中間風(fēng)井內(nèi)盾構(gòu)隧道管片局部拆除方案研究

張海濤

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063)

0 引言

近年來, 隨著全國各大城市修建地鐵數(shù)量的大量增加, 地鐵區(qū)間施工過程遇到的問題也越來越多，如地鐵隧道和車站開挖引起周圍土體變形沉降、地鐵遇到火災(zāi)情況下的緊急處理等[1-4]。所以, 開展地鐵各方面研究的學(xué)者也相對增多，如白云霄等[5]以西安地鐵4號線為案例, 對區(qū)間風(fēng)井的必要性、布置原則等方面進(jìn)行了研究分析, 為后續(xù)地鐵風(fēng)井的設(shè)置提供了一定參考。

但是隨著地鐵施工的進(jìn)行, 中間風(fēng)井施工受到外部環(huán)境因素影響的案例越來越多，因此, 需要采用其他工法完成風(fēng)井施工。陳衛(wèi)軍[6]采用暗挖法分離式豎井方案進(jìn)行超大區(qū)間中間風(fēng)井施工, 實現(xiàn)了降低風(fēng)險、節(jié)約成本的目標(biāo)。彭長勝[7]通過研究圍護、止水等方案成功解決了超深風(fēng)井施工風(fēng)險。其他工程中也對特殊情況下的中間風(fēng)井采用了先隧后井、吊筑法等施工工藝來控制施工風(fēng)險和施工成本[8-12]。數(shù)值理論計算對區(qū)間風(fēng)井方案的創(chuàng)新提供了可靠的依據(jù)。秦義[13]以沈陽地鐵2號線為案例, 對比分析了三維地鐵風(fēng)井與二維地鐵風(fēng)井計算結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)了二維計算區(qū)間風(fēng)井結(jié)構(gòu)的不足之處。殷凱等[14]對三維區(qū)間風(fēng)井結(jié)構(gòu)斷面計算分析進(jìn)行了研究, 提出了荷載折減法的計算方法, 研究表明通過荷載折減法計算的三維區(qū)間風(fēng)井?dāng)嗝娼Y(jié)果既安全又不會過于保守, 為設(shè)計和施工提供了很大便利。

以上文獻(xiàn)僅對風(fēng)井本體進(jìn)行了研究，沒有考慮盾構(gòu)隧道穿越風(fēng)井后存在的問題。本文針對蘇州地鐵盾構(gòu)隧道直接掘進(jìn)通過明挖風(fēng)井后，位于地下空間下方的深埋盾構(gòu)隧道與區(qū)間風(fēng)井間封堵困難、整環(huán)管片拆除風(fēng)險過大的問題，創(chuàng)新性地提出規(guī)避風(fēng)險的管片局部拆除方案，即盾構(gòu)隧道上部管片拆除后增加梁板形成倒“Ω”結(jié)構(gòu)，并驗證其可行性。研究結(jié)果以期為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

以蘇州軌道交通某區(qū)間風(fēng)井為例, 該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工, 在區(qū)間內(nèi)設(shè)置一個車站脫離風(fēng)井(簡稱中間風(fēng)井),中間風(fēng)井與蘇州站南廣場地下空間同期先行建設(shè), 位于南廣場地下空間下方, 風(fēng)井施工完成后回填土, 待盾構(gòu)隧道施工完成后再開挖內(nèi)部土體。風(fēng)井布置受鐵路蘇州站站房、南廣場地下空間、北環(huán)快速路輔路隧道等制約, 風(fēng)井內(nèi)凈空沿線路方向長度為5.3 m, 在風(fēng)井內(nèi)部設(shè)置1個人防隔斷門, 門框處鋼筋接駁器均進(jìn)行了預(yù)留; 風(fēng)井兼作聯(lián)絡(luò)通道功能, 兩線中間設(shè)置檢修樓梯至風(fēng)道層。中間風(fēng)井平面位置示意圖如圖1所示。

風(fēng)井施工時圍護結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維筋連續(xù)墻, 圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)施工3 m長端頭加固區(qū), 風(fēng)井施工完成后在其內(nèi)部回填黏土, 并充填注漿, 采用盾構(gòu)直接切削玻璃纖維筋通過的方式。中間風(fēng)井端頭加固剖面圖如圖2所示。待盾構(gòu)完成, 清除風(fēng)井處土體后, 拆除風(fēng)井處管片環(huán), 施工洞門環(huán)梁和風(fēng)井內(nèi)附屬結(jié)構(gòu), 完成土建工程施工。

圖1 中間風(fēng)井平面位置示意圖

圖2 中間風(fēng)井端頭加固剖面圖(單位： mm)

Fig. 2 Profile of end reinforcement of middle ventilation shaft(unit：mm)

風(fēng)井所處位置的土層由上至下分別是： ①雜填土層、②黏土層、③粉質(zhì)黏土層、④-1粉質(zhì)黏土層、④-2粉質(zhì)黏土夾粉土互層、⑤粉質(zhì)黏土層、⑥-1黏土層、⑥-2粉質(zhì)黏土層、⑥-3粉質(zhì)黏土層、⑦粉質(zhì)黏土層。風(fēng)井位置所在土層主要為⑤-1粉質(zhì)黏土層、⑥-1黏土層。場地地下潛水位約為1.5 m。

盾構(gòu)施工通過前風(fēng)井內(nèi)已積水嚴(yán)重, 盾構(gòu)切削玻璃纖維筋連續(xù)墻通過中間風(fēng)井后發(fā)現(xiàn)風(fēng)井上部風(fēng)道內(nèi)存在一定程度的涌水, 需在兩端風(fēng)道內(nèi)進(jìn)行間斷抽水, 以防止涌水對火車站南廣場地下空間造成影響。該涌水為盾構(gòu)通過風(fēng)井后, 地下水自管片外側(cè)與圍護結(jié)構(gòu)之間的空隙進(jìn)入風(fēng)井, 之后上滲進(jìn)入風(fēng)道； 且通過在盾構(gòu)隧道內(nèi)二次注漿無法實現(xiàn)有效封堵, 風(fēng)道內(nèi)存在持續(xù)涌水?？紤]到風(fēng)井位于地下空間下方, 為封閉空間, 不具備大型設(shè)備的應(yīng)急搶險工作面, 為避免內(nèi)部土體清除和管片拆除后出現(xiàn)較大風(fēng)險, 進(jìn)行了局部拆除風(fēng)井內(nèi)上部管片作為通風(fēng)口的方案研究, 即通過增加一個中板形成倒“Ω”結(jié)構(gòu)。

2 方案研究

為減小工程風(fēng)險, 并保證通風(fēng)、人防和防災(zāi)等要求。對本工程車站、盾構(gòu)隧道區(qū)間和中間風(fēng)井工程進(jìn)行梳理, 對于中間風(fēng)井內(nèi)設(shè)置的人防門可通過調(diào)整人防分區(qū)解決; 對于中間風(fēng)井兼作聯(lián)絡(luò)通道的功能, 在風(fēng)井內(nèi)不設(shè)置的情況下可以保證每600 m設(shè)一聯(lián)絡(luò)通道的要求; 風(fēng)井內(nèi)檢修可通過風(fēng)亭進(jìn)入風(fēng)道進(jìn)行。保證通風(fēng)口面積和減小管片局部拆除風(fēng)險, 并保證新做倒“Ω”結(jié)構(gòu)可靠為本方案重點。倒“Ω”結(jié)構(gòu)橫斷面如圖3所示。

圖3倒“Ω”結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖(單位： mm)

Fig. 3 Cross-section of reverse-Ω structure (unit： mm)

2.1 管片拆除范圍

風(fēng)井內(nèi)部已拼裝好的管片在右線隧道存在4環(huán)整環(huán)(環(huán)寬1.2 m)、左線隧道存在3環(huán)整環(huán), 如打開3整環(huán), 將導(dǎo)致開口一側(cè)距離風(fēng)井結(jié)構(gòu)較近, 最小距離為320 mm, 不能形成相對穩(wěn)定一環(huán)作為可靠支撐。故選取拆除2環(huán)上部管片, 沿線路方向施工200 mm環(huán)梁保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 沿線路方向凈寬為2 m。根據(jù)通風(fēng)專業(yè)計算, 通風(fēng)口面積需保證不小于7.6 m2, 上部管片凈開口寬度為3.8 m, 保證通風(fēng)口有效面積滿足通風(fēng)要求。通風(fēng)口開孔如圖4所示。

圖4拆除局部管片平面示意圖(單位: mm)

Fig. 4 Plan of partial segment demolition (unit: mm)

2.2 管片局部拆除方案

管片局部拆除需在不同階段滿足以下幾點要求: 1)需保證管片上方土體開挖及管片局部割除時工作面的安全可靠性及管片的整體穩(wěn)定性; 2)后做連接結(jié)構(gòu)需保證冷縫止水和結(jié)構(gòu)連接的可靠性; 3)完成后的倒“Ω”結(jié)構(gòu)需滿足整體受力和穩(wěn)定要求, 包含抗浮、管片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、節(jié)點處受力要求。

2.2.1 管片拆除前施工準(zhǔn)備

管片拆除前需增加風(fēng)井和風(fēng)道內(nèi)明水抽排, 通過管片內(nèi)部注漿孔和增設(shè)注漿孔對滲水空隙進(jìn)行封堵, 同時對風(fēng)井內(nèi)管片及風(fēng)井兩側(cè)各5環(huán)管片中下部均采用16號工字鋼進(jìn)行拉緊處理, 隧道內(nèi)部管片采用H型鋼做臨時支撐, 隧道橫斷面設(shè)3道豎向型鋼支撐, 隧道縱向設(shè)3道支撐, 共計9道型鋼支撐。臨時支撐橫斷面示意圖如圖5所示。

圖5 臨時支撐橫斷面示意圖

內(nèi)部支撐好以后進(jìn)行風(fēng)井內(nèi)土體挖除, 挖至新增加水平板結(jié)構(gòu)底部, 挖除土體時對洞門進(jìn)行不間斷封堵和風(fēng)井內(nèi)抽水。采用人工挖土填裝于編織袋內(nèi), 堆放在風(fēng)道中, 后期作為涌水反壓應(yīng)急物資。施工完畢后, 采用隧道內(nèi)電瓶車通過隧道運出。

2.2.2 管片拆除及增加梁板方案

挖土后立即進(jìn)行切割管片、增加梁板的施工, 風(fēng)井內(nèi)部和管片內(nèi)部增設(shè)注漿孔注漿。該階段需保證冷縫止水和結(jié)構(gòu)連接的可靠性, 同時需采取措施防止盾構(gòu)隧道沉降、上浮和左右移動的變形造成管片結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞, 保證管片的整體性。具體措施如下。

2.2.2.1 管片切割

左、右線各拆除2環(huán)管片封頂塊(K塊)、臨接塊(B塊)各1個, 可滿足通風(fēng)面積要求。采用金剛石繩鋸進(jìn)行分塊切割, 切割管片需避免對鄰接塊管片造成擾動及損傷, 同時在風(fēng)井結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝5 t電動葫蘆進(jìn)行管片吊裝; 然后對管片進(jìn)行分塊, 采用油漆進(jìn)行標(biāo)示, 確保每塊管片≤0.5 t; 對劃分好的每塊管片鑿除表面混凝土, 焊接吊耳; 再根據(jù)管片混凝土的切割位置安裝導(dǎo)軌, 延切割線適當(dāng)加長, 導(dǎo)軌與管片混凝土間采用膨脹螺栓緊固； 最后采用電動葫蘆進(jìn)行吊裝，由隧道內(nèi)電瓶車或翻斗車運出。

2.2.2.2 結(jié)構(gòu)連接

鑿毛風(fēng)井內(nèi)側(cè)墻, 在側(cè)墻植筋與增加水平板連接, 鑿?fù)钢懈魤? 使增加水平板與兩隧道中間腔體內(nèi)增加的水平板形成一個整體; 增加水平板與既有管片可靠連接, 在混凝土管片內(nèi)植筋。風(fēng)井端墻處弧形混凝土管片采用外凸環(huán)梁的形式與風(fēng)井端墻連接, 將外凸的所有管片全部包住, 在端墻和混凝土管片內(nèi)植筋, 外凸環(huán)梁的環(huán)向鋼筋錨入增加的水平板, 外凸環(huán)梁與水平板一次性澆筑。具體構(gòu)造形式及配筋如圖6和圖7所示。

圖6 增加水平板節(jié)點配筋圖(單位: mm)

Fig. 6 Node reinforcement drawing of adding horizontal beam(unit: mm)

圖7 外凸環(huán)梁配筋圖(單位: mm)

2.2.2.3 結(jié)構(gòu)防水

結(jié)構(gòu)防水主要分為2個方面： 1)新增加梁板與既有風(fēng)井結(jié)構(gòu)和管片之間的冷縫防水； 2)增加對管片外側(cè)土體的止水效果。

對于冷縫，采用遇水膨脹橡膠止水條配合預(yù)埋注漿管的方式進(jìn)行止水。由于現(xiàn)場作業(yè)條件較差, 在此種方式無法滿足的情況下, 可考慮采用嵌入壓縮密封體進(jìn)行冷縫止水。

2.2.2.4 周邊地層穩(wěn)定

為防止管片移位變形或管片沉降對結(jié)構(gòu)的影響, 同時增加管片外部土體的止水效果, 對管片周圍土體進(jìn)行注漿, 主要有以下幾點: 1) 通過水平板施工時預(yù)埋注漿管對下方土體進(jìn)行注漿; 2) 通過管片底部注漿孔和增設(shè)注漿孔對管片底部土體注漿; 3) 加強洞門封堵注漿。

2.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及受力計算分析

2.3.1 計算模型

為了驗證管片負(fù)環(huán)局部拆除后管片受力是否滿足地鐵運營期使用要求, 本文使用有限元分析軟件對管片受力情況進(jìn)行計算。將管片視為均質(zhì)圓弧, 采用徑向受壓彈簧和切向的拉壓彈簧對管片進(jìn)行約束, 不考慮管片接頭的影響, 對管片剛度進(jìn)行折減, 乘以0.8折減系數(shù)。荷載取值不考慮風(fēng)井作用, 按照結(jié)構(gòu)置于土中進(jìn)行水土分算, 水頭取歷年最高水位和地面以下0.5 m高值, 土壓力以地下空間上方地面起算。

對管片受力進(jìn)行平面分析, 取寬度1 m單元進(jìn)行計算, 考慮到管片開孔處約束介于簡支和固支之間, 對開孔處約束分別按簡支和固支進(jìn)行計算。按照結(jié)構(gòu)可靠的原則, 端部支座軸力和剪力值取2個計算結(jié)果的包絡(luò)值。2種模型的計算參數(shù)見表1。

表1簡支約束模型和固支約束模型參數(shù)

Table 1 Parameters of simple support constraint model and fixed support constraint model

約束類型模型斷面尺寸/(m×m)材料計算方式簡支約束1×0.35C50混凝土水土分算固支約束1×0.35C50混凝土水土分算

2.3.2 計算結(jié)果分析

簡支和固支約束模型計算的剪力、軸力和彎矩結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知, 通過計算得到管片開口端部的剪力、軸力和彎矩最大值分別為229.7 kN、960.4 kN、148.6 kN·m。對此3個指標(biāo)進(jìn)行最不利條件下簡化分析, 剪力作用面可簡化為寬度1 m, 高度350 mm的板結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計算; 與管片連接結(jié)構(gòu)簡化為一根寬350 mm、高600 mm的梁, 計算軸力為均布荷載施加于梁上, 梁跨度為2.0 m, 則算出的梁端部最大彎矩為320.1 kN·m; 按照板厚350 mm,寬1 000 mm進(jìn)行受彎計算, 節(jié)點處配筋和植筋均可滿足要求。

(a) 簡支約束剪力圖(單位： kN)

(b) 簡支約束軸力圖(單位： kN)

(c) 簡支約束彎矩圖(單位： kN·m)

(a) 固支約束剪力圖(單位： kN)

(b) 固支約束軸力圖(單位： kN)

(c) 固支約束彎矩圖(單位： kN·m)

但由于管片受力情況復(fù)雜, 且該處管片受力存在剛性節(jié)點, 與管片塊與塊之間的柔性連接相沖突, 需對增加水平板下方及管片下方土體進(jìn)行注漿充填, 保證管片周邊土體密實, 防止管片移位變形或沉降導(dǎo)致的管片結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3 結(jié)論與建議

以蘇州軌道交通某區(qū)間風(fēng)井為例, 采用創(chuàng)新性倒“Ω”結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)隧道上方打開管片作為通風(fēng)口, 大大降低了施工風(fēng)險, 在理論分析和實際施工操作中均滿足要求, 實際沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)小于2 mm, 滿足要求。主要結(jié)論如下。

1)風(fēng)井內(nèi)部管片拆除風(fēng)險過大時可采用拆除上部管片形成通風(fēng)口的方式, 管片與風(fēng)井結(jié)構(gòu)連接形成倒“Ω”結(jié)構(gòu)。

2)為保證倒“Ω”結(jié)構(gòu)受力安全, 需對周邊土體進(jìn)行加固, 保證基底穩(wěn)定。

3)本文僅對倒“Ω”結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面受力分析, 與實際受力情況存在出入, 建議后續(xù)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)計算進(jìn)行研究分析。

4)由于該結(jié)構(gòu)形式非通常結(jié)構(gòu)形式, 受力體系復(fù)雜, 節(jié)點連接相對薄弱, 地下水頭壓力大, 對其實際使用效果需進(jìn)行長期觀測和必要檢測。