超深地鐵車站地下連續(xù)墻盾構(gòu)接收洞口玻璃纖維筋技術(shù)及實踐

鄧稀肥 王圣濤 鄔家林 劉子陽 方知海 陸苗祥

(1.中鐵四局集團有限公司，230023，合肥；2.杭州市地鐵集團有限責任公司，310012，杭州；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，430063，武漢∥第一作者，高級工程師)

對于超深多層地鐵站施工，盾構(gòu)機能否安全接收是此類工程的重難點。在超深多層地鐵車站，盾構(gòu)機的安全接收尤為重要。超深地鐵車站接收洞門處，外側(cè)土壓力大，可能臨近地下承壓水層。端頭加固結(jié)合人工破除地下連續(xù)墻的傳統(tǒng)盾構(gòu)接收方案極易發(fā)生掌子面失穩(wěn)坍塌和承壓水突涌問題，從而威脅施工人員安全和周邊環(huán)境穩(wěn)定，造成不可估量的損失。

為實現(xiàn)超深地鐵車站的盾構(gòu)機安全接收，在盾構(gòu)機要穿越的圍護結(jié)構(gòu)處設(shè)置玻璃纖維筋-混凝土結(jié)構(gòu)，能使得盾構(gòu)機刀盤磨穿圍護結(jié)構(gòu)，從而降低盾構(gòu)接收風險[1-4]。

國內(nèi)外應(yīng)用玻璃纖維筋地下連續(xù)墻進行盾構(gòu)接收技術(shù)雖已趨于成熟，但該技術(shù)多應(yīng)用于較淺基坑或800 mm厚地下連續(xù)墻[1-4]，對于超深基坑超厚地下連續(xù)墻的應(yīng)用尚無可參考的案例。本文針對杭州地鐵6號線火車東站項目，對34.5 m超深基坑、厚度1.5 m單側(cè)玻璃纖維筋地下連續(xù)墻在復(fù)雜高風險工況下盾構(gòu)接收的成功案例進行分析與研究。

1 工程概況

如圖1所示，杭州地鐵6號線火車東站為地下4層車站?；佣祟^開挖深度為34.5 m?；訃o結(jié)構(gòu)為1.5 m厚地下連續(xù)墻，其深入中風化凝灰?guī)r 1.5 m，總長約為60 m。地下連續(xù)墻鋼筋籠最大質(zhì)量約111.4 t(含單側(cè)十字型鋼接頭)。在大里程端，地下連續(xù)墻外側(cè)距既有SMW工法樁(型鋼水泥土攪拌樁)僅0.4 m，SWM工法樁的型鋼在盾構(gòu)接收前拔除。地下3層地下室開挖深度為16.2 m，底板距盾構(gòu)區(qū)間8.9 m。盾構(gòu)區(qū)間距承壓水層(水頭37 m)約7.8 m。盾構(gòu)接收方案為端頭加固+鋼套筒，地下室底至區(qū)間底以下3.0 m深度范圍內(nèi)采用高壓旋噴樁進行加固，加固體長12.0 m，寬26.2 m；地下室圍護結(jié)構(gòu)與火車東站地下連續(xù)墻間采用超高壓旋噴技術(shù)進行加固。土體分層情況及地層參數(shù)如表1所示。

圖1 杭州地鐵6號線火車東站盾構(gòu)接收端斷面圖

表1 杭州地鐵6號線火車東站基坑地層參數(shù)表

2 盾構(gòu)接收風險分析

2.1 端頭加固效果不可控

車站端頭井加固采用加固深度為34.5 m、樁心距為600 mm的φ800 mm三重管高壓旋噴樁。相關(guān)研究證明[5]，相較透水砂層或圓礫層等透水地層，在淤泥及黏土層中高壓旋噴樁加固質(zhì)量明顯下降，且在黏土層中容易存在固結(jié)體強度不均、縮頸現(xiàn)象[6]。為進一步驗證端頭井加固效果，現(xiàn)場進行了取芯驗證。由芯樣可見，在20.0～34.5 m深度，加固體已明顯不成樁，故在洞門破除時極易發(fā)生因土體強度不足造成的掌子面坍塌，從而存在地面沉降、圍護結(jié)構(gòu)變形風險。

2.2 洞門破除、掌子面穩(wěn)定性差

地下4層地鐵站盾構(gòu)接收深度大，而且洞門外側(cè)土層為⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及⑧1黏土，其土體側(cè)壓力系數(shù)大，故地下連續(xù)墻承受的土壓非常大。如人工破除洞門，則掌子面穩(wěn)定性難以保證，施工風險極高。

2.3 盾構(gòu)接收鄰近承壓水

車站基坑下深度為6～8 m范圍為高承壓水層，其壓力水頭約為37 m。由于端頭井加固體質(zhì)量不佳，人工破除洞門時極易發(fā)生承壓水擊穿隔水層、形成噴涌，造成嚴重后果。

3 單側(cè)玻璃纖維筋技術(shù)

綜合考慮盾構(gòu)接收風險、基坑穩(wěn)定性及大型鋼筋籠吊裝安全原則，針對原盾構(gòu)接收方案(端頭加固+鋼套筒)存在的問題，本文提出了地下連續(xù)墻盾構(gòu)接受洞口采用單側(cè)玻璃纖維筋方案，見圖2。

圖2 地下連續(xù)墻盾構(gòu)接收洞口采用單側(cè)玻璃纖維筋方案

玻璃纖維筋地下連續(xù)墻施工完成后，基坑開挖至基坑底；底板施工完成后繼續(xù)施工上部車站結(jié)構(gòu)；在盾構(gòu)機到達前，提前安裝鋼套筒后，人工鑿除基坑開挖側(cè)的30 cm厚地下連續(xù)墻，并將鋼筋剝除，迎土側(cè)洞門處玻璃纖維筋由盾構(gòu)機磨穿。相比較傳統(tǒng)的盾構(gòu)接收方案，本方案能確保車站超深基坑接收洞門掌子面的穩(wěn)定性，隔絕了承壓水，盡可能地降低了洞門破除的施工風險。

3.1 單側(cè)玻璃纖維筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計

火車東站A區(qū)端頭井洞門處，原有地下連續(xù)墻幅寬設(shè)計為6.00 m，盾構(gòu)刀盤外徑為6.48 m。為使盾構(gòu)機穿過地下連續(xù)墻時能避開地下連續(xù)墻十字鋼板接頭，現(xiàn)將地下連續(xù)墻幅寬調(diào)整為8.00 m。地下連續(xù)墻加寬后，為了減少鋼筋籠總質(zhì)量，采用無十字鋼板接頭的閉合幅段施工。調(diào)整后鋼筋籠總質(zhì)量為127 t，滿足既定施工方案中起重設(shè)備的要求，保證了玻璃纖維筋地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝入槽的安全。地下連續(xù)墻分幅調(diào)整方案如圖3所示。

圖3 鋼筋籠分幅調(diào)整示意圖

3.2 玻璃纖維筋地下連續(xù)墻受力計算

采用有限元法建立玻璃纖維筋地下連續(xù)墻模型。土體采用摩爾庫倫準則，其參數(shù)如表1所示。按實際施工開挖工況設(shè)置有限元模型施工階段，基坑水平分層開挖見底時，端頭井處玻璃纖維筋地下連續(xù)墻受力計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 玻璃纖維筋地下連續(xù)墻受力計算結(jié)果實景圖

當基坑開挖完成后，最大正彎矩和最大負彎矩分別在底板和逆作板(負3層板)處，洞門定點位置(深度為28.7 m處)彎矩接近0，基坑內(nèi)側(cè)整體處于受彎狀態(tài)，說明此時的玻璃纖維筋不處于彎矩最大處。

地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移發(fā)生在基坑底位置，且洞門處地下連續(xù)墻承受土壓力較大。經(jīng)計算，地下連續(xù)墻所受側(cè)壓力為4 239.6 kN/m，故水平和豎向玻璃纖維筋靠基坑內(nèi)側(cè)受拉。參照MT/T 1061—2008《樹脂錨桿玻璃纖維增強塑料桿體及附件》[7]，對該玻璃纖維筋進行送樣檢驗，檢測結(jié)果如表2所示。由檢測結(jié)果，該處地下連續(xù)墻玻璃纖維筋拉應(yīng)力合力遠小于地下連續(xù)墻受拉玻璃纖維筋試件平均抗拉強度，滿足基坑開挖見底地下連續(xù)墻整體抗彎要求。

表2 玻璃纖維筋送樣檢驗結(jié)果

此外，地下連續(xù)墻分節(jié)位置選擇在彎矩最小處附近，故地下連續(xù)墻鋼筋籠整體接頭安全可控。

3.3 鋼筋連接及卡扣設(shè)計

現(xiàn)場玻璃纖維筋鋼筋籠豎向桁架筋與橫向桁架筋直徑均為32 mm、間距均為150 mm。為保證玻璃纖維筋間連接牢固，玻璃纖維筋之間采用鍍鋅扎絲+鍍鋅鐵絲綁扎，以保證100%綁扎固定。玻璃纖維筋與鋼筋的搭接長度為1.5 m，采用M10-U型螺栓連接。U型螺栓理論數(shù)量為每個接頭2個。施工現(xiàn)場施作連接處拉拔試驗。試驗結(jié)果表明，單根接頭拉脫需要45 kN拉力，滿足吊裝時接頭抗拉要求。為保險起見，實際施工時每個接頭設(shè)置了3個U型螺栓，且相鄰2個接頭相互錯開50 cm，實施情況如圖5所示。

圖5 玻璃纖維筋與鋼筋連接示意圖

4 施工技術(shù)要點

4.1 鋼筋籠分節(jié)吊裝及定位

如圖6所示，鋼筋籠分2節(jié)進行制作、吊裝。第1節(jié)為含玻璃纖維筋的鋼筋籠，長度為37.5 m，第2節(jié)鋼筋籠長度為19.15 m。為保證接頭安全，鋼筋籠接頭靠近圖4中基底下彎矩為0處(深度約為40 m處)。含玻璃纖維筋鋼筋籠吊裝采用1個主吊機和1個副吊機配合吊裝，吊點焊接在地下連續(xù)墻鋼筋主筋處。試吊后，人工檢查玻璃纖維筋有無斷裂，接頭是否完好，鋼筋籠整體是否有變形。檢查完畢后，于空中回直。

圖6 玻璃纖維筋鋼筋籠吊裝分節(jié)示意圖

2節(jié)鋼筋籠對接時，先將下節(jié)鋼筋籠固定在導墻上，再下放上節(jié)鋼筋籠；在上節(jié)鋼筋籠距離下節(jié)鋼筋籠5 cm時，停止下放，并人工進行調(diào)整；待所有接頭對齊后，再緩緩下放上節(jié)鋼筋籠；在2節(jié)鋼筋籠間隙約為5 mm時，停止下放，并將鋼筋用套筒擰緊到位；之后，緩慢下放鋼筋籠，逐一連接；確保所有接頭完成連接后，即可進行第1節(jié)鋼筋籠入槽。玻璃纖維筋節(jié)段鋼筋籠在開始入槽時，需對玻璃纖維筋卡扣連接、綁扎情況和有無斷筋進行二次復(fù)查，待現(xiàn)場確認無誤后完成入槽。

4.2 人工破除單側(cè)玻璃筋

接收井洞門處地下連續(xù)墻厚1.5 m。施工時僅破除基坑開挖側(cè)的30 cm厚地下連續(xù)墻。為了盡量保證洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，洞門破除時按由上到下、先中間后兩邊的順序進行破除。

洞門鑿除完成后，需快速將洞門鋼環(huán)周邊的鋼筋頭全部剝除，以防盾構(gòu)機推進時卡住刀盤。完成剝除鋼筋后，檢查地下連續(xù)墻掌子面是否完整，是否漏水，以及混凝土中是否存在玻璃纖維筋碎裂漏筋。

4.3 盾構(gòu)機磨除玻璃纖維筋混凝土墻

盾構(gòu)機到達前，通過測量算出端頭地下連續(xù)墻的實際里程。盾構(gòu)機到達此里程即進入掘進狀態(tài)。以每天2次的頻率監(jiān)測掘進處地面的沉降情況，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采取補漿等措施。在盾構(gòu)機距地下連續(xù)墻50環(huán)時對隧道軸線進行復(fù)核，并人工測量盾構(gòu)機姿態(tài)，待測量及復(fù)測結(jié)果無誤后再進行盾構(gòu)掘進施工。盾構(gòu)機磨除混凝土墻各階段的掘進參數(shù)如表3所示。

表3 盾構(gòu)機磨除地下連續(xù)墻參數(shù)

在盾構(gòu)機接觸地下連續(xù)墻之前，應(yīng)慎重選擇合適的盾構(gòu)機掘進參數(shù)，并正確選取管片拼裝點位，防止糾偏過急，保證盾構(gòu)機接觸地下連續(xù)墻時姿態(tài)無偏差。

在盾構(gòu)機即將碰壁之前一環(huán)時，將掘進速度減至4 mm/min，推力調(diào)整至12 000 kN以下；刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整至1.3～1.4 r/min；在磨墻中，將盾構(gòu)機推力控制在8 000～9 000 kN，將掘進速度控制為3～4 mm/min，嚴密監(jiān)測掌子面是否有碎裂塌方及漏水情況。在鋼套筒與洞門環(huán)梁接縫位置安裝百分表，以監(jiān)測鋼套筒位移情況有無異常。盾構(gòu)機在完全破除地下連續(xù)墻后，逐漸恢復(fù)至鋼套筒內(nèi)掘進參數(shù)。

在現(xiàn)場實際接收過程中，掌子面安全穩(wěn)定，無承壓水突涌情況，鋼套筒位移無超標，盾構(gòu)接收安全完成。

5 結(jié)語

杭州地鐵6號線火車東站1.5 m厚單側(cè)玻璃筋地下連續(xù)墻盾構(gòu)接收工程，基于數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，采用地下連續(xù)墻幅寬調(diào)整、鋼筋籠合理分節(jié)、玻璃纖維筋卡扣連接和吊裝方案優(yōu)化等措施，完成了1.5 m厚地下連續(xù)墻的玻璃纖維筋鋼筋籠的吊裝入槽。經(jīng)實際工程驗證，單側(cè)玻璃纖維筋技術(shù)成功應(yīng)用于超深地鐵車站地下連續(xù)墻盾構(gòu)接收洞口，既保證了超深基坑盾構(gòu)接收掌子面穩(wěn)定性，又隔斷了承壓水層，減小了因端頭加固施工質(zhì)量不可控導致的接收風險，保障了盾構(gòu)接收安全，在國內(nèi)類似工程具有一定的應(yīng)用推廣價值。