重慶地鐵人和站先隧后站明挖法分步施工技術(shù)研究

崔光耀,戴艾蒙,王明勝

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100144;2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司,四川 成都 610000)

0 引言

TBM(tunnel boring machine)法掘進(jìn)隧道施工具有開挖快、安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì),有利于環(huán)境保護(hù)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn),目前在城市地下軌道交通、上下水道及鐵路、公路、水利、電力通訊等工程中的應(yīng)用越來越廣泛。在城市地下軌道交通施工中,由于車站設(shè)立較多,區(qū)間較短,一臺(tái)TBM多數(shù)情況下要施工兩個(gè)區(qū)間甚至更多,穿越車站必不可少。

傳統(tǒng)的吊裝方式和先隧后站法均適用于在車站主體結(jié)構(gòu)未完成時(shí)的情況,而站內(nèi)直接通過法則適用于車站主體結(jié)構(gòu)已完成前的情況[1-4]。目前,主要研究方向有不同隧道開挖過站技術(shù)的研究[5-6],以及對(duì)雙護(hù)盾TBM地鐵工程的籌劃、適應(yīng)性、設(shè)計(jì)應(yīng)用等方面的研究[7-9],對(duì)單護(hù)盾TBM過站研究尚淺。TBM過站先隧后站的方法使得區(qū)間隧道的施工不會(huì)被車站的工期所影響,因此本文依托重慶地鐵五號(hào)線人和站,針對(duì)實(shí)際明挖車站施工,對(duì)TBM掘進(jìn)過站技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 車站概況

人和車站位于金開大道西段,起訖里程、站尾里程為YDK16+320.801和YDK16+540.401,總長度219.60 m。人和站為明挖島式車站,結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)輪廓凈寬20.70 m,凈高15.44 m。車站位于既有金開大道之下,該段周邊條件復(fù)雜,管線密布。車站頂板覆土厚度約為2.4～4.0 m。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

人和站的土體基坑進(jìn)行先隧后站施工,采用“樁錨體系”垂直開挖支護(hù)方案。邊坡采用Φ1.0 m機(jī)械旋挖樁,樁心間距3 m,樁底嵌入坑底中風(fēng)化巖層不小于3 m,樁頂設(shè)1.0 m×0.8 m鋼筋混泥土冠梁,樁間設(shè)擋土板,土層處擋土板厚0.3 m,巖層處擋土板厚0.15 m。樁身共設(shè)6道預(yù)應(yīng)力錨索,錨索豎向間距3 m,鉆孔直徑200 mm,第一至第四道錨索錨固長度不小于10 m,第五、六道錨索錨固長度不小于6 m。詳見圖1所示。

圖1 施工斷面示意圖

2 計(jì)算概況

2.1 計(jì)算模型

為避免邊界效應(yīng)的影響,計(jì)算模型左右水平計(jì)算范圍均取基坑跨度的2倍,垂直計(jì)算范圍向上取至自由地表,向下取基坑高度的2倍。上部為10 m厚的填土層,下部為砂質(zhì)泥巖層,砂質(zhì)泥巖與填土層的本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型;支護(hù)使用彈性模型,錨索單元使用FLAC3D中專用于模擬錨索的cable單元。

根據(jù)以上資料建立FLAC3D模型,取縱向3排樁的長度建立模型,建立縱向(y方向)長9 m的三維模型,水平向(x方向)長140 m,豎向(z方向)高71.30 m;根據(jù)實(shí)際的錨索布置方式建立錨索模型,TBM隧道掘進(jìn)穿越人和站的位置根據(jù)模型中車站的TBM軌道中心線的位置確定,共劃分為175 104個(gè)8節(jié)點(diǎn)單元,共有183 979個(gè)節(jié)點(diǎn),詳見圖2所示。

圖2 計(jì)算模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告和車站設(shè)計(jì)資料選取,詳見表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2.3 開挖工序

開挖步驟為:單護(hù)盾TBM采用循環(huán)開挖的方式,每掘進(jìn)1.5 m便進(jìn)行一環(huán)的管片支護(hù),共開挖6環(huán)→基坑開挖1.5 m的深度到達(dá)樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高,向土中打機(jī)械旋挖樁→逐層開挖基坑,每次開挖深度到1m時(shí)施做噴射混凝土面板,開挖深度達(dá)到錨索設(shè)計(jì)深度以下0.5 m時(shí)進(jìn)行錨索施工,如此循環(huán)完成基坑開挖。具體施工步驟見表2所示。

表2 施工步驟示意表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表位移分析

在縱向(TBM掘進(jìn)方向)3 m處是兩樁的中間部分,靠近樁的部位支護(hù)較弱,提取此截面上的地表沉降進(jìn)行分析,位移曲線如圖3所示。

圖3 縱向3 m處地表沉降曲線

由圖3可以看出,TBM開挖后并未產(chǎn)生較大的地表沉降。隨著隧道基坑的開挖逐漸加大,拆除管片的工序6、工序7并沒產(chǎn)生較大的地表沉降,最大地表沉降為2.05 mm,符合本工程設(shè)計(jì)要求中(以下簡稱設(shè)計(jì)要求)地表沉降最大25 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 樁頂位移分析

由于對(duì)稱性,可選擇左側(cè)一排的樁進(jìn)行分析。左側(cè)一共3根樁,按縱向深度分別命名為樁位1、樁位2、樁位3,并將樁頂位移值匯于表3。

表3 樁頂位移表

由表3可以看出,隨著施工工序的進(jìn)行,各樁頂?shù)呢Q向位移與水平位移均逐漸增大,開挖與支護(hù)完成后,水平位移中1號(hào)樁較大,3號(hào)樁較小;豎向位移中3號(hào)樁較大,1號(hào)樁較小;最大水平位移為13.04 mm,最大豎向位移為1.89 mm, 滿足設(shè)計(jì)要求中拱頂水平位移25 mm,豎向位移10 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 噴錨支護(hù)坡頂位移分析

由于對(duì)稱性,可選擇左側(cè)的噴錨支護(hù)坡頂進(jìn)行分析,取縱向3 m、6 m處截面的坡頂位移值,見表4所示。

表4 坡頂位移表

由表4可以看出,隨著施工工序的進(jìn)行,2個(gè)截面的噴錨支護(hù)的坡頂水平位移、豎向位移相差不大;并且隨著基坑的開挖,水平位移與豎向位移逐漸加大,最大的水平位移為13.57 mm,最大豎向位移1.77 mm。

3.4 坑底回彈分析

取3 m截面處與6 m截面處各工序的基坑底的位移,在工序6、工序7中由于正在拆除管片,故基坑底的長較短,回彈曲線如圖4所示。

圖4 坑底回彈曲線

由圖4可以看出,兩個(gè)截面處的坑底回彈是一致的,坑底的回彈在工序3安裝第一道錨索時(shí)達(dá)到最大值,最大值為7.68 mm,隨著施工工序的進(jìn)行,坑底回彈沒有出現(xiàn)規(guī)律性,在拆除管片的工序6、工序7沒有對(duì)坑底回彈產(chǎn)生較大的影響,最大值滿足設(shè)計(jì)要求中坑底回彈的控制標(biāo)準(zhǔn)25 mm。

3.5 錨索軸力安全性分析

根據(jù)對(duì)稱性,選擇左側(cè)錨索的最大軸力進(jìn)行分析。提取每一層錨索在不同工序下的最大軸力,繪制軸力曲線如圖5所示。

圖5 錨索最大軸力曲線

由圖5可以看出,隨著基坑開挖的進(jìn)行,錨索最大的軸力逐漸上升,第一層錨索與第二層錨索的最大軸力相同,后面安裝的錨索最大軸力逐漸降低,最大軸力310 kN,小于設(shè)計(jì)要求中錨索軸力控制值400 kN。

3.6 管片位移分析

取左側(cè)管片的位移進(jìn)行分析。在工序6拆除拱頂,工序7拆除兩側(cè)邊墻,管片位移見表5所示。

表5 管片變形表

由表5可以看出,隨著施工工序的進(jìn)行,工序2在打下樁基后管片拱頂位移、仰拱位移基本沒變化,凈空收斂擴(kuò)張略微增加。隨著施工工序的進(jìn)行,拱頂上浮量、仰拱上浮量、凈空收斂量逐漸增加,最大的拱頂上浮2.34 mm,最大仰拱上浮3.51 mm,最大凈空收斂0.58 mm,該工程要求管片的變形控制在4 mm內(nèi),以上數(shù)值均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.7 管片應(yīng)力分析

管片的材料為C50混凝土,其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為23.10 MPa,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.89 MPa。提取左側(cè)管片的主應(yīng)力的最大值(最大拉應(yīng)力)和主應(yīng)力的最小值(最大壓應(yīng)力)進(jìn)行分析,見表6所示。

表6 管片應(yīng)力最值表

由表6可以看出,在打樁基后管片最大拉應(yīng)力沒有變化。隨著車站基坑的開挖,管片最大拉應(yīng)力逐漸上升,在第三層錨索安裝后管片最大拉應(yīng)力達(dá)到最大值2.088 MPa,位于左側(cè)管片的右邊墻處和右側(cè)管片的左邊墻處,超過了管片的抗拉強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值,管片可能被拉裂;在拆除管片時(shí)拉應(yīng)力較大,可能會(huì)導(dǎo)致管片拆除困難,拆除管片危險(xiǎn)性較大,管片拆除后最大拉應(yīng)力逐漸降低。隨著施工開挖的進(jìn)行,最大壓應(yīng)力逐漸減小,未超過管片的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

3.8 管片安全系數(shù)分析

取左側(cè)管片的內(nèi)力計(jì)算管片的安全系數(shù)并進(jìn)行分析,在工序6拆除拱頂,工序7拆除兩側(cè)邊墻,管片安全系數(shù)見表7所示。

表7 最小安全系數(shù)

由表7可以看出,左右邊墻的安全系數(shù)變化不明顯,一直處于較低的值。拱頂?shù)淖钚“踩禂?shù),在工序2打樁后略微降低,工序3打第一層錨索后升高,工序4打第二層錨索后降低,工序5打第三層錨索后略微升高;仰拱的最小安全系數(shù),在工序2打樁、工序3打第一層錨索后幾乎沒有變化,然后隨著基坑開挖的進(jìn)行逐漸降低。安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在左邊墻和右邊墻,最小值為3.4,與TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中砌體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)限值2.4相比較,該管片滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

1)地表最大沉降為2.05 mm;支護(hù)結(jié)構(gòu)中,樁頂?shù)淖畲笏轿灰茷?3.04 mm,最大豎向位移為1.89 mm;錨噴支護(hù)坡頂?shù)淖畲笏轿灰茷?3.57 mm,最大豎向位移1.77 mm;坑底的回彈最大值為7.68 mm;錨索最大軸力為310 kN。

2)管片結(jié)構(gòu)中,拱頂最大上浮2.34 mm,仰拱最大上浮3.51 mm,最大凈空收斂0.58 mm;管片最大拉應(yīng)力為2.088 MPa,最大壓應(yīng)力為-2.428 MPa;安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在邊墻處,最小值為3.4。以上位移值、內(nèi)力值均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文以重慶人和站先隧后站施工方法為研究對(duì)象,綜合論述了該方法的安全性,此方法應(yīng)用于實(shí)際工程中將在提高施工效率的同時(shí)保證隧道的穩(wěn)定性,為今后類似的TBM掘進(jìn)過站施工提供參考。