建筑物下礦山法地鐵隧道盾構接收關鍵技術研究

胡瑞青

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

引言

隨著我國經濟的日益發展和城市化進程的不斷加快,城市公共交通壓力與日俱增,而地鐵作為大運量交通運輸工具在緩解城市交通擁堵方面起著至關重要的作用[1]。然而,隨著地鐵線網的不斷發展完善,地鐵新線建設環境日趨復雜,諸如周邊建構筑物(市政下穿隧道、既有地鐵車站及住宅建筑等)基坑圍護樁或錨索侵入地鐵隧道范圍的情況已屢見不鮮,考慮盾構機磨樁或開艙截樁困難,且當圍巖條件較差或上軟下硬復合地層條件下磨樁施工對地層擾動較大,極易引起地表過大變形甚至塌陷,而盾構機穿越錨索群時錨索鋼絞線纏繞刀盤,掘進時刀盤扭矩增大、掘進速度降低且開艙換刀頻率較高[2],因此,實際工程中考慮侵限樁或侵限錨索數量及破除長度、施工工期、工程風險、交通疏解及工程造價等因素,通常設置明挖豎井截斷侵限樁,侵限錨索采用穿心式千斤頂或套管鉆機拔除然后盾構掘進通過的處置方案[3-7],而受征地拆遷、地下管線遷改、交通導改等條件制約,加之豎井+穿心式千斤頂或套管鉆機拔除錨索可靠性差,侵限樁或侵限錨索段常采用礦山法隧道清障然后盾構空推通過的處置方案。

針對礦山法隧道清障盾構機洞內接收空推的技術方案,國內外眾多學者進行了廣泛而深入的研究,結合北京地鐵14號線工程案例,論述了盾構到達井設置困難的情況下,設置暗挖段擴大端接收室,盾構機接收拆解后通過暗挖標準段倒運至車站吊出的施工工藝;李光山以廣深港客運專線益田路隧道為例,針對超大直徑泥水盾構礦山法隧道接收及空推施工中的重難點及風險進行了分析并提出了有效的解決措施;喬水旺針對大直徑泥水平衡盾構洞內接收過程中可能產生的各種風險,從接收加固、止水等方面提出了相關技術保障措施。

然而,建筑物下礦山法隧道盾構接收的關鍵技術研究鮮有報道,以成都地鐵5號線科園站—九興大道站區間盾構機洞內接收工程為背景,針對盾構接收端無地面注漿加固及井點降水條件、盾構接收段超小凈距下穿建筑物等諸多技術難題進行研究,運用有限元方法分析研究建筑物下盾構機洞內接收的沉降變形規律,并輔以現場實測手段驗證,以期為后續類似工程提供有益借鑒。

1 工程概況

成都地鐵5號線科園站—九興大道站區間為地下區間,穿越國家電網成都供電公司南郊110 kV變電站(混凝土3F,柱下獨立基礎)及生產輔助辦公用房(混凝土12F/-2F),生產輔助辦公用房為框架剪力墻結構,基礎形式為筏板基礎,地下室基坑支護結構采用錨拉樁支護,基坑豎向設置2道型鋼腰梁,樁間打設錨索,錨索為4束φS15.2 mm鋼絞線,長度14.0 m,傾角20°,部分圍護樁及錨索侵入區間結構,基坑圍護樁和錨索侵入地鐵隧道長度分別約4.2 m和5.3 m,為避免征地拆遷工作,同時減少對周圍環境的粉塵污染和噪聲影響,科園站至變電站生產輔助辦公用房段落采用礦山法施工,破除侵限樁和錨索。110 kV變電站內涉及精密儀器,對地鐵建設和運營振動等較為敏感,為減小地表及建筑物沉降,礦山法隧道支護結構采用初期支護+不拆撐施作二次襯砌+拆撐后施作三次襯砌的復合式襯砌型式[8-10],二次襯砌與三次襯砌中間施作全包防水層,地層從上至下依次為雜填土、粉質黏土、細砂、稍密卵石、中密卵石、密實卵石、強風化及中風化泥巖,地鐵區間隧道與變電站平、剖面位置關系分別如圖1、圖2所示。

圖1 地鐵區間隧道與變電站平面位置關系Fig.1 Relationship between the metro tunnel and the substation

圖2 地鐵區間隧道與變電站剖面位置關系(單位:m)Fig.2 Relationship between the cross-sectional positions of metro tunnel and substation (unit: m)

根據全線工籌,本區間盾構掘進至科園站小里程端礦山法隧道,進行洞內接收,后空推至車站解體吊出。

2 礦山法隧道盾構接收施工方法

2.1 盾構接收地層加固措施

盾構洞內接收端頭處位于國家電網成都供電公司南郊110 kV變電站用地范圍,地面無袖閥管注漿加固場地條件,且盾構接收段正上方為變電站生產輔助辦公用房,豎向凈距僅2.4 m,考慮盾構接收時往往欠壓掘進,對砂卵石地層擾動較大且超方嚴重,極易引起建筑物過大變形甚至開裂。

由于地表高層建筑物的限制,礦山法隧道施工時,地面無注漿加固及井點降水條件,為避免地表及建筑物變形過大,礦山法隧道開挖至端頭墻時應及時噴射早強混凝土封閉掌子面(預埋管棚導向管),端頭墻上預留注漿孔,對堵頭墻前方土體注漿加固及止水,隨后打設大管棚并壓注M10砂漿(盾構隧道與地下室底板夾土層較薄,無法形成有效土拱,需進行超前預支護)。待端頭墻大管棚打設完成后,采用泵送型M10砂漿(可摻入適量膨脹劑)回填封堵礦山法隧道10 m,砂漿回填端處設置封堵墻,頂部預留2根φ100 mm PVC管作為砂漿灌注孔,PVC管插入深度6 m,且在頂部預留3個注漿孔,利用其對端頭墻內砂漿未填充密實區域進行注漿填充,待盾構機進入接收段時以正常掘進參數掘進,避免地層損失及地層擾動過大,端頭墻配筋及礦山法隧道砂漿體盾構接收示意分別如圖3、圖4所示。

圖3 端頭墻配筋示意(單位:mm)Fig.3 Schematic diagram of end wall reinforcement (unit: mm)

圖4 礦山法隧道盾構接收及潛埋井降水示意(單位:mm)Fig.4 Schematic diagram of shield receiving and buried well in mine tunnel (unit: mm)

2.2 洞內降水方案

盾構洞內接收端頭墻處位于變電站用地范圍,地面無管井降水場地條件,為防止盾尾后方來水,確保盾構接收無水條件,提出礦山法地鐵隧道洞內設置潛埋井降水,反坡排水至站端沉淀池[11]。

2.2.1 預留降水用井口及拱架加固

當開挖掌子面有水滲入時,距離掌子面2 m范圍內割除2榀型鋼鋼架,鋼架割除長度1.2 m,割除后鋼架兩頭分別用同等型號工字鋼縱向連接,確保初支型鋼架的整體性,噴射C25混凝土,使井口周邊穩定,井口尺寸≮1.2 m×1.2 m,預留井口及拱架加固如圖5所示。

圖5 預留井口及拱架加固示意(單位:mm)Fig.5 Schematic diagram of reserved wellhead and arch reinforcement (unit: mm)

2.2.2 人工潛埋井及水泵安裝

井口封閉穩定后,井口設置水泵抽干基底積水,人工向下開挖至降水井井深,下放無砂混凝土管過濾器,過濾器與井壁間填充濾料,安裝離心泵或潛水泵,排水管路采用PVC管,反坡排水至站端沉淀池,水泵及管路安裝完成后,井口用鋼板覆蓋,鋪設時保證平整,洞內潛埋井如圖6所示。

圖6 洞內潛埋井示意Fig.6 Schematic diagram of buried well inside the tunnel

2.2.3 洞內降水沉井回填

因礦山法隧道初支與二襯未鋪設防水層,施作二襯仰拱前把初支斷開鋼架按原設計連接,二襯施作時預留潛埋井管線孔洞,鋼筋預留接駁器。二襯施作完成待盾構機空推出洞后施作三襯,施作三襯仰拱時預留防水板接頭,孔洞周邊施作中埋止水帶,待三襯施作完成且強度達到要求后用水泥砂漿回填管井。

2.3 盾構接收管片拼裝控制

由于盾構接收時千斤頂推力變小,導致端頭墻附近的管片環與環之間連接不夠緊密,管片背部注漿不密實,管片易下沉導致接縫密封墊錯茬擠壓產生滲漏水、管片錯臺甚至破損等質量缺陷問題,因此,要做好接收前30環管片的螺栓緊固和復緊工作,螺栓復緊后,用[10型鋼沿隧道縱向拉緊管片環,使管片環連成整體,防止管片松弛下沉影響密封防水效果。拉固管片點位主要為隧道中線以上9點、10點、1點和2點位,洞口處管片環縱向拉緊聯系如圖7所示。

圖7 洞口處管片環縱向拉緊聯系示意Fig.7 Longitudinal tensioning connection of the segment ring at the portal

3 礦山法隧道盾構接收沉降數值分析

3.1 計算模型

運用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX建立三維有限元模型對建筑物下礦山法地鐵隧道盾構接收的沉降變形規律進行分析研究,數值模型橫向寬度x取160 m,縱向寬度y取160 m,豎向高度z取50 m,圍巖、建筑物與地鐵隧道整體有限元模型如圖8所示,建筑物與地鐵隧道空間相對位置關系如圖9所示,礦山法隧道盾構接收洞口如圖10所示。大管棚采用植入式梁單元模擬,盾構管片、端頭墻及建筑物板墻采用2D板單元模擬,土體、砂漿回填體及建筑物基礎等采用3D實體單元模擬,靜力計算分析時模型四周采用法向約束邊界,底部采用固定邊界條件,頂面采用自由變形邊界[12-14]。

圖8 圍巖、建筑物與地鐵隧道整體有限元模型(單位:m)Fig.8 Overall finite element model of surrounding rock、 building and metro tunnel (unit: m)

圖9 建筑物與地鐵隧道空間相對位置關系Fig.9 Relative positional relationship between buildings and subway tunnel space

圖10 礦山法地鐵隧道盾構接收洞口示意Fig.10 Schematic diagram of shield tunnel receiving in mining method tunnel

3.2 計算參數

盾構管片、礦山法復合式襯砌結構、建筑物板墻、回填砂漿體及獨立基礎等采用線彈性本構模型,土體采用修正摩爾-庫倫本構模型,考慮盾構法和礦山法施工的時間效應,開挖、支護過程荷載釋放率分別取30%和70%[15-16],土層和結構的基本物理力學參數分別如表1、表2所示。

表1 土層基本物理力學參數Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of soil layer

表2 結構基本物理力學參數Tab.2 Basic physical and mechanical parameters of structure

3.3 地表及建筑物沉降變形分析

3.3.1 地表及建筑物監測點布設

根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》盾構隧道軸線上方地表應布設監測點,且盾構接收段應適當加密,考慮盾構接收易引起地表過大變形甚至塌陷,應有地表沉降橫向監測斷面;盾構接收段小凈距下穿變電站辦公用房,風險等級較高,建筑物外墻轉角及沿外墻每10 m處應布設監測點[19],地表及建筑物沉降監測點布置如圖11所示。

圖11 地表及建筑物沉降監測點布置示意Fig.11 Layout of ground and building settlement monitoring points

3.3.2 地表及建筑物沉降變形分析

建筑物下礦山法地鐵隧道盾構接收采用超前大管棚+兩道端頭墻+回填砂漿體+洞內潛埋井降水方案,地表及建筑物沉降歷時曲線如圖12～圖15所示(施工步序通過有限元程序提供的“激活”與“鈍化”功能模擬盾構掘進及管片拼裝[20-21],開挖進尺與施工現場單日累計掘進長度對應),盾構接收段地表沉降極值為3.81 mm,位于盾構接收端頭正上方地表,豎向變形極值小于地表沉降30 mm控制值,盾構機刀盤距礦山法隧道端頭墻約35 m范圍掘進施工對地表沉降影響顯著,施工期間應加強監控量測及盾構掘進參數控制。

圖12 右線盾構掘進地表沉降歷時曲線(數值模擬)Fig.12 Predicted surface settlement duration curve of shield tunneling on the right line

圖13 左線盾構掘進地表沉降歷時曲線(數值模擬)Fig.13 Predicted surface settlement duration curve of shield tunneling on the left line

圖14 右線盾構掘進建筑物沉降歷時曲線(數值模擬)Fig.14 Predicted buildings settlement duration curve of shield tunneling on the right line

圖15 左線盾構掘進建筑物沉降歷時曲線(數值模擬)Fig.15 Predicted building settlement duration curve of shield tunneling on the left line

盾構接收段正上方變電站辦公用房沉降極值為8.52 mm,位于盾構隧道軸線上方,沉降極值小于15 mm控制值要求。

4 礦山法隧道盾構接收沉降施工監測

礦山法地鐵隧道盾構接收地表及建筑物沉降歷時曲線如圖16～圖19所示,盾構接收段地表沉降極值為2.91 mm,位于盾構接收端頭正上方地表,豎向變形極值小于地表沉降控制值,地表沉降變化速率小于單日變形量3 mm控制值。

圖16 右線盾構掘進地表沉降歷時曲線(實測)Fig.16 Measured surface settlement duration curve of shield tunneling on the right line

圖17 左線盾構掘進地表沉降歷時曲線(實測)Fig.17 Measured surface settlement duration curve of shield tunneling on the left line

圖18 右線盾構掘進建筑物沉降歷時曲線(實測)Fig.18 Measured buildings settlement duration curve of shield tunneling on the right line

圖19 左線盾構掘進建筑物沉降歷時曲線(實測)Fig.19 Measured building settlement duration curve of shield tunneling on the left line

盾構隧道軸線正上方變電站辦公用房沉降極值為10.05 mm,沉降極值小于15 mm控制值,沉降變化速率小于單日變形量2 mm控制值。

現場實測值與計算值基本吻合,因此,基于超前大管棚+兩道端頭墻+洞內回填砂漿體+洞內潛埋井降水方案可確保盾構安全接收。

5 結論及建議

以成都地鐵5號線科園站—九興大道站區間建筑物下礦山法隧道盾構接收工程為背景,運用有限元程序分析研究洞內盾構接收地表及建筑物沉降變形規律,并通過現場實測手段驗證,主要結論如下。

(1)建筑物下常規礦山法地鐵隧道盾構接收無地面注漿加固及井點降水條件,提出超前大管棚+兩道端頭墻+洞內回填砂漿體+洞內潛埋井降水的盾構接收方案,通過數值分析及現場實測手段,技術方案合理可行,可為后續類似工程提供借鑒。

(2)建筑物下礦山法地鐵隧道盾構接收采用基于洞內回填砂漿體及潛埋井降水的盾構接收方案,數值分析表明,盾構接收端頭地表沉降極值為3.81 mm,小于地表豎向變形控制值,且距礦山法隧道端頭墻約35m范圍盾構掘進對地表沉降影響顯著,施工期間應加強監控量測;盾構接收段正上方建筑物沉降極值為8.52 mm,小于建筑物沉降控制值要求,與現場實測值基本吻合。

(3)盾構機中盾進入砂漿體后,建議利用徑向注漿孔向盾體外注聚氨酯,及時填充開挖輪廓與盾體間的環形構造空隙,防止涌水涌砂引起地表及建筑物過大變形甚至開裂。

(4)礦山法隧道洞內盾構接收時,為避免盾尾后方來水,建議管片脫出盾尾后注快凝雙液漿填充建筑空隙,每隔3～5環施作止水環。