建筑物下礦山法地鐵隧道盾構(gòu)接收關(guān)鍵技術(shù)研究

胡瑞青

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043; 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展和城市化進(jìn)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(yùn)量交通運(yùn)輸工具在緩解城市交通擁堵方面起著至關(guān)重要的作用[1]。然而,隨著地鐵線網(wǎng)的不斷發(fā)展完善,地鐵新線建設(shè)環(huán)境日趨復(fù)雜,諸如周邊建構(gòu)筑物(市政下穿隧道、既有地鐵車站及住宅建筑等)基坑圍護(hù)樁或錨索侵入地鐵隧道范圍的情況已屢見(jiàn)不鮮,考慮盾構(gòu)機(jī)磨樁或開(kāi)艙截樁困難,且當(dāng)圍巖條件較差或上軟下硬復(fù)合地層條件下磨樁施工對(duì)地層擾動(dòng)較大,極易引起地表過(guò)大變形甚至塌陷,而盾構(gòu)機(jī)穿越錨索群時(shí)錨索鋼絞線纏繞刀盤(pán),掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)扭矩增大、掘進(jìn)速度降低且開(kāi)艙換刀頻率較高[2],因此,實(shí)際工程中考慮侵限樁或侵限錨索數(shù)量及破除長(zhǎng)度、施工工期、工程風(fēng)險(xiǎn)、交通疏解及工程造價(jià)等因素,通常設(shè)置明挖豎井截?cái)嗲窒迾?侵限錨索采用穿心式千斤頂或套管鉆機(jī)拔除然后盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)的處置方案[3-7],而受征地拆遷、地下管線遷改、交通導(dǎo)改等條件制約,加之豎井+穿心式千斤頂或套管鉆機(jī)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(gòu)空推通過(guò)的處置方案。

針對(duì)礦山法隧道清障盾構(gòu)機(jī)洞內(nèi)接收空推的技術(shù)方案,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了廣泛而深入的研究,結(jié)合北京地鐵14號(hào)線工程案例,論述了盾構(gòu)到達(dá)井設(shè)置困難的情況下,設(shè)置暗挖段擴(kuò)大端接收室,盾構(gòu)機(jī)接收拆解后通過(guò)暗挖標(biāo)準(zhǔn)段倒運(yùn)至車站吊出的施工工藝;李光山以廣深港客運(yùn)專線益田路隧道為例,針對(duì)超大直徑泥水盾構(gòu)礦山法隧道接收及空推施工中的重難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析并提出了有效的解決措施;喬水旺針對(duì)大直徑泥水平衡盾構(gòu)洞內(nèi)接收過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種風(fēng)險(xiǎn),從接收加固、止水等方面提出了相關(guān)技術(shù)保障措施。

然而,建筑物下礦山法隧道盾構(gòu)接收的關(guān)鍵技術(shù)研究鮮有報(bào)道,以成都地鐵5號(hào)線科園站—九興大道站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)洞內(nèi)接收工程為背景,針對(duì)盾構(gòu)接收端無(wú)地面注漿加固及井點(diǎn)降水條件、盾構(gòu)接收段超小凈距下穿建筑物等諸多技術(shù)難題進(jìn)行研究,運(yùn)用有限元方法分析研究建筑物下盾構(gòu)機(jī)洞內(nèi)接收的沉降變形規(guī)律,并輔以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段驗(yàn)證,以期為后續(xù)類似工程提供有益借鑒。

1 工程概況

成都地鐵5號(hào)線科園站—九興大道站區(qū)間為地下區(qū)間,穿越國(guó)家電網(wǎng)成都供電公司南郊110 kV變電站(混凝土3F,柱下獨(dú)立基礎(chǔ))及生產(chǎn)輔助辦公用房(混凝土12F/-2F),生產(chǎn)輔助辦公用房為框架剪力墻結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ),地下室基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用錨拉樁支護(hù),基坑豎向設(shè)置2道型鋼腰梁,樁間打設(shè)錨索,錨索為4束φS15.2 mm鋼絞線,長(zhǎng)度14.0 m,傾角20°,部分圍護(hù)樁及錨索侵入?yún)^(qū)間結(jié)構(gòu),基坑圍護(hù)樁和錨索侵入地鐵隧道長(zhǎng)度分別約4.2 m和5.3 m,為避免征地拆遷工作,同時(shí)減少對(duì)周圍環(huán)境的粉塵污染和噪聲影響,科園站至變電站生產(chǎn)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(nèi)涉及精密儀器,對(duì)地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)振動(dòng)等較為敏感,為減小地表及建筑物沉降,礦山法隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用初期支護(hù)+不拆撐施作二次襯砌+拆撐后施作三次襯砌的復(fù)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(zhì)黏土、細(xì)砂、稍密卵石、中密卵石、密實(shí)卵石、強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥巖,地鐵區(qū)間隧道與變電站平、剖面位置關(guān)系分別如圖1、圖2所示。

圖1 地鐵區(qū)間隧道與變電站平面位置關(guān)系Fig.1 Relationship between the metro tunnel and the substation

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

根據(jù)全線工籌,本區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)至科園站小里程端礦山法隧道,進(jìn)行洞內(nèi)接收,后空推至車站解體吊出。

2 礦山法隧道盾構(gòu)接收施工方法

2.1 盾構(gòu)接收地層加固措施

盾構(gòu)洞內(nèi)接收端頭處位于國(guó)家電網(wǎng)成都供電公司南郊110 kV變電站用地范圍,地面無(wú)袖閥管注漿加固場(chǎng)地條件,且盾構(gòu)接收段正上方為變電站生產(chǎn)輔助辦公用房,豎向凈距僅2.4 m,考慮盾構(gòu)接收時(shí)往往欠壓掘進(jìn),對(duì)砂卵石地層擾動(dòng)較大且超方嚴(yán)重,極易引起建筑物過(guò)大變形甚至開(kāi)裂。

由于地表高層建筑物的限制,礦山法隧道施工時(shí),地面無(wú)注漿加固及井點(diǎn)降水條件,為避免地表及建筑物變形過(guò)大,礦山法隧道開(kāi)挖至端頭墻時(shí)應(yīng)及時(shí)噴射早強(qiáng)混凝土封閉掌子面(預(yù)埋管棚導(dǎo)向管),端頭墻上預(yù)留注漿孔,對(duì)堵頭墻前方土體注漿加固及止水,隨后打設(shè)大管棚并壓注M10砂漿(盾構(gòu)隧道與地下室底板夾土層較薄,無(wú)法形成有效土拱,需進(jìn)行超前預(yù)支護(hù))。待端頭墻大管棚打設(shè)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(shè)置封堵墻,頂部預(yù)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(yù)留3個(gè)注漿孔,利用其對(duì)端頭墻內(nèi)砂漿未填充密實(shí)區(qū)域進(jìn)行注漿填充,待盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入接收段時(shí)以正常掘進(jìn)參數(shù)掘進(jìn),避免地層損失及地層擾動(dòng)過(guò)大,端頭墻配筋及礦山法隧道砂漿體盾構(gòu)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(gòu)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(nèi)降水方案

盾構(gòu)洞內(nèi)接收端頭墻處位于變電站用地范圍,地面無(wú)管井降水場(chǎng)地條件,為防止盾尾后方來(lái)水,確保盾構(gòu)接收無(wú)水條件,提出礦山法地鐵隧道洞內(nèi)設(shè)置潛埋井降水,反坡排水至站端沉淀池[11]。

2.2.1 預(yù)留降水用井口及拱架加固

當(dāng)開(kāi)挖掌子面有水滲入時(shí),距離掌子面2 m范圍內(nèi)割除2榀型鋼鋼架,鋼架割除長(zhǎng)度1.2 m,割除后鋼架兩頭分別用同等型號(hào)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(wěn)定,井口尺寸≮1.2 m×1.2 m,預(yù)留井口及拱架加固如圖5所示。

圖5 預(yù)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(wěn)定后,井口設(shè)置水泵抽干基底積水,人工向下開(kāi)挖至降水井井深,下放無(wú)砂混凝土管過(guò)濾器,過(guò)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(shè)時(shí)保證平整,洞內(nèi)潛埋井如圖6所示。

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

2.2.3 洞內(nèi)降水沉井回填

因礦山法隧道初支與二襯未鋪設(shè)防水層,施作二襯仰拱前把初支斷開(kāi)鋼架按原設(shè)計(jì)連接,二襯施作時(shí)預(yù)留潛埋井管線孔洞,鋼筋預(yù)留接駁器。二襯施作完成待盾構(gòu)機(jī)空推出洞后施作三襯,施作三襯仰拱時(shí)預(yù)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(qiáng)度達(dá)到要求后用水泥砂漿回填管井。

2.3 盾構(gòu)接收管片拼裝控制

由于盾構(gòu)接收時(shí)千斤頂推力變小,導(dǎo)致端頭墻附近的管片環(huán)與環(huán)之間連接不夠緊密,管片背部注漿不密實(shí),管片易下沉導(dǎo)致接縫密封墊錯(cuò)茬擠壓產(chǎn)生滲漏水、管片錯(cuò)臺(tái)甚至破損等質(zhì)量缺陷問(wèn)題,因此,要做好接收前30環(huán)管片的螺栓緊固和復(fù)緊工作,螺栓復(fù)緊后,用[10型鋼沿隧道縱向拉緊管片環(huán),使管片環(huán)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(diǎn)位主要為隧道中線以上9點(diǎn)、10點(diǎn)、1點(diǎn)和2點(diǎn)位,洞口處管片環(huán)縱向拉緊聯(lián)系如圖7所示。

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

3 礦山法隧道盾構(gòu)接收沉降數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX建立三維有限元模型對(duì)建筑物下礦山法地鐵隧道盾構(gòu)接收的沉降變形規(guī)律進(jìn)行分析研究,數(shù)值模型橫向?qū)挾葂取160 m,縱向?qū)挾葃取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(duì)位置關(guān)系如圖9所示,礦山法隧道盾構(gòu)接收洞口如圖10所示。大管棚采用植入式梁?jiǎn)卧M,盾構(gòu)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(chǔ)等采用3D實(shí)體單元模擬,靜力計(jì)算分析時(shí)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(duì)位置關(guān)系Fig.9 Relative positional relationship between buildings and subway tunnel space

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

3.2 計(jì)算參數(shù)

盾構(gòu)管片、礦山法復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)、建筑物板墻、回填砂漿體及獨(dú)立基礎(chǔ)等采用線彈性本構(gòu)模型,土體采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,考慮盾構(gòu)法和礦山法施工的時(shí)間效應(yīng),開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程荷載釋放率分別取30%和70%[15-16],土層和結(jié)構(gòu)的基本物理力學(xué)參數(shù)分別如表1、表2所示。

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

表2 結(jié)構(gòu)基本物理力學(xué)參數(shù)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(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》盾構(gòu)隧道軸線上方地表應(yīng)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),且盾構(gòu)接收段應(yīng)適當(dāng)加密,考慮盾構(gòu)接收易引起地表過(guò)大變形甚至塌陷,應(yīng)有地表沉降橫向監(jiān)測(cè)斷面;盾構(gòu)接收段小凈距下穿變電站辦公用房,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高,建筑物外墻轉(zhuǎn)角及沿外墻每10 m處應(yīng)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[19],地表及建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。

圖11 地表及建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(gòu)接收采用超前大管棚+兩道端頭墻+回填砂漿體+洞內(nèi)潛埋井降水方案,地表及建筑物沉降歷時(shí)曲線如圖12～圖15所示(施工步序通過(guò)有限元程序提供的“激活”與“鈍化”功能模擬盾構(gòu)掘進(jìn)及管片拼裝[20-21],開(kāi)挖進(jìn)尺與施工現(xiàn)場(chǎng)單日累計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)),盾構(gòu)接收段地表沉降極值為3.81 mm,位于盾構(gòu)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(gòu)機(jī)刀盤(pán)距礦山法隧道端頭墻約35 m范圍掘進(jìn)施工對(duì)地表沉降影響顯著,施工期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制。

圖12 右線盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降歷時(shí)曲線(數(shù)值模擬)Fig.12 Predicted surface settlement duration curve of shield tunneling on the right line

圖13 左線盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降歷時(shí)曲線(數(shù)值模擬)Fig.13 Predicted surface settlement duration curve of shield tunneling on the left line

圖14 右線盾構(gòu)掘進(jìn)建筑物沉降歷時(shí)曲線(數(shù)值模擬)Fig.14 Predicted buildings settlement duration curve of shield tunneling on the right line

圖15 左線盾構(gòu)掘進(jìn)建筑物沉降歷時(shí)曲線(數(shù)值模擬)Fig.15 Predicted building settlement duration curve of shield tunneling on the left line

盾構(gòu)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(gòu)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(gòu)接收沉降施工監(jiān)測(cè)

礦山法地鐵隧道盾構(gòu)接收地表及建筑物沉降歷時(shí)曲線如圖16～圖19所示,盾構(gòu)接收段地表沉降極值為2.91 mm,位于盾構(gòu)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(gòu)掘進(jìn)地表沉降歷時(shí)曲線(實(shí)測(cè))Fig.16 Measured surface settlement duration curve of shield tunneling on the right line

圖17 左線盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降歷時(shí)曲線(實(shí)測(cè))Fig.17 Measured surface settlement duration curve of shield tunneling on the left line

圖18 右線盾構(gòu)掘進(jìn)建筑物沉降歷時(shí)曲線(實(shí)測(cè))Fig.18 Measured buildings settlement duration curve of shield tunneling on the right line

圖19 左線盾構(gòu)掘進(jìn)建筑物沉降歷時(shí)曲線(實(shí)測(cè))Fig.19 Measured building settlement duration curve of shield tunneling on the left line

盾構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合,因此,基于超前大管棚+兩道端頭墻+洞內(nèi)回填砂漿體+洞內(nèi)潛埋井降水方案可確保盾構(gòu)安全接收。

5 結(jié)論及建議

以成都地鐵5號(hào)線科園站—九興大道站區(qū)間建筑物下礦山法隧道盾構(gòu)接收工程為背景,運(yùn)用有限元程序分析研究洞內(nèi)盾構(gòu)接收地表及建筑物沉降變形規(guī)律,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段驗(yàn)證,主要結(jié)論如下。

(1)建筑物下常規(guī)礦山法地鐵隧道盾構(gòu)接收無(wú)地面注漿加固及井點(diǎn)降水條件,提出超前大管棚+兩道端頭墻+洞內(nèi)回填砂漿體+洞內(nèi)潛埋井降水的盾構(gòu)接收方案,通過(guò)數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段,技術(shù)方案合理可行,可為后續(xù)類似工程提供借鑒。

(2)建筑物下礦山法地鐵隧道盾構(gòu)接收采用基于洞內(nèi)回填砂漿體及潛埋井降水的盾構(gòu)接收方案,數(shù)值分析表明,盾構(gòu)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(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表沉降影響顯著,施工期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè);盾構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本吻合。

(3)盾構(gòu)機(jī)中盾進(jìn)入砂漿體后,建議利用徑向注漿孔向盾體外注聚氨酯,及時(shí)填充開(kāi)挖輪廓與盾體間的環(huán)形構(gòu)造空隙,防止涌水涌砂引起地表及建筑物過(guò)大變形甚至開(kāi)裂。

(4)礦山法隧道洞內(nèi)盾構(gòu)接收時(shí),為避免盾尾后方來(lái)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(huán)施作止水環(huán)。