉質黏土層、⑥-1黏土層。場地地下潛水位約為1.5 m。

盾構施工通過前風井內已積水嚴重, 盾構切削玻璃纖維筋連續(xù)墻通過中間風井后發(fā)現風井上部風道內存在一定程度的涌水, 需在兩端風道內進行間斷抽水, 以防止涌水對火車站南廣場地下空間造成影響。該涌水為盾構通過風井后, 地下水自管片外側與圍護結構之間的空隙進入風井, 之后上滲進入風道； 且通過在盾構隧道內二次注漿無法實現有效封堵, 風道內存在持續(xù)涌水。考慮到風井位于地下空間下方, 為封閉空間, 不具備大型設備的應急搶險工作面, 為避免內部土體清除和管片拆除后出現較大風險, 進行了局部拆除風井內上部管片作為通風口的方案研究, 即通過增加一個中板形成倒“Ω”結構。

2 方案研究

為減小工程風險, 并保證通風、人防和防災等要求。對本工程車站、盾構隧道區(qū)間和中間風井工程進行梳理, 對于中間風井內設置的人防門可通過調整人防分區(qū)解決; 對于中間風井兼作聯絡通道的功能, 在風井內不設置的情況下可以保證每600 m設一聯絡通道的要求; 風井內檢修可通過風亭進入風道進行。保證通風口面積和減小管片局部拆除風險, 并保證新做倒“Ω”結構可靠為本方案重點。倒“Ω”結構橫斷面如圖3所示。

圖3倒“Ω”結構橫斷面示意圖(單位： mm)

Fig. 3 Cross-section of reverse-Ω structure (unit： mm)

2.1 管片拆除范圍

風井內部已拼裝好的管片在右線隧道存在4環(huán)整環(huán)(環(huán)寬1.2 m)、左線隧道存在3環(huán)整環(huán), 如打開3整環(huán), 將導致開口一側距離風井結構較近, 最小距離為320 mm, 不能形成相對穩(wěn)定一環(huán)作為可靠支撐。故選取拆除2環(huán)上部管片, 沿線路方向施工200 mm環(huán)梁保證結構穩(wěn)定性, 沿線路方向凈寬為2 m。根據通風專業(yè)計算, 通風口面積需保證不小于7.6 m2, 上部管片凈開口寬度為3.8 m, 保證通風口有效面積滿足通風要求。通風口開孔如圖4所示。

圖4拆除局部管片平面示意圖(單位: mm)

Fig. 4 Plan of partial segment demolition (unit: mm)

2.2 管片局部拆除方案

管片局部拆除需在不同階段滿足以下幾點要求: 1)需保證管片上方土體開挖及管片局部割除時工作面的安全可靠性及管片的整體穩(wěn)定性; 2)后做連接結構需保證冷縫止水和結構連接的可靠性; 3)完成后的倒“Ω”結構需滿足整體受力和穩(wěn)定要求, 包含抗浮、管片結構穩(wěn)定性、節(jié)點處受力要求。

2.2.1 管片拆除前施工準備

管片拆除前需增加風井和風道內明水抽排, 通過管片內部注漿孔和增設注漿孔對滲水空隙進行封堵, 同時對風井內管片及風井兩側各5環(huán)管片中下部均采用16號工字鋼進行拉緊處理, 隧道內部管片采用H型鋼做臨時支撐, 隧道橫斷面設3道豎向型鋼支撐, 隧道縱向設3道支撐, 共計9道型鋼支撐。臨時支撐橫斷面示意圖如圖5所示。

圖5 臨時支撐橫斷面示意圖

內部支撐好以后進行風井內土體挖除, 挖至新增加水平板結構底部, 挖除土體時對洞門進行不間斷封堵和風井內抽水。采用人工挖土填裝于編織袋內, 堆放在風道中, 后期作為涌水反壓應急物資。施工完畢后, 采用隧道內電瓶車通過隧道運出。

2.2.2 管片拆除及增加梁板方案

挖土后立即進行切割管片、增加梁板的施工, 風井內部和管片內部增設注漿孔注漿。該階段需保證冷縫止水和結構連接的可靠性, 同時需采取措施防止盾構隧道沉降、上浮和左右移動的變形造成管片結構的失穩(wěn)破壞, 保證管片的整體性。具體措施如下。

2.2.2.1 管片切割

左、右線各拆除2環(huán)管片封頂塊(K塊)、臨接塊(B塊)各1個, 可滿足通風面積要求。采用金剛石繩鋸進行分塊切割, 切割管片需避免對鄰接塊管片造成擾動及損傷, 同時在風井結構內安裝5 t電動葫蘆進行管片吊裝; 然后對管片進行分塊, 采用油漆進行標示, 確保每塊管片≤0.5 t; 對劃分好的每塊管片鑿除表面混凝土, 焊接吊耳; 再根據管片混凝土的切割位置安裝導軌, 延切割線適當加長, 導軌與管片混凝土間采用膨脹螺栓緊固； 最后采用電動葫蘆進行吊裝，由隧道內電瓶車或翻斗車運出。

2.2.2.2 結構連接

鑿毛風井內側墻, 在側墻植筋與增加水平板連接, 鑿透中隔墻, 使增加水平板與兩隧道中間腔體內增加的水平板形成一個整體; 增加水平板與既有管片可靠連接, 在混凝土管片內植筋。風井端墻處弧形混凝土管片采用外凸環(huán)梁的形式與風井端墻連接, 將外凸的所有管片全部包住, 在端墻和混凝土管片內植筋, 外凸環(huán)梁的環(huán)向鋼筋錨入增加的水平板, 外凸環(huán)梁與水平板一次性澆筑。具體構造形式及配筋如圖6和圖7所示。

圖6 增加水平板節(jié)點配筋圖(單位: mm)

Fig. 6 Node reinforcement drawing of adding horizontal beam(unit: mm)

圖7 外凸環(huán)梁配筋圖(單位: mm)

2.2.2.3 結構防水

結構防水主要分為2個方面： 1)新增加梁板與既有風井結構和管片之間的冷縫防水； 2)增加對管片外側土體的止水效果。

對于冷縫，采用遇水膨脹橡膠止水條配合預埋注漿管的方式進行止水。由于現場作業(yè)條件較差, 在此種方式無法滿足的情況下, 可考慮采用嵌入壓縮密封體進行冷縫止水。

2.2.2.4 周邊地層穩(wěn)定

為防止管片移位變形或管片沉降對結構的影響, 同時增加管片外部土體的止水效果, 對管片周圍土體進行注漿, 主要有以下幾點: 1) 通過水平板施工時預埋注漿管對下方土體進行注漿; 2) 通過管片底部注漿孔和增設注漿孔對管片底部土體注漿; 3) 加強洞門封堵注漿。

2.3 結構穩(wěn)定及受力計算分析

2.3.1 計算模型

為了驗證管片負環(huán)局部拆除后管片受力是否滿足地鐵運營期使用要求, 本文使用有限元分析軟件對管片受力情況進行計算。將管片視為均質圓弧, 采用徑向受壓彈簧和切向的拉壓彈簧對管片進行約束, 不考慮管片接頭的影響, 對管片剛度進行折減, 乘以0.8折減系數。荷載取值不考慮風井作用, 按照結構置于土中進行水土分算, 水頭取歷年最高水位和地面以下0.5 m高值, 土壓力以地下空間上方地面起算。

對管片受力進行平面分析, 取寬度1 m單元進行計算, 考慮到管片開孔處約束介于簡支和固支之間, 對開孔處約束分別按簡支和固支進行計算。按照結構可靠的原則, 端部支座軸力和剪力值取2個計算結果的包絡值。2種模型的計算參數見表1。

表1簡支約束模型和固支約束模型參數

Table 1 Parameters of simple support constraint model and fixed support constraint model

約束類型模型斷面尺寸/(m×m)材料計算方式簡支約束1×0.35C50混凝土水土分算固支約束1×0.35C50混凝土水土分算

2.3.2 計算結果分析

簡支和固支約束模型計算的剪力、軸力和彎矩結果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知, 通過計算得到管片開口端部的剪力、軸力和彎矩最大值分別為229.7 kN、960.4 kN、148.6 kN·m。對此3個指標進行最不利條件下簡化分析, 剪力作用面可簡化為寬度1 m, 高度350 mm的板結構受力進行計算; 與管片連接結構簡化為一根寬350 mm、高600 mm的梁, 計算軸力為均布荷載施加于梁上, 梁跨度為2.0 m, 則算出的梁端部最大彎矩為320.1 kN·m; 按照板厚350 mm,寬1 000 mm進行受彎計算, 節(jié)點處配筋和植筋均可滿足要求。

(a) 簡支約束剪力圖(單位： kN)

(b) 簡支約束軸力圖(單位： kN)

(c) 簡支約束彎矩圖(單位： kN·m)

(a) 固支約束剪力圖(單位： kN)

(b) 固支約束軸力圖(單位： kN)

(c) 固支約束彎矩圖(單位： kN·m)

但由于管片受力情況復雜, 且該處管片受力存在剛性節(jié)點, 與管片塊與塊之間的柔性連接相沖突, 需對增加水平板下方及管片下方土體進行注漿充填, 保證管片周邊土體密實, 防止管片移位變形或沉降導致的管片結構失穩(wěn)。

3 結論與建議

以蘇州軌道交通某區(qū)間風井為例, 采用創(chuàng)新性倒“Ω”結構在盾構隧道上方打開管片作為通風口, 大大降低了施工風險, 在理論分析和實際施工操作中均滿足要求, 實際沉降監(jiān)測數據小于2 mm, 滿足要求。主要結論如下。

1)風井內部管片拆除風險過大時可采用拆除上部管片形成通風口的方式, 管片與風井結構連接形成倒“Ω”結構。

2)為保證倒“Ω”結構受力安全, 需對周邊土體進行加固, 保證基底穩(wěn)定。

3)本文僅對倒“Ω”結構進行平面受力分析, 與實際受力情況存在出入, 建議后續(xù)進行三維結構計算進行研究分析。

4)由于該結構形式非通常結構形式, 受力體系復雜, 節(jié)點連接相對薄弱, 地下水頭壓力大, 對其實際使用效果需進行長期觀測和必要檢測。