地鐵工程施工豎井裝配式支護方案探討

楊成蛟

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各大城市為了緩解交通擁堵問題，都開始大規(guī)模的修建地鐵。但在市區(qū)范圍的地鐵建設(shè)環(huán)境較差，主要表現(xiàn)為城市道路寬度不足，但交通量卻很大，同時地下管線密布，造成常規(guī)明、蓋挖法不能滿足地面交通疏解和管線遷改的要求，故很多車站、區(qū)間都采用淺埋暗挖法施工，以避免影響地面交通和市政管線。而作為淺埋暗挖法施工通道的豎井都采用倒掛井壁法施工，豎井側(cè)壁支護結(jié)構(gòu)則采用格柵鋼架+噴射混凝土方案，該支護方案較為成熟，應(yīng)用廣，具有凝固時間短、早期強度高、結(jié)構(gòu)剛度大的優(yōu)點，但也存在施工能耗高、工效低、環(huán)境污染大、造價高等缺點。而裝配式結(jié)構(gòu)具有效率高、環(huán)保、經(jīng)濟等優(yōu)點，無疑是規(guī)避常規(guī)豎井支護方案缺點一個好辦法，同時也符合我國大力推廣裝配式建筑的政策要求。

因豎井結(jié)構(gòu)較簡單，目前基本沒有針對獨立豎井進行研究的相關(guān)文獻，而對裝配式豎井支護方案也僅有有少量的研究。關(guān)成立基于圓形豎井拼裝式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，研發(fā)了一套直徑8.0 m內(nèi)，深度10 m內(nèi)圓形豎井拼裝式鋼結(jié)構(gòu)主動預(yù)緊支護結(jié)構(gòu)，并利用數(shù)值模擬對支護結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，最后通過現(xiàn)場加載試驗和施工應(yīng)用對拼裝式鋼結(jié)構(gòu)的理論分析和設(shè)計進行了驗證。郭瑞對內(nèi)徑12 m圓形盾構(gòu)隧道接收井裝配式內(nèi)襯結(jié)構(gòu)選型、拼裝方式對襯砌管片受力及變形影響進行分析，確定管片的選型設(shè)計方案。徐金亮以學院橋站1#施工豎井項目為依托，對初支外輪廓尺寸5.38 m×9.88 m橢圓形波紋板裝配式支護結(jié)構(gòu)進行了力學分析，并對比現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了新型裝配式支護結(jié)構(gòu)受力變形特點。上述學者都是對非常規(guī)豎井的裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護結(jié)構(gòu)或裝配式內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進行研究，且裝配式支護結(jié)構(gòu)都需要針對性定制。本文立足于沈陽地區(qū)地鐵工程常規(guī)尺寸豎井，對豎井的裝配式鋼筋混凝土初支進行探討，以期形成一套新的結(jié)構(gòu)方案。

2 標準豎井支護方案探討

2.1 傳統(tǒng)常規(guī)豎井支護方案及優(yōu)化

地鐵暗挖工程的施工豎井基本均采用倒掛井壁法施工，井深一般不超過30 m。目前沈陽地鐵的常規(guī)豎井尺寸均為4.6 m×6 m矩形結(jié)構(gòu)(見圖1)，該尺寸為結(jié)合豎井結(jié)構(gòu)受力和施工操作要求確定，支護方案為350 mm初支(格柵鋼架+噴混)，四周側(cè)壁打設(shè)錨管。因本地區(qū)地質(zhì)主要為中粗砂、礫砂等，豎井的側(cè)向壓力較大，為滿足側(cè)壁受力要求，一般豎井內(nèi)仍需在四角設(shè)鋼支撐以減小側(cè)壁結(jié)構(gòu)彎矩。

該方案豎井凈面積27.6 m2，但因為角撐的存在致使角部面積無法利用，實際可利用的施工作業(yè)面僅約為23.1 m2，而豎井角部結(jié)構(gòu)也形成了一定浪費。為解決這一問題， 考慮將豎井采用圓形結(jié)構(gòu)，閉合的圓形結(jié)構(gòu)形成拱效應(yīng)，在周圍荷載均勻分布時使外部的土壓力轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)的軸力，可充分利用混凝土抗壓強度高的材料特性。即使因地層不均勻使豎井周圈土壓力分布不均勻，其產(chǎn)生的彎矩也可通過增加初支配筋解決而不用增設(shè)內(nèi)部支撐，這樣就可以大幅提高豎井的可利用面積。

圖1 常規(guī)豎井平面圖/mm

2.2 標準豎井裝配式支護方案及分析

經(jīng)上述優(yōu)化后，針對標準豎井為滿足施工作業(yè)要求，豎井凈面積仍應(yīng)能保證不小于23.1 m2，即圓形豎井內(nèi)徑不應(yīng)小于5.42 m?，F(xiàn)階段盾構(gòu)區(qū)間管片標準環(huán)內(nèi)徑5.5 m，管片壁厚350 mm，每環(huán)劃分為6塊，剛好滿足上述結(jié)構(gòu)受力及施工作業(yè)要求，故豎井的裝配式支護結(jié)構(gòu)可直接采用區(qū)間盾構(gòu)管片(見圖2)。

圖2 裝配式豎井平面及分塊圖/mm

優(yōu)化后的裝配式豎井施工仍采用倒掛井壁法，第一步先施工井口的鎖口圈梁，然后向下挖土，拼裝第一環(huán)井壁管片，打設(shè)側(cè)壁錨管，再開挖第二環(huán)管片空間，拼裝第二環(huán)井壁管片并打設(shè)側(cè)壁錨管，如此循環(huán)直至完成豎井結(jié)構(gòu)。其中側(cè)壁錨管可利用管片的注漿孔打設(shè)，不必破壞管片結(jié)構(gòu)，管片豎向利用螺栓連接代替縱向連接筋，增加豎井整體性，拼裝完每環(huán)管片后應(yīng)及時進行管片背后注漿確保井壁背后密實。在豎井側(cè)壁開橫通道馬頭門時與常規(guī)豎井馬頭門工序相同。該裝配式豎井支護結(jié)構(gòu)方案相對常規(guī)豎井具有如下優(yōu)點。

(1)圓形結(jié)構(gòu)方案受力更為合理，能充分發(fā)揮混凝土的受壓特性，結(jié)構(gòu)安全性更高；

(2)盾構(gòu)管片均為C50高強混凝土，相對原方案噴射混凝土(C25)的強度等級高很多，能承受更大的土壓力，可應(yīng)用于更深的豎井；

(3)豎井內(nèi)不需要設(shè)置支撐，能提供更大的施工作業(yè)面；

(4)裝配式結(jié)構(gòu)施工速度快，質(zhì)量好，利于節(jié)省工期；

(5)支護結(jié)構(gòu)直接利用盾構(gòu)管片，不需要特殊設(shè)計、制造，技術(shù)成熟，標準化程度高，還可利用正線盾構(gòu)區(qū)間拆除下來的負環(huán)管片，進一步降低工程造價；

(6)取消了噴射混凝土作業(yè)，減少環(huán)境污染，改善了施工作業(yè)環(huán)境，利于保護工人健康；

(7)地面下3 m范圍的豎井結(jié)構(gòu)一般需要拆除，而裝配式結(jié)構(gòu)拆除更為安全方便；

(8)應(yīng)用限制條件低，可推廣至國內(nèi)大部分地區(qū)。

3 結(jié) 語

豎井是暗挖工程不可或缺的結(jié)構(gòu)，作為施工通道承擔著暗挖工程的出土、進料等重要責任。本文探討研究的裝配式豎井支護結(jié)構(gòu)是對傳統(tǒng)豎井結(jié)構(gòu)的一次優(yōu)化與創(chuàng)新，較傳統(tǒng)豎井結(jié)構(gòu)具備更多的優(yōu)點，可作為今后豎井發(fā)展的一個方向。