重疊盾構(gòu)隧道施工中輪式液壓臺車支撐方案應(yīng)用

王 林 王社江 王 飛 孫鐵成

(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，050043，石家莊∥第一作者，工程師)

0 引言

隨著城市地下工程的發(fā)展，在地鐵工程建設(shè)中出現(xiàn)重疊隧道將不可避免。隧道施工過程也是地層應(yīng)力重新分布的動(dòng)態(tài)過程，上下重疊隧道因?qū)Φ貙訑_動(dòng)的不可控因素多而使其施工力學(xué)復(fù)雜，并且在其施工過程中對周圍環(huán)境影響較大[1-4]。在此類隧道掘進(jìn)過程中，影響建筑物安全的關(guān)鍵是針對隧道及周圍土體變形的精確控制。

針對重疊隧道施工順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及地表沉降變形的影響，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法，分析了位于砂卵石地層的成都地鐵 2號線重疊盾構(gòu)隧道的力學(xué)行為。文獻(xiàn)[6]采用三維彈塑性本構(gòu)，利用通用有限元軟件建立了上海軌道交通3號線二期工程上、下行線近距離交疊區(qū)間隧道模型，模擬了 “先下后上”的盾構(gòu)推進(jìn)施工過程，得到交疊隧道土層位移以及地表沉降曲面在盾構(gòu)推進(jìn)中的發(fā)展變化規(guī)律。文獻(xiàn)[7]針對重疊隧道的不同施工順序及不同推進(jìn)速度，基于室內(nèi)模型試驗(yàn)研究分析了新建隧道掘進(jìn)施工對先建隧道縱向變位和附加內(nèi)力的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[8]為了研究重疊隧道的開挖順序、空間位置關(guān)系、超前深孔注漿厚度等因素對地表變形特征的影響，依托北京地鐵盾構(gòu)隧道工程，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法開展了諸多研究工作，并取得了具有工程指導(dǎo)意義的結(jié)論。為有效控制重疊盾構(gòu)隧道工程的地表沉降、隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移及其彎矩，目前的研究結(jié)果均表明“先下后上”開挖方式優(yōu)于“先上后下”的開挖方式[9-15]。

上述文獻(xiàn)研究均在先建隧道得到有效加固和支撐為假設(shè)的基礎(chǔ)上展開，如果先建隧道脫離該假設(shè)，所得研究成果將極大削弱對實(shí)際工程的指導(dǎo)意義。對先建隧道進(jìn)行有效的加固和支撐是研究重疊隧道力學(xué)和變形狀態(tài)的關(guān)鍵。本文以蘇州軌道交通3號線婁江大道站至跨陽路站盾構(gòu)區(qū)間(以下簡稱“婁跨區(qū)間”)重疊隧道為依托，對重疊隧道不同支撐體系方案進(jìn)行分析比選，并進(jìn)一步對輪式液壓臺車支撐效果進(jìn)行了深入分析，可為富水粉砂地層重疊隧道的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

蘇州軌道交通3號線婁跨區(qū)間位于蘇州市工業(yè)園區(qū)，區(qū)間隧道穿越婁江快速路星港街立交、滬寧城際鐵路及京滬普速鐵路等，采用盾構(gòu)法施工。由于部分區(qū)段受制于橋梁、周邊構(gòu)筑物樁基的影響，且跨陽路站為3號線和8號線疊島式換乘站，因此在該區(qū)間局部段落采用了上下重疊的隧道布置方式。

1.1 隧道基本情況

婁跨區(qū)間右線起點(diǎn)里程為DK32+965.567，終點(diǎn)里程為DK34+271.305，含短鏈0.810 m，右線隧道長1 305.921 m；左線起點(diǎn)里程為 DK32+965.567，終點(diǎn)里程為DK34+271.305，長鏈47.642 m、短鏈0.810 m，左線隧道長1 353.570 m。區(qū)間隧道縱坡呈V型，最大坡度26.377‰，最小坡度3.508‰。隧道埋深10.0～20.6 m。重疊段右線隧道DK34+139.911—DK34+271.305，長度131.4 m，區(qū)間線路水平間距0.1～6.2 m，豎向凈距2.0～4.8 m，為小間距重疊隧道。

盾構(gòu)隧道管片外徑為6 200 mm，內(nèi)徑為5 500 mm，寬度為1 200 mm，每環(huán)由6塊管片構(gòu)成，錯(cuò)縫拼裝，襯砌環(huán)采用右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)直線的組合形式。

1.2 工程地質(zhì)

婁跨區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)土層是以軟塑狀為主的④1粉質(zhì)黏土層、④2粉砂夾粉土層、⑤1粉質(zhì)黏土層、⑥1黏土層以及⑥2粉質(zhì)黏土層，微承壓水水頭標(biāo)高2.31 m。婁跨區(qū)間隧道位置如圖1所示。

圖1 婁跨區(qū)間隧道位置示意Fig.1 Indication of Lou-Kua interval tunnel position

1.3 周邊環(huán)境

婁跨區(qū)間沿線主要下穿滬寧普速鐵路路基及滬寧城際高鐵蘇州東1號橋，下穿35 kV高壓鋼管塔及北新建材公司片區(qū)廠房。工程區(qū)間沿線道路地下管線密集，包括給水、雨水、污水、天然氣、電力電纜、路燈和通信等多種管線。

2 重疊隧道施工臨時(shí)支撐體系方案比選

根據(jù)理論分析和以往數(shù)值模擬分析結(jié)論，重疊隧道在施工階段所面臨的主要矛盾是：在上行隧道施工過程中，如何減小盾體對下行隧道安全的影響。通過在下行隧道內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)而保證重疊隧道中下行隧道的安全。該臨時(shí)支撐體系需滿足以下要求：保證下行隧道安全承受因上行隧道施工而產(chǎn)生的環(huán)間剪力作用；提高下行盾構(gòu)隧道縱向剛度，有效控制下行隧道因上行隧道施工產(chǎn)生的變形；保證下行隧道一定范圍內(nèi)的支撐力。

根據(jù)對臨時(shí)支撐體系的要求，研究人員設(shè)計(jì)出諸多支撐方案。本文對臨時(shí)支撐體系方案進(jìn)行比較分析。

2.1 十字支撐方案

十字支撐的構(gòu)件包括鋼環(huán)、十字鋼支撐和4根縱向工字鋼。十字支撐位于管片環(huán)縫處，縱向鋼支撐分別在隧道的3點(diǎn)位、6點(diǎn)位、9點(diǎn)位和12點(diǎn)位沿隧道縱向布置，構(gòu)件間采用螺栓連接，形成整體支撐體系，如圖2所示。

圖2 十字支撐方案示意圖Fig.2 Diagram of cross supporting scheme

2.2 滿堂支架支撐方案

滿堂支架支撐方案主要由鋼管支架和鋼橫梁組成，具體形式如圖3所示。

圖3 滿堂支架支撐方案示意圖Fig.3 Diagram of full-hall supporting scheme

2.3 井字形支撐方案

井字形支撐方案參考了穿行式隧道模板臺車的結(jié)構(gòu)原理。但井字支撐體系操作復(fù)雜，工序較多，且支撐向前倒運(yùn)的過程中存在卸力的問題，不能滿足持續(xù)支撐的要求。該方案具體形式如圖4所示。

圖4 井字形支撐方案示意Fig.4 Diagram of grillage supporting scheme

2.4 門字型支撐方案

門型支撐由工字鋼組成，為保證施工方便，鋼支架考慮分段加工，接頭采用M24螺栓連接；縱向鋼支架(每榀)間采用螺栓連接。該方案基本結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 門式支撐方案示意圖Fig.5 Diagram of store supporting scheme

2.5 輪式液壓臺車支撐方案

輪式液壓臺車由4節(jié)臺車組成，相鄰臺車間采用銷軸連接。每節(jié)臺車在隧道縱向方向每間隔750 mm設(shè)一道支撐，該支撐由5個(gè)輪式支撐組成(分別位于1點(diǎn)位、3點(diǎn)位、9點(diǎn)位、11點(diǎn)位和12點(diǎn)位)，具體形式如圖6所示。臺車在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下可沿軌道行進(jìn)，4節(jié)臺車長度保證了隧道縱向一定范圍內(nèi)的支撐力。

圖6 輪式液壓臺車支撐方案示意圖

2.6 方案對比分析

表1為重疊隧道施工中下行隧道支撐方案比較表。

表1 重疊隧道施工中下行隧道支撐方案比較表

經(jīng)過綜合比選，婁跨區(qū)間重疊段下行隧道支撐擬采用輪式液壓臺車支撐方案。

3 輪式液壓臺車支撐方案設(shè)計(jì)及布置

3.1 臺車支撐系統(tǒng)組成

輪式液壓支撐分為4節(jié)，每節(jié)5 m，臺車總長20 m。臺車間設(shè)置頂推油缸，每個(gè)臺車設(shè)置4個(gè)支撐斷面。該斷面有5個(gè)支撐輪組，分別位于斷面的1點(diǎn)位、3點(diǎn)位、9點(diǎn)位、11點(diǎn)位和12點(diǎn)位。每個(gè)輪組包括2個(gè)聚氨酯橡膠鋼芯輪，由液壓油缸提供支撐力，最大可承受32 t的支撐力。橡膠鋼芯輪與管片接觸時(shí)，由于橡膠的存在可以有效減小管片在支撐過程中的局部受力，從而管片得到最大程度的保護(hù)。

3.2 臺車支撐布置

輪胎支撐臺車組裝、調(diào)試完成后進(jìn)行準(zhǔn)確定位。定位原則：支撐臺車前端超出上部隧道刀盤前方5 m，支撐臺車后方超出上部盾構(gòu)機(jī)盾尾5 m，就位完畢后根據(jù)荷載計(jì)算油缸壓力，調(diào)整各組油缸壓力，并根據(jù)實(shí)際情況不斷修正。

3.3 臺車支撐特點(diǎn)

1) 對盾構(gòu)管片施加預(yù)頂力，保證支撐體系與管片緊密貼合，可避免因管片間相互錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的剪力對管片造成影響。

2) 可利用盾構(gòu)施工運(yùn)輸軌道自行行走，其移動(dòng)速度可控制在0～50 mm/min。能夠?qū)崿F(xiàn)與后施工隧道盾構(gòu)機(jī)同步前進(jìn)。

3) 在下行隧道影響范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)支撐不卸力，在長距離重疊隧道的施工過程中為其提供連續(xù)支撐力。

4) 提高下行盾構(gòu)管片整體縱向剛度，減小下行隧道豎向變形。

4 輪式液壓臺車支撐方案施工工藝

輪式液壓臺車可利用盾構(gòu)電瓶車軌道進(jìn)行移動(dòng)，軌距中心970 mm，每節(jié)臺車組裝后利用電瓶車運(yùn)送至指定區(qū)域，待4節(jié)臺車到達(dá)指定區(qū)域后安裝，形成輪式液壓臺車。

上部盾構(gòu)機(jī)到達(dá)重疊段前，根據(jù)里程，在下行隧道盾構(gòu)管片4點(diǎn)位和8點(diǎn)位位置標(biāo)注里程，每隔1.2 m標(biāo)注一次，同時(shí)對全體作業(yè)人員做好技術(shù)交底工作。待臺車調(diào)試完成后，定位臺車位置。在上部盾構(gòu)掘進(jìn)半環(huán)或停機(jī)運(yùn)輸渣土的時(shí)間內(nèi)，輪式液壓臺車無卸載頂推移動(dòng)。每次移動(dòng)距離為0.6 m或1.2 m。

上行隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，下行隧道管片結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)失穩(wěn)、管片變形過大、螺栓松動(dòng)或受力過大等問題，須保證臺車在無卸載支撐條件下頂推前進(jìn)。頂推時(shí)，若支撐輪遇到管片輕微錯(cuò)臺則會(huì)引起臺車行走阻力增大，但由于支撐輪是聚氨酯橡膠鋼芯輪結(jié)構(gòu)，可以通過其外圍輕微變形，減少因錯(cuò)臺而增加的阻力。同時(shí)，為了防止因阻力而導(dǎo)致的臺車向后移動(dòng)，結(jié)合實(shí)際情況，在臺車行走輪和軌道間塞入木楔。

5 重疊段隧道施工質(zhì)量監(jiān)測分析

為保障盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中已建隧道的安全，在下行隧道區(qū)間監(jiān)測范圍內(nèi)布設(shè)20個(gè)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測斷面。斷面間距為5環(huán)6 m，每個(gè)斷面布設(shè)4個(gè)迷你棱鏡結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點(diǎn)。其中，拱底設(shè)置1個(gè)棱鏡，拱腰設(shè)置2個(gè)棱鏡，拱頂設(shè)置1個(gè)棱鏡。重疊段隧道掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)要嚴(yán)格按照已制定的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)掘進(jìn)。在重疊段，平均每天掘進(jìn)5環(huán)，共計(jì)20天順利完成重疊段隧道施工。部分測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)隧道重疊段變形及收斂變化趨勢Fig.7 Deformation of overlapping section of shield tunnel and convergence trend

隧道拱頂最大沉降累積變形為8.2 mm，拱底最大沉降累積變形為7.6 mm，最大水平收斂累積值為-9.2 mm，最大垂直收斂累積值為-8.6 mm，均小于設(shè)計(jì)規(guī)定的控制值±10 mm。盾構(gòu)隧道重疊段管片拼裝質(zhì)量良好，沒有發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。管片環(huán)向錯(cuò)臺5 mm，縱向錯(cuò)臺7 mm，滿足盾構(gòu)管片施工相關(guān)規(guī)范要求。該段盾構(gòu)段隧道軸線偏差及地表沉降曲線如圖8所示，其中地表沉降最大值為20 mm。

圖8 重疊段盾構(gòu)隧道軸線偏差及地表沉降曲線

6 結(jié)語

輪式液壓臺車支撐體系可保證重疊盾構(gòu)隧道上行隧道施工時(shí)下行隧道管片的安全。該臺車可保證上行隧道施工過程中對下行隧道連續(xù)不間斷的支撐。不卸載的頂推移動(dòng)可保證臺車與上行隧道盾構(gòu)同步前進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)施效果與監(jiān)測結(jié)果可知，該支撐方式保證了下方隧道管片的安全，解決了其他支撐方案安裝及倒運(yùn)存在的問題。該方案可縮短施工工期，保證安全施工，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

液壓臺車為裝配式結(jié)構(gòu)，在地面拼裝每節(jié)臺車，采用龍門吊下井，通過電瓶車運(yùn)輸至指定位置。待4節(jié)臺車均運(yùn)輸至指定位置后拼裝，機(jī)械化程度高。相比于其它臨時(shí)支撐方案，該方案施工速度快，節(jié)省工期。

但重疊隧道輪式液壓臺車支撐系統(tǒng)屬于新型特種設(shè)備，目前無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備進(jìn)場驗(yàn)收較為困難。如果施工單位采用該種設(shè)備進(jìn)行施工，可拆分部件逐個(gè)驗(yàn)收合格，最后等設(shè)備組裝完成后，施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)廠家四方聯(lián)合驗(yàn)收合格，可認(rèn)為設(shè)備驗(yàn)收合格。

輪組變形過大后會(huì)影響到臺車的移動(dòng)，建議增加液壓臺車的應(yīng)力自動(dòng)補(bǔ)償識別系統(tǒng)，且每個(gè)輪組前后并列增設(shè)兩個(gè)帶輪的可收縮支撐油缸，實(shí)現(xiàn)液壓臺車的自動(dòng)跨越移動(dòng)。