地鐵疊層隧道中盾構機始發井設計要點分析

吳敏敏，劉先行

(1．中電建路橋集團有限公司，北京 100048; 2．中國電建集團國際工程有限公司，北京 100036)

0 引言

地鐵為解決大城市的交通擁堵、居民綠色出行提供了有效的解決方案。為更貼近居民的出行，地鐵隧道往往穿行于城市繁華區域或居民區，地面地下環境日益復雜，涉及到城市生活的方方面面。盾構機始發井是盾構機掘進前現場拼裝和初始掘進的工作間，在設計時既要考慮空間布置、圍護結構、防滲處理等方面的技術可行性，還要考慮建設成本和物料運輸等方面的經濟合理性。以新加坡某地鐵疊層隧道中盾構機始發井為例，對疊層隧道的始發井支護及洞門設計要點進行了介紹，為城市軌道交通中同類始發井的方案設計提供借鑒。

1 工程概況

新加坡某地鐵隧道工程位于繁華市中心的交叉路口處，屬于新加坡市中心最繁華地段——烏節路和使館區，周圍有外交部和澳大利亞、美國、中國等多個國家駐新加坡大使館，地理位置非常敏感。工程主要包括一處地下車站(含兩個出入口) 和兩條長約750 m 的疊層隧道及聯絡通道等。根據施工安排，兩條隧道共用一臺泥水盾構施工，在底層隧道掘進完成后，通過對回收的盾構機進行二次組裝，再完成上層隧道的掘進工作。

2 始發井設計

2．1 始發井總體布置與設計

隧道始發井布置原屬于東陵鄉村俱樂部的綠地上，該場地因地鐵建設需要被政府臨時征用，工程完工后再恢復植被。隧道始發井布置于東陵山的小山坡上，北側緊鄰車站，南側與外交部連接市內道路的人行走廊和澳大利亞大使館主樓相鄰。同時，原穿過車站位置的市政水管和電纜也改遷至始發井外側，現場情況十分復雜。由于局部地勢陡峭，地表線與設計基準線上下高程差超過10 m，為滿足規范對變形控制的要求，邊坡采用了多排連續樁進行支護后逐層開挖的方式，邊坡支護橫斷面如圖1 所示。

圖1 始發井邊坡支護橫斷面

考慮盾構尺寸和安裝始發操作空間的要求，始發井平面凈空為21 m×15 m;同時為滿足疊層隧道的空間布置要求，基坑開挖深度達32 m。基坑開挖按順作法施工，采用逐層支護開挖的方式，地面層水平支撐S1 達到80%設計強度后，開始開挖作業，至第二層水平支撐設計高程下0．5 m，及時安裝該層水平支撐;循序開挖至臨時底板高程，澆筑混凝土臨時底板。從上至下共設置6 層水平支撐，考慮混凝土支撐的經濟性和鋼支撐的易拆除性及盾構安裝始發的空間要求，采用混凝土支撐與鋼支撐相結合的方式，其中混凝土水平支撐4 層，分別為S1，S2，S4，S5，鋼支撐2 層，分別為S3，S6。

在水平支撐設計中充分考慮了基坑開挖和盾構機安裝作業工序及永久結構施工的因素，在復雜的施工作業工序中尋找最優的設計組合。在基坑混凝土臨時底板澆筑后，拆除S6 鋼支撐，為下層隧道掘進前盾構機安裝準備和初始掘進工作提供足夠空間。下層隧道掘進完成后，將盾構機在隧道內解體拆除，運回地面進行二次組裝。在盾構機于地面二次組裝期間，先后破除少量S5，S4 水平支撐與永久結構沖突部分，澆筑永久結構混凝土至RL93．82 高程，即上層隧道永久結構底板，將該底板作為上層隧道掘進前盾構機安裝和始發的操作平臺; 拆除S3 鋼支撐，下吊重組后的盾構機，再次進行盾構機的安裝準備工作。支護樁、水平支撐及永久結構典型橫斷面如圖2 所示。

圖2 支護樁、水平支撐與永久結構橫斷面

2．2 支護結構設計

始發井屬于地下結構，設計的難點是基坑支護結構。一般情況下，采用混凝土地下連續墻(簡稱地連墻) 或鉆孔灌注樁(簡稱灌注樁) 結合水平橫撐的方式。地連墻自20 世紀50 年代作為防滲結構應用于水庫大壩中，隨著施工機械的發展，技術進步很快; 由于結構受力的需要和水平多軸銑槽機的研制成功，出現了超厚(3．2 m)和超深(超過170 m) 的地連墻。灌注樁最早于1893 年工程師們借鑒了掘井技術發明了在人工挖孔中澆筑鋼筋混凝土而成樁，解決了高層建筑地質沉降過大的問題;時至今日，鉆孔灌注樁的孔徑已發展到了2．5 m 以上，也出現了超大直徑(3 m 以上) 、超深(超過100 m)的專業旋挖機械設備。灌注樁對地質條件適應性強，施工速度快; 地下連續墻施工技術要求高，連續墻之間的接頭質量較難控制。在比較了地連墻和灌注樁的施工工藝特點后，本工程選擇了連續樁作為基坑的擋墻支護結構。

2．2．1土體力學參數

地質勘探資料顯示，隧道及始發井區域地質條件為武吉知馬花崗巖構造，表層堆積填土厚度不到1 m，其下為原狀的全風化土以及強風化和微風化花崗巖。設計中使用的土體地質力學參數的確定采用了適度保守的原則，由業主在合同條款中規定，如表1 所示。

表1 土體地質力學參數

2．2．2荷載

結構分析中需要考慮的荷載有自重、土壓力、水壓力和地面附加荷載等。地面附加荷載主要有交通荷載、施工附加荷載等。交通荷載根據BD37-01 英國橋梁荷載規范確定，施工附加荷載依據新加坡陸路交通局土木工程設計準則、CP65(1999) 新加坡混凝土規范、BS5950-1(2000) 英國鋼結構規范以及BS8002(1994) 英國擋土結構規范確定。

土壓力采用摩爾庫侖公式，水壓力按地下水位高程與樁冠梁頂高程一致考慮。

始發井設計中一般還需考慮吊裝TBM 產生的附加荷載，因其自重和起重設備的噸位均較大，不可忽略; 但若將該類附加荷載直接作用于始發井的支護結構上，會大大增加支護的尺寸，且往往會產生偏載。因此，本工程在TBM 吊機的混凝土筏板基礎下另施打了20 根12 m長的工字鋼樁，使其成為獨立的受力系統。

2．2．3連續樁結構穩定計算

根據新加坡建設局及陸路交通局設計要求，支護結構最小剛度(EI) 為2．85 ×106kN·m2/m，擋墻撓度變形必須在0．5%H以內。連續樁結構穩定計算參考陸交局土木設計準則16．7．2 中最小安全系數計算方法，最小安全系數不小于1．0。計算公式如下:

其中，PP為被動側的總作用力;PA1為最低支撐點A以下主動側總作用力;I1，I2分別為PP，PA1相對于最低支撐點A的力臂長度;MS為最低支撐點擋墻的彎矩承載力。

同時考慮地下水繞樁尖滲流，防止基坑底隆起和突涌; 通過計算分析，單樁安全長度為46． 5 m，深入基坑底板下方14． 7 m，方能滿足基坑總體穩定的要求。根據剛度要求，灌注樁直徑為1．3 m，各樁之間間隔10 cm。

2．2．4灌注樁和水平支撐設計

在設計中分別選取典型橫斷面和縱斷面(沿隧道方向) 建立二維有限元數值模型。其中水平邊界距離始發井支護樁80 m，底部邊界距離底板開挖面40 m; 采用三角形15 節點單元，進行了有限元數值模擬分析。

土體模擬采用摩爾庫侖模型，力學參數見表1。混凝土彈性模量2．84 ×107kN/m2，泊松比0．15。鋼結構彈性模量2 ×108kN/m2。

對始發井自上而下的開挖、施作水平支撐和自下而上澆筑混凝土永久結構、拆除水平支撐進行了全過程的模擬，并考慮了S3 支撐失效的偶然工況，得出連續樁最大撓度、最大彎矩和最大剪應力如表2 所示，撓度變形控制在0．5%H以內。根據所得內力進行樁的具體配筋計算。

表2 連續樁最大彎矩和剪應力

根據有限元計算同時得出各水平支撐在各施工階段的受力情況，其最大值匯總如表3 所示。

表3 各水平支撐的受力情況

根據水平支撐所受力并考慮自重，分別對支撐進行尺寸和配筋(混凝土支撐) 設計，最后確定S1 寬2．5 m，厚度0．5 m;S2 和S4 寬2．5 m，厚度1 m;S5 寬2．5 m，厚度1．4 m，S3 及S6 鋼支撐參數如表4 所示。

表4 S3 及S6 鋼支撐參數

2．3 防滲設計

由于始發井外側緊鄰外交部和澳大利亞駐新加坡大使館主樓，為保護既有建筑不發生沉降、變形等破壞，始發井外側要求保持原有地下水位; 而連續樁因樁與樁之間存在10 cm 的間隔，防滲能力差，為減少基坑開挖時發生涌水的不利風險，需在間隔處進行灌漿封閉，一般可采用TAM 管灌漿(TAM) 或高壓噴射灌漿(JGP) ; 另外也可在已成型的素混凝土連續樁(軟樁) 間隔處再次鉆孔澆筑鋼筋混凝土樁(硬樁) ，從而使連續樁之間充分咬合成為整體，提高防滲性能，也稱咬合樁。從實踐經驗來看，連續樁由于施工過程中樁心的偏離及垂直度不好等施工工藝的影響，灌漿并不能達到完全防水的效果，咬合樁在防水效果方面要優于連續樁，但施工時間較長。本工程采用了樁間高壓噴射注漿，在后期的開挖中出現了幾次樁間涌泥漏水現象，同時造成始發井外側地下水出現下降趨勢，及時采取了二次灌漿封堵和啟用回灌井保持井外地下水位的措施。

考慮經濟性和施工快捷，盡量減小始發井臨時混凝土底板的厚度，同時防止出現上拱現象，在臨時底板上設計了12 個直徑75 mm 的減壓孔，并設置集水坑收集少量上冒的地下水。在底層隧道挖掘完成后、澆筑永久建筑前進行減壓孔封堵。

2．4 洞門土體加固

洞門即始發井外側與隧道連接處，應采取加固處理措施，在掘進隧道周圍形成一段固結性土體，以降低洞門密封安裝和盾構機初始掘進時的風險。洞門土體灌漿加固主要有兩方面的目的，一方面是提高土體強度，另一方面是減小土體滲透系數，從工程措施上降低滲水和地質塌陷的風險。灌漿加固的范圍，一般在隧道左右和上下兩側各延伸3 m 左右，長度則要求不小于TBM 盾體長度，更嚴格規范要求不小于盾構機護盾長度及一環管片寬度之和。對于加固效果，一般要求從抗壓強度、滲透系數和總取芯率三個技術指標進行控制。工程實踐中，根據土體地質情況的不同，采用不同的工程方法。對于淤泥質土，可采用水泥攪拌樁的方式進行加固處理。對于其他土體，按土體強度，可分別采用高壓噴射灌漿、TAM管灌漿或裂隙灌漿等。

根據地質條件進行TBM 選型，本工程隧道掘進采用泥水平衡盾構，盾體長度為9．3 m，每環管片寬度1．4 m。因此，洞門外土體加固設計長度為11 m，加固體上下和左右兩側邊緣離隧道外側的距離均為3 m; 加固方法采用TAM 灌漿法。灌漿加固后土體要求滿足不排水抗剪強度Cu≥200 kPa 及滲透系數k≤1 ×10-8m/s。

2．5 密封環設計及安裝

洞門密封環是隧道初始掘進時防止地下水滲漏或發生管涌的裝置，安裝于始發井與隧道的銜接處，是盾構機掘進前的一項重要步驟。

洞門密封環的設計包括結構及止水設計等。洞門設計成圓頂型，密封鋼環為圓柱形，鋼環內沿設橡膠止水擋板，外沿設灌漿管。本項目隧道開挖直徑6．67 m，管片安裝后外徑6．35 m，洞門密封設計如圖3 所示。

圖3 洞門密封設計示意圖

密封環在安裝前，應先檢測加固體強度和滲透系數，質量驗證通過后，接著進行洞門的開挖和支護工作。洞門開挖分三層進行。首先鑿除第一層圍護樁，然后開挖頂層，開挖后及時進行噴混凝土支護; 接著開挖中間層，進行噴混凝土支護后開挖底層。在整體開挖完成后，沿洞周安裝鋼筋網和鋼結構支撐后進行二次噴混凝土支護。洞門開挖及支護步驟如圖4 所示。洞門成型后，將預拼好的密封環下放至始發井底，安裝就位后進行精度調整，然后澆筑混凝土。

圖4 洞門開挖及支護流程

2．6 監控量測

為了確保施工過程中的安全，設計還需涵蓋監控量測方案，具體包括14 個地面沉降標志、4 個測斜儀和2 個水壓力測點。同時給出了各測點的報警值和停工值，例如地面沉降的報警值為35 mm，停工值為50 mm;測斜儀的報警值為65 mm，停工值為95 mm。

水平支撐上同樣設置了實時測力傳感器和應變儀。S3 水平支撐受力的報警值為8 729 kN，停工值為12 470 kN;S6 水平支撐受力的報警值為5 733 kN、停工值為8 190 kN。連續墻的水平撓度報警值和停工值則根據不同的施工階段設定，此處不再贅述。

3 結語

始發井是盾構機掘進前所有準備工作的操作間和始發地，始發井設計合理與否，會對項目工期、成本產生直接和間接的影響。疊層隧道中始發井的設計既要考慮基坑施工過程中的安全、變形、穩定、防滲等要求，還要考慮對隧道永久結構的影響，這無疑增加了設計中需要考慮的因素。本文旨在拋磚引玉，以期引起同行的重視。