盾構(gòu)穿越地鐵車(chē)站外延障礙物清除工藝分析

夏 鑫，林 剛，宋同偉，劉軼群

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610031)

隨著我國(guó)城市軌道交通的迅速發(fā)展,各大城市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)逐步成型,換乘節(jié)點(diǎn)數(shù)量逐步增加,新建線(xiàn)路盾構(gòu)機(jī)面臨始發(fā)、接收段下穿既有站的情況愈發(fā)多見(jiàn)[1-4]。通常既有車(chē)站為遠(yuǎn)期線(xiàn)路預(yù)留下穿廊道,但在實(shí)際工程中,往往存在因外力導(dǎo)致原預(yù)留廊道無(wú)法使用,存在既有車(chē)站的圍護(hù)樁、抗拔樁、格構(gòu)柱阻礙盾構(gòu)正常掘進(jìn)的問(wèn)題。本文結(jié)合某城市盾構(gòu)穿越橋-站合建運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站工程案例,對(duì)既有車(chē)站基礎(chǔ)外延障礙物清除工藝研究與分析。

1 工程概況

某城市新建地鐵盾構(gòu)區(qū)間采用Φ8 620 mm盾構(gòu)機(jī),因小里程端車(chē)站場(chǎng)地受限,盾構(gòu)機(jī)計(jì)劃由大里程向小里程方向掘進(jìn),盾構(gòu)始發(fā)后不足20 m立即開(kāi)始下穿既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站,既有車(chē)站為市政高架橋—地鐵合建車(chē)站。新建區(qū)間隧道與既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

受外部因素導(dǎo)致既有車(chē)站原預(yù)留下穿廊道無(wú)法使用,區(qū)間隧道被迫調(diào)整線(xiàn)路平面,調(diào)整后區(qū)間隧道與既有車(chē)站底板凈距僅有2.2 m;右線(xiàn)隧道于車(chē)站端頭處側(cè)穿市政匝道樁基礎(chǔ),凈距約0.8 m;左右線(xiàn)隧道凈空范圍內(nèi)各存在10根Φ1 200鋼筋混凝土車(chē)站圍護(hù)樁以及2根Φ800格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)。若考慮避讓障礙物,則線(xiàn)路需下壓至少6 m,進(jìn)而導(dǎo)致盾構(gòu)始發(fā)端車(chē)站投資大幅增加以及功能受損,因此基于原線(xiàn)路縱坡進(jìn)行方案研究。

為保證盾構(gòu)機(jī)下穿順利且不影響既有車(chē)站的運(yùn)營(yíng),需提前清除隧道凈空范圍內(nèi)的車(chē)站基礎(chǔ)外延障礙物。

2 既有清障方案分析

根據(jù)本區(qū)間實(shí)際情況,結(jié)合類(lèi)似工程思路,對(duì)幾種常規(guī)清障方案進(jìn)行分析[5-18]。

2.1 盾構(gòu)磨樁結(jié)合開(kāi)倉(cāng)人工清障方案

對(duì)于車(chē)站主體兩側(cè)的鋼筋混凝土圍護(hù)樁,盾構(gòu)采用小推力、低轉(zhuǎn)速工況對(duì)刀盤(pán)凈空范圍內(nèi)部分進(jìn)行切削處理;而對(duì)于車(chē)站下方的格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)則采用“盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)+人工破除”措施。基于本區(qū)間實(shí)際情況,此方案存在以下缺點(diǎn)：

1)障礙物位于盾構(gòu)始發(fā)區(qū)段,采用盾構(gòu)破除車(chē)站圍護(hù)樁,可能造成刀盤(pán)、刀具損耗過(guò)大甚至于損壞,為后續(xù)近2 km的掘進(jìn)留下隱患。

2)格構(gòu)柱樁位于既有運(yùn)營(yíng)車(chē)站底板下方,不具備地層預(yù)注漿加固條件;若采用常壓開(kāi)倉(cāng),因區(qū)間隧道位于巖土分界面,地下水水量較大,且受既有車(chē)站影響,降水條件受限,常壓開(kāi)倉(cāng)風(fēng)險(xiǎn)極高;若采用帶壓開(kāi)倉(cāng),因障礙物規(guī)模大、數(shù)量多,需經(jīng)歷數(shù)次停機(jī)、建壓、開(kāi)倉(cāng)、啟機(jī)的過(guò)程,不僅工效極低而且多次建壓的過(guò)程中可能對(duì)既有站結(jié)構(gòu)造成影響。

3)下穿段位于復(fù)合地層,盾構(gòu)施工控制難度相對(duì)較高,掘進(jìn)過(guò)程中容易因超挖引起車(chē)站基底持力層局部塌空,進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)站結(jié)構(gòu)破壞。

2.2 馬蹄形復(fù)合襯砌礦山法隧道清障方案

采用馬蹄形礦山法復(fù)合襯砌輔以超前大管棚,按CRD法或預(yù)留核心土+環(huán)形短臺(tái)階法等工法開(kāi)挖隧道,破除障礙物后施作防水層、二襯作為盾構(gòu)始發(fā)盲洞,盾構(gòu)機(jī)于盲洞端頭始發(fā)?；诒緟^(qū)間實(shí)際情況,此方案存在以下風(fēng)險(xiǎn)：

1)本方案隧道襯砌侵入市政橋匝道樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)范圍,需在隧道實(shí)施前暫停市政橋運(yùn)營(yíng)并對(duì)橋樁進(jìn)行托換,投資較大且具備一定的社會(huì)影響。

2)隧道與既有車(chē)站底板間夾土僅0.7 m,基本不具備超前大管棚施工空間,開(kāi)挖過(guò)程中夾土體更加難以保存,極易導(dǎo)致車(chē)站基底持力層局部塌空,進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)站結(jié)構(gòu)破壞。馬蹄形礦山法隧道(復(fù)合襯砌)斷面見(jiàn)圖3。

2.3 馬蹄形噴錨襯砌礦山法隧道清障方案

在上一方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,取消二襯以削減隧道凈空面積,采用馬蹄形礦山法噴錨襯砌(見(jiàn)圖4),避讓既有市政橋樁;清障后可選擇盾構(gòu)空推+拼裝管片通過(guò)或隧道回填低標(biāo)號(hào)素混凝土后盾構(gòu)正常掘進(jìn)通過(guò)兩種方案?；诒緟^(qū)間實(shí)際情況,此方案存在以下缺點(diǎn)：

1)若采取盾構(gòu)空推+拼裝管片通過(guò)方案,空推過(guò)程中,管片易產(chǎn)生管片錯(cuò)臺(tái)、破損等問(wèn)題,工程質(zhì)量管控難度大;且管片與噴錨襯砌間需吹填豆粒石注漿填充,實(shí)際施工過(guò)程中容易發(fā)生竄漿等問(wèn)題,導(dǎo)致管片壁后回填不密實(shí),存在空洞,導(dǎo)致遠(yuǎn)期沉降;嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致盾體、盾尾被漿液包裹,影響后續(xù)正常掘進(jìn)。

2)若選擇隧道回填低標(biāo)號(hào)素混凝土后盾構(gòu)正常掘進(jìn)通過(guò)方案,可有效解決盾構(gòu)下穿復(fù)合地層的問(wèn)題,且保證管片拼裝質(zhì)量,但所需素混凝土回填量較大,投資增加較多。

3)本方案隧道襯砌與既有站底板最小豎向凈距約1.5 m,與樁基礎(chǔ)最小平面凈距約1 m,右線(xiàn)礦山法隧道與市政橋匝道樁基礎(chǔ)凈距8 cm。隧道與車(chē)站底板夾土體較薄,隧道開(kāi)挖過(guò)程中,可能發(fā)生局部車(chē)站基底持力層局部塌空,進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)站結(jié)構(gòu)破壞。

3 本工程清障工藝研究

1)因盾構(gòu)磨樁+人工破除清障方案風(fēng)險(xiǎn)極高,故不適宜采取。

2)受限于周邊既有建構(gòu)筑物的空間限制,不宜采用復(fù)合式襯砌礦山法隧道清障方案。

3)此類(lèi)工程宜采用噴錨襯砌礦山法隧道清障方案配合“回填素混凝土后盾構(gòu)正常掘進(jìn)通過(guò)”,但其回填量較大,方案經(jīng)濟(jì)性較差。

4)基于新建隧道與既有車(chē)站的空間關(guān)系,在開(kāi)挖過(guò)程中勢(shì)必存在局部夾土體松散塌落的情況。因此本方案必須保證夾土體坍塌范圍在車(chē)站結(jié)構(gòu)可承受范圍內(nèi),避免車(chē)站結(jié)構(gòu)受損,尤其既有車(chē)站為橋-站合建運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站,其結(jié)構(gòu)體系較常規(guī)車(chē)站更為復(fù)雜,社會(huì)影響面更為廣泛,一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞,其后果將是難以承受的。

通過(guò)優(yōu)化噴錨襯砌礦山法隧道清障方案,提出半圓形礦山法隧道(噴錨襯砌)清障方案(見(jiàn)圖5),即采用半圓形噴錨襯砌輔以超前大管棚措施施作礦山法隧道清障后,回填低標(biāo)號(hào)素混凝土,盾構(gòu)掘進(jìn)下穿既有車(chē)站。該可大幅節(jié)約開(kāi)挖與回填工程量,同時(shí)顯著縮短工期,但應(yīng)保證夾土體坍塌范圍滿(mǎn)足車(chē)站結(jié)構(gòu)承載能力。

4 有限元模擬及分析

4.1 計(jì)算方法

新建隧道下穿應(yīng)重點(diǎn)控制沿隧道橫向持力層塌空范圍,通過(guò)控制單次橫向開(kāi)挖寬度,降低圍巖變形幅度,進(jìn)而控制單次開(kāi)挖時(shí)塌落夾土體范圍。由于本隧道毛洞寬不足10 m,為保證工程的可實(shí)施性,按隧道采用全斷面開(kāi)挖以及CD法開(kāi)挖方式進(jìn)行有限元模擬,研究不同單次開(kāi)挖寬度下新建礦山法隧道施工對(duì)既有車(chē)站基底持力層夾土體的影響[19-21]。

因有限元計(jì)算原理無(wú)法模擬離散體的松散坍塌工況,選取最不利工況,不考慮實(shí)際施工中注漿回填等措施效果,假定Peck公式沉降曲線(xiàn)反彎點(diǎn)范圍(即沉降槽寬度系數(shù)i范圍)內(nèi)所有夾土體在開(kāi)挖期間全部塌落。沉降槽橫向分布圖見(jiàn)圖6。

本文采用Midas GTS NX有限元軟件,建立3D地層-結(jié)構(gòu)模型分別模擬全寬度開(kāi)挖以及兩導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)既有車(chē)站基底持力層的沉降曲線(xiàn),根據(jù)Peck公式沉降曲線(xiàn)原理,得到各工況下既有車(chē)站基底地層最大沉降槽寬度系數(shù)i,再代入車(chē)站3D結(jié)構(gòu)-荷載模型,計(jì)算不同開(kāi)挖工況下的車(chē)站結(jié)構(gòu)受力,確定隧道開(kāi)挖工法?；?D地層-結(jié)構(gòu)模型按擬定開(kāi)挖工法實(shí)際施工步驟進(jìn)行計(jì)算模擬,預(yù)測(cè)既有車(chē)站沉降,驗(yàn)證清障方案合理性。

4.2 模型材料參數(shù)

有限元模型相關(guān)材料參數(shù)詳見(jiàn)表1—表3。

表1 巖土材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)既有車(chē)站設(shè)計(jì)及地勘資料,其基底持力層為密實(shí)卵石土層,豎向基床系數(shù)為70 MPa/m,側(cè)墻范圍土體水平向基床系數(shù)加權(quán)平均值為51 MPa/m,巖土側(cè)壓力系數(shù)加權(quán)平均值為0.31。礦山法隧道下穿期間降水至隧道底部,根據(jù)地區(qū)卵石地層降水特性,視車(chē)站主體結(jié)構(gòu)不受地下水作用。

表3 橋梁荷載

4.3 結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)模型及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7—圖12。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果擬合,全斷面開(kāi)挖時(shí)車(chē)站基底持力層最大沉降槽寬度系數(shù)i約為6.21 m,開(kāi)挖時(shí)車(chē)站基底持力層橫向塌空寬度為12.42 m,約為1.25B;CD法開(kāi)挖時(shí)車(chē)站基底持力層最大沉降槽寬度系數(shù)i為3.35 m,即認(rèn)為開(kāi)挖時(shí)車(chē)站基底持力層橫向塌空寬度為6.7 m,約為0.67B。

將上述數(shù)據(jù)分別代入車(chē)站3D結(jié)構(gòu)-荷載模型模擬兩種工況下的車(chē)站受力情況并核算各結(jié)構(gòu)構(gòu)件(見(jiàn)圖13—圖17)。

根據(jù)既有車(chē)站設(shè)計(jì)資料驗(yàn)算,全斷面開(kāi)挖工況下,車(chē)站底縱梁基本組合彎矩達(dá)到了22 558 kN·m,遠(yuǎn)超其設(shè)計(jì)可承受的最大基本組合彎矩16 400 kN·m;而CD法開(kāi)挖工況下既有車(chē)站各構(gòu)件受力均在其設(shè)計(jì)可承受范圍內(nèi)。因此初步擬定半圓形礦山法隧道(噴錨襯砌)清障方案采用CD法開(kāi)挖,然后建立3D地層-結(jié)構(gòu)模型按實(shí)際CD法施工步驟,模擬左右線(xiàn)礦山法隧道下穿既有車(chē)站,完成隧道開(kāi)挖支護(hù)后,既有車(chē)站最大沉降約7.1 mm(見(jiàn)圖18),滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工與監(jiān)測(cè)情況

2021年9月—2021年11月,施工承包商按半圓形礦山法隧道(噴錨襯砌)清障方案,采取左線(xiàn)左導(dǎo)洞→左線(xiàn)右導(dǎo)洞→右線(xiàn)右導(dǎo)洞→右線(xiàn)左的施工順序,完成礦山法隧道開(kāi)挖與支護(hù)作業(yè)。

期間施工承包商按相關(guān)規(guī)范及既有車(chē)站業(yè)主管理文件要求,對(duì)既有車(chē)站采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè),涵蓋軌行區(qū)道床、側(cè)墻豎向、橫向、縱向位移等項(xiàng)目。截止礦山隧道施工完成,對(duì)既有車(chē)站的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均未超過(guò)預(yù)警值(見(jiàn)表4)。

表4 變形沉降控制指標(biāo)

選取隧道軸線(xiàn)位置對(duì)應(yīng)的既有車(chē)站側(cè)墻、軌行區(qū)測(cè)點(diǎn)豎向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖見(jiàn)圖19。

結(jié)果如圖20所示,其中最大豎向沉降出現(xiàn)在左右線(xiàn)的2號(hào)測(cè)點(diǎn)處,均為-5.82 mm,其次為1號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn),最小豎向沉降出現(xiàn)均為4號(hào)測(cè)點(diǎn),與3D地層-結(jié)構(gòu)模型所體現(xiàn)的車(chē)站位移趨勢(shì)一致。

2022年3月,本區(qū)間兩臺(tái)盾構(gòu)均在清障回填后平穩(wěn)下穿既有車(chē)站。下穿期間既有車(chē)站監(jiān)測(cè)情況平穩(wěn)無(wú)異常且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍未超過(guò)預(yù)警值,礦山法隧道噴錨襯砌與超前大管棚在盾構(gòu)下穿期間,起到了較好的隔離效果;通過(guò)礦山法隧道回填低標(biāo)號(hào)混凝土,將地層由上軟下硬人為修正成了均一性良好的地層,有效規(guī)避了盾構(gòu)在復(fù)合地層中下穿既有車(chē)站的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

本文結(jié)合某城市盾構(gòu)穿越橋-站合建運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站工程案例,對(duì)既有車(chē)站基礎(chǔ)外延障礙物清除工藝研究與分析。通過(guò)對(duì)既有方案的總結(jié)、理論分析、有限元模擬,提出CD法開(kāi)挖半圓形礦山法隧道(噴錨襯砌)清障工藝,并通過(guò)實(shí)際工程的驗(yàn)證,自身具備風(fēng)險(xiǎn)可控、施工效率高、投資較低等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)還可作為后續(xù)盾構(gòu)下穿的重要保護(hù)措施,對(duì)類(lèi)似工程具有十分重要的借鑒意義。