盾構(gòu)通過后隧道風(fēng)井暗挖施工技術(shù)研究*

葉家強(qiáng),丁靜澤

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京 100082)

0 引言

地鐵作為重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施,因?yàn)榫€路一般比較長,設(shè)站較多,工期問題往往成為制約線路開通的重要問題。為滿足地鐵運(yùn)營及疏散需求,長大區(qū)間隧道經(jīng)常需要設(shè)置區(qū)間風(fēng)井,目前常用的施工順序是先將區(qū)間風(fēng)井明挖施工完成后作為盾構(gòu)掘進(jìn)的始發(fā)井或工作井[1]。而受征地拆遷、管線遷改等不確定因素的影響,明挖施工工期不可控。區(qū)間風(fēng)井施作完成后,再進(jìn)行盾構(gòu)施工,若風(fēng)井施工工期延誤將影響后續(xù)盾構(gòu)施工,導(dǎo)致總工期延長[2-3]。因此亟需通過工法的組合運(yùn)用,進(jìn)行盾構(gòu)先行通過后破除管片的方案研究,從而有效控制工期。

本文以北京地鐵17號(hào)線工程北神樹站—朝陽港站區(qū)間1號(hào)區(qū)間風(fēng)井為工程實(shí)例,提出一種在地鐵隧道區(qū)間暗挖風(fēng)道內(nèi)破除混凝土盾構(gòu)管片的施工方法。風(fēng)道上層導(dǎo)洞橫向跨越盾構(gòu)隧道后,在上層風(fēng)道初襯及二襯的保護(hù)下,采用倒掛井壁法施工盾構(gòu)兩側(cè)初支及二襯結(jié)構(gòu),然后破除豎井側(cè)壁初支結(jié)構(gòu),再破除盾構(gòu)管片,最終完成風(fēng)道二襯結(jié)構(gòu)澆筑。該方法解決了風(fēng)井施工完成后再進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)而造成的盾構(gòu)施工進(jìn)度受制約、無法滿足節(jié)點(diǎn)工期的問題,同時(shí)能避免盾構(gòu)在通過風(fēng)道時(shí)多次始發(fā)、接收的風(fēng)險(xiǎn),具有工序合理、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況

北京地鐵17號(hào)線北神樹站—朝陽港站區(qū)間全長5 634.743m,設(shè)2座區(qū)間風(fēng)井及8座聯(lián)絡(luò)通道。受工期及征地拆遷制約,區(qū)間盾構(gòu)在1號(hào)風(fēng)井暗挖風(fēng)道處先通過,后期進(jìn)行暗挖風(fēng)道施工時(shí)破除管片。

風(fēng)道暗挖結(jié)構(gòu)為地下2層單跨拱頂直墻結(jié)構(gòu),地下1層結(jié)構(gòu)凈寬10.9m,凈高6.4m;地下2層結(jié)構(gòu)凈寬9.1m,凈高7.56m。風(fēng)道兼作疏散通道及活塞風(fēng)通道,兩軌道之間設(shè)置1處疏散樓梯及1處廢水泵房。拱頂覆土厚度約為6.58m。

風(fēng)道處地面高程為29.510m,所在地層從上至下依次主要為:①1雜填土、③5黏質(zhì)粉土、③砂質(zhì)粉土、③3粉砂、③砂質(zhì)粉土、③1粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、④3粉細(xì)砂、⑤4粉質(zhì)黏土、⑥3粉細(xì)砂、⑥4細(xì)中砂、⑦4粉質(zhì)黏土、⑦3砂質(zhì)粉土、⑦1細(xì)中砂。持力層位于⑥3粉細(xì)砂層及⑥4細(xì)中砂層,地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別為200,240kPa。

風(fēng)道處賦存3層地下水,分別為潛水(二),水位標(biāo)高約19.620m,位于結(jié)構(gòu)底板以上13.48m;層間潛水～承壓水(四),水位標(biāo)高為7.960m,位于結(jié)構(gòu)底板以上1.8m;承壓水(五),水位標(biāo)高為7.460m,位于結(jié)構(gòu)底板以上約1.3m。抗浮設(shè)計(jì)水位按25.400m考慮。

2 主要施工步驟及加固措施

2.1 施工步驟

1)步驟1 超前加固風(fēng)道拱頂土體,分12個(gè)導(dǎo)洞按導(dǎo)洞編號(hào)順序臺(tái)階法開挖各洞室、施工初期支護(hù)(見圖1)。

圖1 施工步驟1

2)步驟2 風(fēng)道上兩層導(dǎo)洞(①～⑥號(hào))跨越盾構(gòu)隧道開挖至端墻A,對盾構(gòu)隧道上方進(jìn)行卸載,施作初支結(jié)構(gòu);下兩層導(dǎo)洞(⑦～號(hào))施作至臨近盾構(gòu)隧道外邊緣,對左線隧道左側(cè)進(jìn)行卸載,施作初支結(jié)構(gòu)和端墻B(見圖2)。

圖2 施工步驟2

3)步驟3 施工防水層及二襯結(jié)構(gòu),在風(fēng)道中板預(yù)留開挖1號(hào)、2號(hào)豎井的洞口及預(yù)留拆除盾構(gòu)管片的洞口(位于管片正上方),洞口四周設(shè)加固邊暗梁,部分預(yù)留洞口兼作永久活塞風(fēng)孔(見圖3)。

圖3 施工步驟3

4)步驟4 分塊破除1號(hào)豎井和2號(hào)豎井洞口范圍的導(dǎo)洞臨時(shí)仰拱,采用倒掛井壁法開挖豎井,對盾構(gòu)隧道兩側(cè)進(jìn)行卸載,施工豎井初支結(jié)構(gòu)。按照先1號(hào)風(fēng)井、后2號(hào)風(fēng)井的施工順序開挖,豎井施工過程中及時(shí)向豎井兩側(cè)(沿線路方向)進(jìn)行深孔注漿加固。至此,盾構(gòu)隧道上方、左右兩側(cè)土體均被卸走(見圖4)。

圖4 施工步驟4

5)步驟5 施工豎井防水層及二襯結(jié)構(gòu),豎井側(cè)墻與中板及上層風(fēng)道二襯連接。豎井二襯結(jié)構(gòu)對上層風(fēng)道形成豎向支撐,即2號(hào)豎井、1號(hào)豎井、左線隧道左側(cè)下層風(fēng)道二襯共同撐起上層風(fēng)道結(jié)構(gòu)(見圖5)。

圖5 施工步驟5

6)步驟6 在上層風(fēng)道內(nèi)拆除盾構(gòu)管片,先拆除左線區(qū)間隧道管片,在預(yù)拆除第1環(huán)管片上施作支撐鋼環(huán),拆除第1環(huán)管片。將支撐鋼環(huán)移至下一環(huán)預(yù)拆除管片,對稱拆除兩側(cè)管片至風(fēng)道側(cè)墻處(見圖6a);掛雙層鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土封閉下層風(fēng)道側(cè)墻外側(cè)臨空土體,開挖已拆除管片底部土體至結(jié)構(gòu)底板,并采用噴射混凝土及I22a型鋼支撐進(jìn)行封底(見圖6b);施作已破除管片范圍內(nèi)風(fēng)道底板防水層、二襯結(jié)構(gòu),施作下層風(fēng)道側(cè)墻結(jié)構(gòu)及后澆環(huán)梁。左線管片拆除完成后,按同樣方法拆除右線區(qū)間隧道管片(見圖6c)。

圖6 施工步驟6

2.2 盾構(gòu)隧道變形趨勢及加固措施

隨著風(fēng)道及豎井開挖,盾構(gòu)隧道變形主要有以下幾處。

1)上層風(fēng)道開挖至端墻,上跨盾構(gòu)隧道過程中因隧道上方卸載,隧道有上浮趨勢。

2)下層風(fēng)道開挖至左線盾構(gòu)隧道外側(cè)過程中,因隧道外側(cè)卸載,隧道有向左水平位移的趨勢。

3)豎井開挖,盾構(gòu)側(cè)壁卸載,隧道橫斷面方向受力狀態(tài)改變,側(cè)向變形增大,橢圓度偏差增大。

4)管片拆除后,管片縱向緊密排列狀態(tài)被打破,管片出現(xiàn)松動(dòng)趨勢。

針對上述變形特點(diǎn),為了保證盾構(gòu)隧道變形得到有效控制,采取以下加固措施。

1)對風(fēng)道范圍之外的管片拉結(jié)緊固

風(fēng)道開挖之前,拆除永久管片與待拆除管片的縱向連接螺栓,避免拆除管片時(shí)造成兩側(cè)永久管片橢圓度增大。在風(fēng)道兩側(cè)永久管片設(shè)置縱向拉緊條,拉緊條采用[22a,利用管片螺栓進(jìn)行固定。在盾構(gòu)隧道內(nèi)、風(fēng)道兩側(cè)各5環(huán)管片架設(shè)鋼環(huán)支撐,鋼環(huán)間采用型鋼拉緊,以防止施工過程中管片變形增大,如圖7所示。

圖7 管片加固

2)管片壁后徑向注漿加固

盾構(gòu)掘進(jìn)通過后,風(fēng)道開挖前,通過管片徑向注漿管注漿,對周圍土體進(jìn)行加固。風(fēng)道范圍內(nèi)及兩側(cè)各5環(huán)永久管片自管片的吊裝孔(兼作注漿孔)插入注漿管進(jìn)行注漿加固,注漿壓力取0.5MPa,流量≤40L/min,徑向注漿長度為3m。注漿漿液采用單液水泥漿,注漿作業(yè)時(shí),應(yīng)觀察注漿壓力及流量變化情況,嚴(yán)格控制注漿參數(shù)。通過管片底部徑向注漿管抗拔和隧道外側(cè)深孔注漿增加土體側(cè)阻力來減小管片上浮趨勢。

3)豎井及風(fēng)道內(nèi)輔助注漿加固

為確保加固效果,風(fēng)道、1號(hào)豎井及2號(hào)豎井初支封閉后,在初支側(cè)壁洞內(nèi)采用深孔注漿工藝加固風(fēng)道兩側(cè)隧道周邊土體,如圖8所示。注漿孔水平間距1m,豎向間距1m,梅花形布置,打設(shè)長度4m,采用單液水泥漿,鉆桿后退式注漿工藝,注漿過程中確保漿液擴(kuò)散半徑達(dá)到0.5m,注漿孔與注漿孔之間漿液能有效搭接。

圖8 注漿加固

2.3 管片拆除順序

2.3.1施工準(zhǔn)備

在風(fēng)道中板搭設(shè)鋼架,并在吊裝口鋪設(shè)2根I32a型鋼梁,將2個(gè)10t的手拉葫蘆分別固定在不同的型鋼梁上,以方便管片及材料吊裝外運(yùn),如圖9所示。

圖9 管片吊裝

2.3.2管片拆除

1)首先拆除中間管片,將移動(dòng)式鋼支撐架設(shè)到第1環(huán)管片,通過移動(dòng)式鋼支撐的液壓加載系統(tǒng)給管片提供支撐應(yīng)力。

2)把拱頂位置管片的注漿孔打穿,將管片吊裝螺栓安裝在待拆除管片的吊裝孔上,并將該螺栓裝在手拉葫蘆的吊繩上。將第1環(huán)與2,3環(huán)間的管片中線以上縱向連接螺栓全部拆除。

3)用水鉆或繩鋸機(jī)切割拱頂?shù)?環(huán)楔形K塊管片,K塊四周做一圈切縫,卸除管片縱向頂力,使之與周邊管片脫離,將K塊拆除。拆除過程中,移動(dòng)式鋼支撐K塊兩側(cè)千斤頂逐漸卸載,緩慢將手拉葫蘆的吊繩拉緊,通過風(fēng)道中板預(yù)留吊裝口運(yùn)輸至洞外。

4)拆除相鄰塊管片,在待拆除的管片吊裝孔安裝管片吊裝螺栓,卸除與相鄰塊管片相連的螺栓。移動(dòng)式鋼支撐的液壓千斤頂對稱分段卸載,緩慢拉緊手拉葫蘆,將管片吊出。

5)采用同樣的方法拆除第1環(huán)拱頂180°范圍內(nèi)管片。對稱向兩側(cè)按序號(hào)逐環(huán)拆除每環(huán)管片拱頂180°范圍內(nèi)管片,拆除前需在此管片上架設(shè)移動(dòng)式支撐鋼環(huán),管片拆除完成,將鋼環(huán)移至下一環(huán)預(yù)拆除管片。

6)管片底部180°范圍內(nèi)管片用水鉆切成小塊,將分割破碎的管片清走。

3 荷載-結(jié)構(gòu)法風(fēng)道二襯受力分析

風(fēng)道二襯結(jié)構(gòu)采用MIDAS-Civil軟件平面模型計(jì)算[4],根據(jù)施工工序及二襯轉(zhuǎn)換條件,在拆除管片前,盾構(gòu)隧道上方荷載已通過其上方形成的風(fēng)道結(jié)構(gòu)傳遞到兩側(cè)風(fēng)道側(cè)墻上,盾構(gòu)隧道本身受力較小。根據(jù)風(fēng)道施工步序,風(fēng)道二襯結(jié)構(gòu)施工存在以下幾種受力狀態(tài)。

1)上層風(fēng)道跨越盾構(gòu)隧道施工至端墻A,下層風(fēng)道施作至盾構(gòu)隧道外側(cè)工況。盾構(gòu)隧道上方的上層風(fēng)道為單層拱頂直墻結(jié)構(gòu),其中部分位置中板開洞,因中板開洞較大,墻底以洞口環(huán)梁為鉸支座。由于中板洞口僅為施工階段預(yù)留,后期進(jìn)行封堵,因此只進(jìn)行基本組合工況下結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算,風(fēng)道施工采取降水措施,不考慮地下水荷載對主體結(jié)構(gòu)的影響。施工階段,斷面僅承受豎向土壓力、側(cè)向土壓力及活荷載。

2)豎井開挖完成后,盾構(gòu)隧道上方風(fēng)道結(jié)構(gòu)形成箱形結(jié)構(gòu)梁,梁支座為兩側(cè)已施作完成的兩層風(fēng)道結(jié)構(gòu),即2號(hào)豎井、1號(hào)豎井、左線盾構(gòu)隧道左側(cè)的二襯結(jié)構(gòu)。先對2號(hào)豎井處二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。2號(hào)豎井處二襯結(jié)構(gòu)除承擔(dān)其結(jié)構(gòu)投影范圍水土壓力荷載外,還承受右線盾構(gòu)隧道上方風(fēng)道傳來的水土壓力荷載。2號(hào)豎井二襯結(jié)構(gòu)處斷面結(jié)構(gòu)投影長度為3m,承受荷載長度縱向?yàn)?.45m(包含其結(jié)構(gòu)投影和右線盾構(gòu)隧道中心線右側(cè)范圍),平均每延米結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載范圍為2.15m。

3)同理,1號(hào)豎井及左線隧道左側(cè)的風(fēng)道二襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載按其結(jié)構(gòu)投影范圍和盾構(gòu)隧道上方風(fēng)道傳來的荷載疊加考慮。豎井開挖完成,兩盾構(gòu)隧道之間部位(即1號(hào)豎井處)二襯形成后,長寬方向尺寸近似,為三維受力狀態(tài)。按三維受力模型對兩盾構(gòu)隧道之間二襯結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行計(jì)算,對部分受力集中位置加強(qiáng)配筋。1號(hào)豎井處風(fēng)道結(jié)構(gòu)投影長度6.1m,承受兩盾構(gòu)隧道線路中心線范圍內(nèi)荷載,荷載縱向分布長度13m。平均每延米結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載范圍2.13m,與2號(hào)豎井二襯結(jié)構(gòu)每延米結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載(2.15m)相近,且結(jié)構(gòu)斷面尺寸相同,故1號(hào)豎井處風(fēng)道結(jié)構(gòu)配筋同2號(hào)豎井處風(fēng)道。

同時(shí),由于此處設(shè)置廢水泵房,底板局部加深,結(jié)構(gòu)呈空間受力狀態(tài),局部易產(chǎn)生應(yīng)力集中[5]。因此建立三維模型,對結(jié)構(gòu)底板、側(cè)墻底板支座等位置進(jìn)行配筋校核,如圖10所示。

圖10 三維計(jì)算模型

4 地層-結(jié)構(gòu)法開挖變形分析

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

針對風(fēng)道開挖及破除管片過程采用MIDAS-GTS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算[6]。風(fēng)道分12個(gè)導(dǎo)洞開挖,初支厚度350mm,臨時(shí)仰拱厚度300mm,超前支護(hù)采用大管棚加超前深孔注漿。風(fēng)道內(nèi)豎井采用倒掛井壁法施工,豎井初支結(jié)構(gòu)厚度300mm。

土體采用修正莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型,力學(xué)參數(shù)由地質(zhì)勘察報(bào)告提供;初期支護(hù)為噴射混凝土,采用板單元、線彈性模型,其內(nèi)部格柵鋼架的加強(qiáng)作用按剛度等效的原則,將鋼架的彈性模量折算給噴射混凝土。二襯結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元、線彈性模型;大管棚以及超前深孔注漿,采用應(yīng)力釋放程度和局部提高地層參數(shù)的方式模擬。采用位移邊界條件,上邊界取地面為自由面,兩側(cè)面、底面均受法向約束。模型尺寸為50m(長)×80m(寬)×50m(高),如圖11所示。工況設(shè)置如表1所示。

表1 工況設(shè)置

圖11 計(jì)算模型

4.2 結(jié)果分析

風(fēng)道二襯結(jié)構(gòu)施工完成后,地表沉降最大值51.8mm,如圖12所示,變形在控制范圍內(nèi);二襯結(jié)構(gòu)拱頂、下層端墻及盾構(gòu)隧道上方中板位置出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大應(yīng)力值1.67MPa,如圖13所示,小于混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度,滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

圖12 施工完成后地表沉降

圖13 二襯應(yīng)力

5 監(jiān)測方案及結(jié)果分析

主要對地表沉降、風(fēng)道拱頂沉降、風(fēng)道周邊收斂、盾構(gòu)隧道拱頂沉降、周邊收斂等進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如表2所示,除地表沉降監(jiān)測結(jié)果超過控制值外,其余監(jiān)測結(jié)果均在控制值范圍之內(nèi),下面重點(diǎn)分析地表沉降超標(biāo)的原因。

表2 風(fēng)道開挖監(jiān)測結(jié)果

地表沉降監(jiān)測曲線如圖14所示,未采取加強(qiáng)措施時(shí),風(fēng)道施工引起的地表沉降最大值為99.1mm,超出設(shè)計(jì)要求地表沉降控制值(60mm)。根據(jù)北京地區(qū)大斷面淺埋暗挖工程實(shí)例,地表沉降往往超出沉降控制標(biāo)準(zhǔn),且根據(jù)沉降歷時(shí)曲線,最終變形趨于收斂,工程施工風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)。

圖14 地表沉降歷時(shí)曲線

由沉降曲線可以看出,地表沉降陡增主要出現(xiàn)在兩處,分別為工況2和工況3。初步分析原因?yàn)?工況2階段,風(fēng)道分導(dǎo)洞分步開挖、對地層多次擾動(dòng),造成累計(jì)地面沉降值偏大;工況3階段,1號(hào)及2號(hào)豎井開挖至豎井底部,揭露第4層承壓水,井底地層以砂層為主,洞內(nèi)降水困難,井底有流沙現(xiàn)象,豎井側(cè)壁局部出現(xiàn)土洞,豎井無法封底,整個(gè)結(jié)構(gòu)底部土體無法有效提供支撐力,在上部荷載作用下,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯下沉。

針對此次封底困難的情況,在本工程下一個(gè)類似工點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí),進(jìn)行了如下改進(jìn)。在采用倒掛井壁法施工豎井過程中,除了向豎井兩側(cè)進(jìn)行深孔注漿加固外,還在豎井開挖至第4層承壓水位標(biāo)高之上1m時(shí),對豎井底進(jìn)行深孔注漿,提前封堵承壓水。經(jīng)過上述改進(jìn),達(dá)到了預(yù)期封底效果。

以上指標(biāo)除地表沉降值偏大外,其余均在控制值范圍內(nèi)。根據(jù)施工監(jiān)測結(jié)果可以看出,盾構(gòu)通過后暗挖風(fēng)道內(nèi)破除管片工法是安全合理的,可以保證周邊環(huán)境及結(jié)構(gòu)自身安全,目前該段盾構(gòu)區(qū)間已通車,風(fēng)道已投入使用。

6 結(jié)語

1)本文提出了區(qū)間隧道采用盾構(gòu)先行通過再橫向暗挖風(fēng)道,然后破除管片的施工工藝,經(jīng)驗(yàn)證,該工藝合理可行,并已成功實(shí)施。

2)因風(fēng)道二襯結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行多次受力轉(zhuǎn)換,采用荷載-結(jié)構(gòu)法分3個(gè)工況進(jìn)行各階段受力分析。

3)采用地層-結(jié)構(gòu)法對各階段變形及應(yīng)力分析,結(jié)果表明地表沉降滿足不超過60mm的要求,結(jié)構(gòu)應(yīng)力不超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

4)監(jiān)測結(jié)果反映地表沉降達(dá)到99.1mm,主要原因?yàn)樨Q井開挖到底后,未及時(shí)封底。在本工程下一個(gè)類似工點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí),在豎井開挖至第4層承壓水位標(biāo)高之上1m時(shí),對豎井底進(jìn)行深孔注漿,提前封堵承壓水,達(dá)到了預(yù)期的封底效果。