狹小空間盾構側向補償始發方案研究*

葉新豐,張 凱,余 鵬,田騰躍,郭 鑫

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100068;2.北京市城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室,北京 100068;3.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055;4.中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

0 引言

盾構施工以其快捷高效的特點,成為地鐵隧道施工的優先選擇。常規盾構始發有2種方案［1-3］,一種為整體始發,即有足夠長度基坑可用于盾構及后配套臺車安裝,連成整體調試完成后掘進;另一種為分體始發,將盾構機及少部分后配套設備吊入始發井,待掘進完成足夠空間后,完成全部配套臺車安裝。但是在城市核心城區,盾構始發場地往往受到周邊環境的嚴格限制,導致盾構始發方案須因地制宜采取各種組合形式。諸多學者針對盾構區間始發方案進行相關研究,其中王德超［4］以濟南地鐵某區間風井為對象,研究了3種不同風井長度時盾構機分體始發方案,認為83m分體始發方案具有最好的綜合效益;王剛［5］在北京地鐵8號線鼓什區間設置11m長盾構始發井及7m長出渣口,完成盾構分體始發;鐘志全［6］提出一種在長度22m豎井中的盾構分體始發施工技術;劉金峰［7］以武漢軌道交通6號線馬鐘區間為例,介紹在始發井長度為17m情況下盾構分體始發技術;邵翔宇等［8］在小半徑曲線隧道內,以44m始發井進行盾構分體始發,以上研究的共同點為盾構隧道正線有條件設置始發井和渣土口。目前,基于盾構側向始發的研究內容較少,仝海龍［9］以長春地鐵1號線自南區間為例,介紹盾構平移及始發接收施工技術,即盾構不在正線上方,通過側向平移將盾構平移至正線工作面進行掘進,渣土及管片通過平移通道的龍門吊運輸;李愛民［10］以北京地鐵19號共金區間為例,介紹了一種雙線盾構側向分體始發方案。

以上內容研究,同樣在場地空間狹小環境下,當出現正線在交通流量大的道路下方的情況,始發井實施將難以實現;而目前的正線側向始發,往往存在平移通道斷面寬度大,形成較大暗挖工程風險,方案可優化的空間較大。因此本文主要研究在區間正線無法實施盾構始發井,且需側向始發的情況下,如何優化方案及如何解決優化方案后帶來的新問題。

1 工程概況

1.1 工程地質與水文條件

北京地鐵昌平線南延工程學院橋站至西土城站區間(以下稱學西區間)全長1 309.932m,拱頂覆土約18.1～27.9m,底板埋深約24.9～33.9m。

學西區間主要穿越地層為④粉質黏土、④1粉土層、④2細中砂層、⑤卵石層。區間主要穿越層間潛水(三)層,穩定水位標高為19.060～19.280m,水位埋深為29.3～29.6m。區間最低點進入層間潛水(三)5.5m。

1.2 周邊環境及場地條件

為響應北京市地下水資源保護的要求,結合區間地下水位較高的實際情況,區間擬采用盾構法施工,主要場地及周邊環境限制條件為：①區間北端學院橋站為暗挖車站,無法提供盾構始發場地。②區間上方為城市主干道路,車流量較大,無法實現區間上方設置盾構始發井。③可用施工場地僅學院橋西南角,線路西側為“L”形場地,寬23m,中線長73m,占地面積僅2 950m2(見圖1),場地距離學院橋站約120m。學西區間周邊環境及場地條件以及地下水資源保護要求,決定了工程需要在狹小空間條件下進行盾構側向始發。

圖1 區間周邊環境Fig.1 Interval surroundings

1.3 工期條件

本工程依據全線通車時間節點與區間洞通時間節點開展工程籌劃,區間土建計劃工期僅為23個月,其中始發結構實施控制時間為14個月。盾構始發結構包含盾構始發井、盾構側向始發通道、出土井、盾構出土通道、反向隧道等;盾構掘進環節包含盾構機安裝就位、盾構始發、盾構掘進、盾構到達西土城站棄殼接收等諸多工序。常規側向平移分體始發需23個月,無法匹配項目施工節點目標。側向補償始發通過優化平移橫通道施工工法及位置,能夠有效調整暗挖段區間隧道及出土通道工序時間,縮減整體工期6個月以上。

1.4 盾構設備條件

盾構設備的尺寸、質量條件決定盾構始發結構的大小及形狀,本區間盾構機雙線采用土壓平衡盾構機,刀盤直徑6 280mm,管片外徑6 000mm,管片內徑5 400mm,管片長度1 200mm。主機長度8 588mm,主機含后配套總長度約85m。若滿足整體始發條件,盾構反向隧道長度需>85m。

2 盾構始發方案比選

學西區間盾構在狹小空間條件下進行側向始發施工,主要考慮工期、造價、安全、始發便利性幾個方面,比選出3個始發方案。

2.1 常規側向平移分體始發方案(方案1)

2.1.1始發結構施作及盾構施工步序

1)明挖法施工①盾構始發井,完成二襯結構;同期倒掛井壁法開挖②出土井,完成二襯結構。

2)洞樁法施工③盾構平移橫通道,并完成二襯結構;同期臺階法開挖⑥出土通道1。

3)CRD法開挖④盾構始發斷面隧道,臺階法開挖⑤標準斷面至學院橋站,完成二襯結構。

4)臺階法開挖⑦出土通道2及⑧出土通道3。

5)盾構組裝后平移至左線始發,掘進至85m以上,后配套可以全部置于隧道內并恢復正常掘進,同時組裝右線始發。

6)左右線出土井及運輸通道可作為盾構出土、管片運輸通道,直至掘進完成,后配套及拆解后盾構設備從盾構井吊出,始發結構平面如圖2所示。

圖2 方案1始發結構平面Fig.2 Originating structure floor plan of scheme 1

2.1.2方案優缺點

目前類似方案在地鐵施工中應用較多［11］,且修建始發井、平移通道、反向隧道、出土豎井及通道工藝相對較為成熟,風險易控。主要缺點：①工期長 平移通道工期為10個月,完成后再施工反向隧道工期6個月,合計工期23個月,施工工期較長,無法匹配項目23個月完成施工的節點目標;②斷面大、風險高 盾構機平移通道斷面凈寬達11m,施工過程中采用PBA工法開挖形成大斷面,群洞效應明顯,多次受力轉換,施工風險較高。③盾構井及平移通道利用率低,掘進過程平移通道與線路垂直,不能作為材料運輸通道,利用率低,占用場地。④分體始發工效低 受場地限制,反向隧道長度小于盾構機及后配套臺車長度(85m),需分體始發。

方案1始發工期為23個月,施工工序進度如圖3所示。

圖3 方案1始發施工進度橫道圖Fig.3 Originating construction progress gantt chart of scheme 1

2.2 平移轉體整體始發方案(方案2)

2.2.1始發結構施作及盾構施工步序

1)明挖法施工①盾構始發井,完成二襯結構;同期倒掛井壁法開挖②出土井,完成二襯結構。

2)臺階法開挖③施工橫通道。

3)CRD法施工④盾構平移橫通道,完成二襯結構;同期臺階法施工⑤礦山法區間標準隧道,完成二襯結構;同期臺階法施工⑥出土通道。

4)CRD法開挖⑦盾構始發斷面隧道,完成二襯結構。

5)盾構組裝后軸向平移、轉體至左線整體始發,橫通道設置皮帶輸送機輸送渣土,掘進至85m以上,由平移通道至出土井出土,始發結構平面如圖4所示。

圖4 方案2始發結構平面Fig.4 Originating structure floor plan of scheme 2

6)待左線施工完成,右線隧道施工同左線。

7)出土井可作為盾構出土通道,橫通道可作為前期掘進時出土通道,平移通道可作為前期后期管片運輸通道,掘進完成,后配套及拆解后盾構設備從盾構井吊出。

方案2始發工期為16.5個月,施工工序進度安排如圖5所示。

圖5 方案2始發施工進度橫道圖Fig.5 Originating construction progress gantt chart of scheme 2

2.2.2方案優缺點

平移轉體整體始發方案主要優點：①盾構由橫移變為前移,平移通道凈寬由11m優化為9m,采用CRD工法較方案A斷面減少,開挖導洞減少,風險降低,工期僅8.5個月;所有反向隧道均由出土井施工,縮減短工期。②盾構井及平移通道可作為盾構掘進運輸通道,利用率高;③盾構洞門至反向隧道總長85m,滿足盾構整體始發要求。主要缺點：①平移通道完成后,再開挖盾構始發通道作為盾構始發斷面,增加工期3個月。②斜向開挖盾構始發通道馬頭門,開挖跨度13m,斜向安裝格柵施工精度要求高,掌子面暴露時間長,施工安全風險大。③平移通道東端多次開斜向馬頭門,群洞效應明顯,地層變形量大,路面為學院橋擋墻,擋墻不均勻沉降風險較大。

2.3 平移轉體側向補償整體始發方案(方案3)

2.3.1始發結構施作及盾構施工步序

1)明挖法施工①盾構始發井,完成二襯結構;同期倒掛井壁法開挖②出土井,完成二襯結構。

2)臺階法開挖③施工橫通道。

3)開挖完成施工橫通道后完成區間隧道暗挖標準斷面⑤及始發斷面⑦,完成二襯結構;同期完成出土通道⑥。

4)CRD法施工④盾構平移橫通道,并完成二襯結構。

5)安裝異形延伸鋼環。

6)盾構組裝后軸向平移、轉體至右線,于異形延伸鋼環部位整體始發,橫通道設置皮帶輸送機輸送渣土,掘進至85m以上,由平移通道至出土井出土。

7)待右線施工完成,左線隧道施工同右線;出土方式、管片運輸方式及拆解方式同平移轉體整體始發方案。始發結構平面如圖6所示。

圖6 方案3始發結構平面Fig.6 3Originating structure floor plan of scheme 3

方案3始發工期為13.5個月,施工工序進度安排如圖7所示。

圖7 方案3始發施工進度橫道圖Fig.7 Originating construction progress gantt chart of scheme 3

2.3.2方案優缺點

方案3除包含方案2的優點外,還減少始發通道施工時間,總工期縮短3個月,且整體始發效果與方案2相當。缺點是盾構始發平面為斜面,需要進行補償始發,需研究盾構側向始發補償始發技術,同時對多處暗挖施工及盾構側向補償始發進行沉降控制。

2.4 方案對比小結

從工期、工程造價、施工風險3個方面對備選方案進行對比,可見在本工程概況、水文地質條件、工期條件及周邊環境條件的背景下,選擇平移轉體側向補償整體始發方案是較優化的方案,如表1所示。

表1 方案比選Table 1 Scheme comparison

3 補償始發技術難點及風險監測

根據選擇方案優缺點,方案的風險主要為,一為盾構側向始發補償始發技術風險和暗挖群洞施工及側向始發沉降控制風險。

3.1 盾構側向始發補償始發技術難點

側向始發盾構刀盤與平移通道呈45°夾角,在盾構轉體平移后,需設置補償始發部分使刀盤與開挖面平行,補償始發部分面臨4個方面的技術難點：①補償始發位置異形延伸鋼環設置;②異形延伸鋼環內部填充材料的選擇;③異形延伸鋼環部位負環管片處理;④始發階段盾構參數控制。

3.1.1異形延伸鋼環安裝要點

1)安裝定位要求鋼環的中心線、線路中心線兩條控制線重合,分段點焊與洞門預埋鋼環焊接,使其穩固。

2)鋼環安裝完成后,連接螺栓按順序緊固后需進行檢查并復緊,對筒體位置進行復測,檢查與盾構機中心線是否重合。

3)分段點焊與洞門預埋鋼環焊接,使其穩固鋼環。

4)左右兩側及底部需焊接H200的型鋼斜支撐,斜支撐間距1.5m,防止盾構機掘進時鋼環發生位移。

3.1.2異形延伸鋼環內部填充材料的選擇

填充材料采用膨潤土、粉煤灰微膨脹砂漿等混合料,通過試配讓其抗壓強度、滲透性能和塑性與加固后的土體相近,無側限抗壓強度≥0.8MPa,滲透系數<1.0×10-6cm/s。同時為保證盾構刀盤在切削填充料時不發生脆性破壞,對其塑性指標提出以下要求,抗彎強度大于0.5MPa,彈性模量小于1 500MPa。注漿如圖8所示。

圖8 注漿示意Fig.8 Grouting

3.1.3異形延伸鋼環內部管片處理

如果拆除鋼環及支撐,斜向切除平移通道內的管片,再施作洞門環梁,由于切除的管片不成環,且一側有土壓力,另一側對應反作用力與之平衡,結構狀態不安全。因此考慮保留鋼環與支撐,反向隧道內的二襯延伸進入平移通道與鋼環內管片相連接,形成整體;平移通道的其他區域回填,能保證鋼環位置管片兩側整體受力均衡。

3.1.4始發參數控制

盾構補償始發期間,在異形延伸鋼環推進過程中,相當于在復合地層中推進,為保障盾構順利始發,加強各項盾構參數控制,控制效果如下。

1)盾構始發補償階段,1～15環盾構推力控制在7 000～10 000kN,如圖9所示。

圖9 盾構推力曲線Fig.9 Shield thrust curve

2)盾構始發補償階段,1～15環推進速度控制在2.5cm/min,如圖10所示。

圖10 推進速度曲線Fig.10 Propulsion speed curve

3)盾構始發補償階段,1～15環刀盤扭矩控制在900～2 100kN·m,如圖11所示。

圖11 刀盤扭矩曲線Fig.11 Cutterhead torque curve

4)盾構始發補償階段,1～15環刀盤轉速0.8～1.6r/min,如圖12所示;盾構始發補償階段,1～15環上土壓力0.8～1.6bar,如圖13所示;盾構始發補償階段,1～15環每環出土量41.0～43.0m3,如圖14所示。

圖12 刀盤轉速曲線Fig.12 Cutterhead speed curve

圖13 上土壓力曲線Fig.13 Upper earth pressure curve

圖14 每環出土量曲線Fig.14 Unearthed amount per ring curve

3.2 盾構側向補償始發技術風險預測

3.2.1盾構側向補償始發鋼環受力分析

通過異形鋼環始發過程中,鋼環的受力以及鋼環與端墻預留鋼板處的連接是盾構能否順利始發的重點,也是本工程的難點。為保證順利始發,對異形延伸鋼環受力進行有限元模擬,以找出整個鋼環安裝及盾構始發過程中,異形鋼環的受力最不利部位,從而判斷最不利部位的安全性,為盾構順利始發提供數據支撐［11］。

模型邊界條件設置,計算土體的底面約束豎直方向z的位移和側面約束x,y方向的位移,地表為自由面。①新建盾構施工期間,不考慮地震等特殊工況;②假定新建結構為線彈性材料;③假定新建結構與土體之間符合變形協調原則;④本評估分析的前提是施工處于良好控制狀態,且施工過程中地層加固效果與設計要求相匹配。土體采用實體單元,鋼環采用板單元進行模擬。

整個始發過程三維模型,如圖15所示。

圖15 三維模型Fig.15 3D model

盾構機始發整個施工過程可分為如下步序,如表2所示。

表2 施工工序Table 2 Construction process

異形鋼環內構盾始發前后鋼環受力變化情況如表3所示。

表3 鋼環受力變化情況Table 3 The stress change of steel ring

盾構始發前后鋼環的拉、壓、剪應力均有大幅增加,拉應力增加部位主要集中在鋼環較長一側下部圓弧的外部,壓應力增加部位主要位于刀盤作用部位鋼環內側,剪應力增加部位主要集中在鋼環與新建暗挖結構接觸部位及其周邊區域。

拉、壓、剪應力增量較大,但未超出鋼材的抗拉、抗壓及抗剪強度設計值,通過對應力增大區域部位的分析,鋼環與結構連接部位采用焊接,焊接部位由于受力不均勻容易產生應力集中是本工程施工過程控制的重難點。建議對焊接部位采取滿焊形式進行始發施工,焊接時保證連接質量,以保證施工過程剪應力無異常增大而引起剪應力超限造成連接部位破壞的情況出現。

3.2.2盾構側向補償始發沉降監測分析

通過對學西區間盾構右線補償始發期間上方沉降監測統計分析發現,刀盤到達前,上方測點隆起0.89mm;掘進及盾尾脫出最大沉降-6.39mm,此階段沉降明顯;后續最大沉降-0.49mm,趨于平穩。沉降歷時曲線如圖16所示。

圖16 盾構始發階段典型沉降曲線Fig.16 Typical settlement curve of shield launch stage

選取盾構右線補償始發截面上方測點繪制橫斷面沉降曲線,監測點在補償較大區域沉降較大,比補償較小區域地層沉降大2.75mm,如圖17所示。

圖17 補償始發部位沉降槽曲線Fig.17 Compensation for the settlement groove curve at the origin site

4 結語

基于北京地鐵昌平線南延學院橋站—西土城站區間工程,對狹小空間下采用盾構整體始發技術方案進行了對比,并對比選方案中技術難點進行了分析,對側向補償始發重點部位進行模擬計算及監測分析,得出以下結論。

1)以盾構始發井、盾構側向始發通道、出土井、盾構出土通道、反向隧道、異形延伸鋼環組合的盾構側向補償始發方案,解決了盾構正線上方無始發條件的難題,且該方案較比對方案兼顧了經濟性、工期、安全性及工效要求,實現側向始發方案的優化,可在同類施工條件下推廣。

2)通過將盾構平移通道由橫向平移轉換為軸向平移,減少平移通道斷面,平移通道由垂直與正線度調整為斜角,使盾構始發井既能作為盾構機吊裝口,還能作為后續管片等材料的下井口,大大提高了盾構施工期間材料及渣土垂直運輸的效率。

3)補償始發措施解決了不均衡切削始發的問題,異形延伸鋼環通過數值計算及監測證明滿足安全性要求,同時通過盾構參數監控可見異性延伸鋼環起到了盾構掌子面提前建立土壓平衡作用,并可保障地下水豐富地層下順利始發,有較強的風險控制效果。

4)盾構井與出土井通過通道連接,井位設置可以靈活調整,盾構管片存放場地和渣土池可以分開。區間正線與盾構井通過通道連接,對征地位置范圍內的重要管線及建(構)筑物亦可靈活避讓。