盾構(gòu)始發(fā)與接收對工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響研究

郭 亮 胡瑞青 相 旭

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,710043,西安; 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),710043,西安)

在地鐵車站位置,由于車站兩端兼做區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)、接收工作井,常采用明挖法進(jìn)行施工。盾構(gòu)始發(fā)與接收通常在盾構(gòu)工作井主體結(jié)構(gòu)澆筑至頂板標(biāo)高且結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后進(jìn)行,且盾構(gòu)工作井施工前需進(jìn)行大量的交通疏解、管線遷改等工作,這些前期工程往往會造成車站主體結(jié)構(gòu)工期滯后,進(jìn)而影響盾構(gòu)始發(fā)、接收時間,對整體工程籌劃不利。

在盾構(gòu)工作井主體結(jié)構(gòu)澆筑前完成盾構(gòu)始發(fā)與接收可以節(jié)省施工時間,從而使整體工程籌劃更為靈活。文獻(xiàn)[1]結(jié)合北京地鐵某區(qū)間盾構(gòu)接收工程實例,從現(xiàn)場施工的角度分析了盾構(gòu)接收至解體、吊裝、轉(zhuǎn)場等整個接收期間各階段的注意事項,以及所采取的相應(yīng)對策。為解決常規(guī)盾構(gòu)工作井在內(nèi)襯結(jié)構(gòu)完成后才能進(jìn)行盾構(gòu)接收的問題,文獻(xiàn)[2]通過采取一系列施工措施,實現(xiàn)了不施作豎井內(nèi)襯結(jié)構(gòu),盾構(gòu)直接切削樁體進(jìn)入豎井。文獻(xiàn)[3]對某電力隧道盾構(gòu)吊裝過程中的連續(xù)墻位移、支撐桿軸向力和變形現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果,驗證了在吊裝過程中的隧道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的。文獻(xiàn)[4]以深圳地鐵車站盾構(gòu)工作井為例,結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、二維及三維有限元數(shù)值分析,對盾構(gòu)工作井結(jié)構(gòu)未完成狀態(tài)下,盾構(gòu)提前吊裝下井時的基坑安全穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,提出了一種合理的二維驗算方法,可應(yīng)用于盾構(gòu)工作井結(jié)構(gòu)僅部分完成的特殊工況下的基坑安全驗算。以上文獻(xiàn)采用了現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬、理論分析等方法對無內(nèi)襯狀態(tài)下的盾構(gòu)工作井始發(fā)與接收工程進(jìn)行了研究,但其均未對未施作盾構(gòu)工作井內(nèi)襯結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的盾構(gòu)工作井始發(fā)與接收工程進(jìn)行分析。

鑒于此,本文以成都地鐵砂卵石地層中某標(biāo)準(zhǔn)地下三層島式車站為例,采用高精度有限元數(shù)值模擬方法,分析盾構(gòu)工作井在未施作內(nèi)襯結(jié)構(gòu)狀態(tài)下,實現(xiàn)盾構(gòu)始發(fā)與接收時的工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形情況,總結(jié)盾構(gòu)始發(fā)與接收對工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。本文研究可為地鐵工程建設(shè)提供參考與借鑒。

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

以成都地鐵某標(biāo)準(zhǔn)地下三層島式車站為例,車站標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為23.7 m,基坑開挖深度為27 m,盾構(gòu)工作井段外包寬度為30.2 m,基坑開挖深度為28 m,車站采用明挖順作法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁及內(nèi)支撐,圍護(hù)樁樁徑為1.2 m,樁間距為2.0 m,嵌固深度為5.5 m,主筋為28根直徑為25 mm的螺紋鋼。基坑豎向設(shè)4道內(nèi)支撐,第1道、第2道、第4道支撐是直徑為609 mm、壁厚為16 mm的鋼支撐,第3道支撐是直徑為800 mm、壁厚為16 mm的鋼支撐。第1～4道鋼支撐的標(biāo)高依次為-2.5 m、-9.5 m、-16.5 m、-22.0 m,鋼支撐之間的水平間距均為3.5 m。盾構(gòu)區(qū)間管片外徑為8.3 m,內(nèi)徑為7.5 m,厚度為0.4 m。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖如圖1所示。

圖1 車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖

1.2 地質(zhì)概況

場地范圍地勢平緩,地貌單元為岷江水系一級階地。地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土、第四系全新統(tǒng)沖洪積層卵石土,基坑底部為密實卵石土。地下水主要為第四系卵石層中的孔隙潛水,水位埋深約為5 m。車站所處地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 計算模型及優(yōu)化工況

2.1 計算模型

基于MIDAS GTS有限元數(shù)值分析軟件建立地層-結(jié)構(gòu)三維模型,模擬無內(nèi)襯狀態(tài)下的盾構(gòu)始發(fā)與接收施工過程。基坑周邊土體視為彈塑性介質(zhì),采用修正的摩爾-庫倫本構(gòu)模型模擬。地鐵結(jié)構(gòu)均視為彈性介質(zhì),其中:基坑圍護(hù)樁等效為連續(xù)墻體(墻厚為0.848 m)[5],采用殼單元模擬;鋼支撐、冠梁及鋼圍檁采用梁單元模擬;車站底板等主體結(jié)構(gòu)采用實體單元模擬;盾構(gòu)管片采用殼單元模擬。根據(jù)圣維南原理,考慮基坑開挖及盾構(gòu)掘進(jìn)對周圍土體的影響,選取邊界尺寸為170 m(長)×190 m(寬)×60 m(高)建立三維模型,車站部分長為90 m,盾構(gòu)區(qū)間部分長為80 m。數(shù)值分析模型如圖2所示,其結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)、截面尺寸及型號如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)、截面尺寸及型號

圖2 數(shù)值分析模型

2.2 優(yōu)化工況

研究盾構(gòu)工作井在未施作內(nèi)襯狀態(tài)下實現(xiàn)盾構(gòu)始發(fā)與接收時的工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形情況,并與正常施工完工作井主體內(nèi)襯結(jié)構(gòu)后盾構(gòu)始發(fā)與接收的情況進(jìn)行對比。

本文主要分為3種工況進(jìn)行分析:工況1——正常施工完工作井主體內(nèi)襯結(jié)構(gòu)后盾構(gòu)始發(fā)與接收;工況2——無內(nèi)襯狀態(tài)下工作井盾構(gòu)始發(fā);工況3——無內(nèi)襯狀態(tài)下工作井盾構(gòu)接收。考慮到施作內(nèi)襯后,工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖階段及盾構(gòu)始發(fā)與接收階段的變形及受力情況基本一致,故工況1包含盾構(gòu)始發(fā)與接收兩種情況。

施工階段的模擬應(yīng)盡可能接近實際施工情況,基坑開挖前采用坑外降水的方式降低地下水位,故數(shù)值模擬中不考慮地下水的影響。工況1的主要施工步驟為:①圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工;②第1層土體開挖,施作冠梁并架設(shè)第1道支撐;③第2層土體開挖及支撐架設(shè);④第3層土體開挖及支撐架設(shè);⑤第4層土體開挖及支撐架設(shè);⑥第5層土體開挖及底板澆筑;⑦拆除第4道支撐。

根據(jù)既有工程經(jīng)驗,采用明挖法施工的地鐵車站,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)在拆除第4道支撐且未澆筑地下二層中板時為受力最不利時刻[6],故對于拆除第4道支撐后的施工步驟不再進(jìn)行分析。

工況2的前7個施工步驟與工況1相同,所增加的施工步驟為:盾構(gòu)吊裝、盾構(gòu)始發(fā)(盾構(gòu)接收)和盾構(gòu)掘進(jìn)。其中,盾構(gòu)吊裝時需在盾構(gòu)工作井端頭考慮85 kPa的地面超載[7]。盾構(gòu)始發(fā)、盾構(gòu)接收及盾構(gòu)掘進(jìn)步驟中,需考慮盾構(gòu)機(jī)端頭頂推力的影響,結(jié)合盾構(gòu)始發(fā)、盾構(gòu)接收、盾構(gòu)掘進(jìn)過程中不同的施工荷載,盾構(gòu)掘進(jìn)過程中在隧道掌子面施加160 kPa的頂推力,盾構(gòu)始發(fā)與盾構(gòu)接收過程的頂推力在盾構(gòu)掘進(jìn)過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行折減,設(shè)置其初始值為120 kPa。

3 模擬結(jié)果分析

本文主要對工況1～3中盾構(gòu)工作井端墻中跨處(測點a)、端墻隧道中線處(測點b)、側(cè)墻中跨處(測點c)的樁體水平位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩及剪力、鋼支撐軸力進(jìn)行對比分析。盾構(gòu)工作井3處測點位置示意圖如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)工作井3處測點位置示意圖

3.1 樁體水平位移

工況1～2中,測點a處樁體水平位移隨基坑開挖進(jìn)程的變化情況如圖4所示。隨著土體開挖及支撐架設(shè),樁體水平位移不斷增大且最大值不斷下移,直至第4道支撐拆除時,樁體水平位移增大至工況1時的最大值,約為14.76 mm。該數(shù)值模擬結(jié)果與成都砂卵石地層相同支護(hù)參數(shù)的地下三層地鐵車站基坑開挖現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)較為接近[8],表明數(shù)值模型及參數(shù)取值基本合理,計算結(jié)果較為可靠。

注:工況1的測點a處樁體水平位移隨基坑開挖進(jìn)程的變化情況即為圖中土體開挖、支撐架設(shè)及第4道支撐拆除的步驟。

工況1～3中,測點a、b、c處的樁體水平位移最大值對比如圖5所示。由圖5可知:

a) 測點a

1) 工況2及工況3的樁體水平位移相對于工況1而言有所增大。以測點a為例,樁頂?shù)?道橫撐位置的水平位移增大最為明顯,隨著樁頂以下基坑距樁頂距離的增大,樁體水平位移先增大后逐漸減小并到達(dá)底板位置。3種工況的樁底位移基本相同,說明無內(nèi)襯結(jié)構(gòu)情況下,隨著樁頂以下基坑距樁頂距離的增大,樁體水平位移先增大后逐漸減小,局部區(qū)域的底部幾乎不受影響。

2) 就測點a和測點c而言,3種工況的樁體水平位移最大值均出現(xiàn)在第4道支撐處,說明此處為最不利位置。對于測點a,工況2的樁體水平位移最大值為18.59 mm,比工況1增大了26%,工況3的樁體水平位移為18.02 mm,比工況1增大了22%。對于測點b,樁體水平位移最大值出現(xiàn)在樁頂以下基坑距樁頂距離15 m處,即區(qū)間隧道拱頂處,工況2樁體水平位移最大值為9.83 mm,比工況1增大了32%,工況3的樁體水平位移最大值為10.58 mm,比工況1增大了42%。根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》,一級基坑的樁體水平位移控制值為30.00 mm,工況2及工況3的樁體水平位移雖然大于工況1,但其仍滿足規(guī)范要求。

3) 工況2和工況3中,測點c處樁體水平位移最大值與工況1基本相同,且在施工過程中,樁頂位置發(fā)生了向基坑外側(cè)的位移現(xiàn)象。這是由于盾構(gòu)吊裝超載引起側(cè)向力增大,其通過冠梁及支撐傳遞至盾構(gòu)工作井側(cè)墻處,導(dǎo)致樁頂位移有所減小,甚至向基坑外側(cè)產(chǎn)生位移。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

工況1～3中,盾構(gòu)工作井測點a、b、c處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值對比如圖6所示。由圖6可知:3種工況下,測點a和測點b處圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值均有所增加。以測點a為例,工況2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值較工況1增加約18%,最大彎矩值約為-565 kNm,換算至每根樁上的彎矩為-1 130 kNm。工況3的圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值較工況1增加約8%,最大彎矩值約為-517 kNm,換算至每根樁上的彎矩為-1 034 kNm。工況1～3中,測點a處圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值發(fā)生的位置均為第4道支撐處。參照GB 50010—2010《混凝土設(shè)計規(guī)范》,經(jīng)驗算,28根φ25 mm的主筋配置能夠滿足工況2及工況3中單樁最大彎矩值情況下的抗彎承載力要求。工況1～3中,測點c處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值基本無變化,說明無內(nèi)襯結(jié)構(gòu)對測點c處的結(jié)構(gòu)彎矩影響最小,可忽略不計。

a) 測點a

工況1～3中,測點a、b、c處圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力最大值對比如圖7所示。由圖7可知:與工況1相比,工況2和工況3測點 a處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力最大值均有所增加,工況2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力最大值較工況1增加了約30%,工況3的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力最大值較工況1增加了約18%;與工況1相比,工況2和工況3測點b處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力最大值均有所增加,工況2的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力最大值較工況1增加了約10%,工況3的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力最大值較工況1增加了約43%。經(jīng)驗算,所設(shè)計的樁徑及樁間距能夠滿足工況2及工況3中單樁最大剪力情況下的抗剪承載力要求。工況1～3在測點c處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力最大值基本無變化,說明無內(nèi)襯結(jié)構(gòu)對測點c處的剪力影響最小,可忽略不計。

a) 測點a

3.3 鋼支撐軸力

根據(jù)計算結(jié)果,工況1的第1道—第3道鋼支撐軸力最大值均出現(xiàn)在拆除第4道支撐時,工況2的第1道—第3道支撐軸力最大值均出現(xiàn)在盾構(gòu)完成始發(fā)時,工況3的第1道—第3道支撐軸力最大值均出現(xiàn)在盾構(gòu)吊裝時。工況1～3的第4道鋼支撐軸力最大值均出現(xiàn)在車站底板澆筑時。提取工況1～3中第1道—第3道鋼支撐軸力最大值,如表3所示。

表3 工況1～3中的鋼支撐軸力最大值

由表3可知:①這3道支撐在工況3的軸力最大,因此選取工況3條件下的最大軸力進(jìn)行驗算分析,根據(jù)工程經(jīng)驗,第1道和第2道鋼支撐采用φ609 mm、壁厚為16 mm的鋼管,軸力最大的鋼支撐長度為14 m;參照GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,經(jīng)驗算,鋼支撐在最大軸力為1 832 kN的情況下,能夠滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。②第3道鋼支撐采用φ800 mm、壁厚為16 mm的鋼管,軸力最大的鋼支撐長度為19 m;參照GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,經(jīng)驗算,鋼支撐在最大軸力為2 730 kN的情況下,能夠滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

常規(guī)狀態(tài)下,盾構(gòu)始發(fā)與盾構(gòu)接收必須待工作井內(nèi)襯結(jié)構(gòu)完成后才能進(jìn)行,由此導(dǎo)致了豎井施工工期長、建設(shè)成本高、施工工序多等問題。無內(nèi)襯狀態(tài)下完成盾構(gòu)始發(fā)與盾構(gòu)接收,工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形均滿足規(guī)范要求。文獻(xiàn)[2]通過分析南寧軌道交通2號線石子塘站—建設(shè)路站區(qū)間的施工工籌計劃及施工進(jìn)度發(fā)現(xiàn),無內(nèi)襯狀態(tài)下完成盾構(gòu)始發(fā)及接收能夠有效節(jié)省施工工期約85 d,節(jié)約工程成本約165萬元。根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)研和文獻(xiàn)[9]的研究成果可知,僅考慮人工費、機(jī)械折舊費等因素時,無內(nèi)襯狀態(tài)下盾構(gòu)完成始發(fā)與接收每天可節(jié)約成本約1.94萬元。因此,可以認(rèn)為無內(nèi)襯狀態(tài)施工方案對于盾構(gòu)施工具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

針對砂卵石地層中標(biāo)準(zhǔn)地下三層島式車站,通過對無內(nèi)襯狀態(tài)盾構(gòu)工作井基坑施工及盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)與接收施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究盾構(gòu)工作井在未施作內(nèi)襯的圍護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)下實現(xiàn)盾構(gòu)始發(fā)與接收時,工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。主要獲得以下幾個結(jié)論:

1) 無內(nèi)襯狀態(tài)工作井盾構(gòu)始發(fā)與接收時,圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體水平位移最大值及彎矩最大值均發(fā)生在盾構(gòu)工作井端墻中跨第4道鋼支撐處,圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力最大值發(fā)生在盾構(gòu)工作井端墻中跨底板處。

2) 相較于常規(guī)狀態(tài),無內(nèi)襯狀態(tài)下完成盾構(gòu)始發(fā)與接收時,圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體變形及受力均有所增大,但其位移及力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,圍護(hù)結(jié)構(gòu)在剪力及彎矩作用下能夠滿足承載力及強(qiáng)度要求。

3) 無內(nèi)襯狀態(tài)下的工作井盾構(gòu)始發(fā)與接收方案技術(shù)可行,可在基本不增加或增加較少工程投資的基礎(chǔ)上提高施工效率,縮短工期,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。