西安地鐵3號(hào)線車站暗挖出入口通道負(fù)距離下穿自來(lái)水閥門(mén)井方案設(shè)計(jì)*

文保軍 侯莉娜 菅士良

(1.中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，710054，西安；2.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，710021，西安∥第一作者，高級(jí)工程師)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通大規(guī)模發(fā)展，不可避免地出現(xiàn)了地鐵隧道以及地下車站的暗挖通道與市政水電管線交叉穿越的情況。目前，對(duì)于此類情況，設(shè)計(jì)中主要采取管線遷改、增加暗挖通道埋置深度、小距離下穿通過(guò)等措施進(jìn)行處理。但對(duì)于施工中遇到的新管線，或當(dāng)管線實(shí)際標(biāo)高與圖紙出現(xiàn)偏差時(shí)，如何低風(fēng)險(xiǎn)、低成本地解決問(wèn)題是城市軌道交通在目前發(fā)展中遇到的新難題。

當(dāng)管線侵入暗挖通道時(shí)，常用的處理措施有換拱法以及將暗挖通道斷面由弧形拱頂改為直線形拱頂[1]。但換拱法在既有支護(hù)拆除及回填過(guò)程中，存在非常大的施工風(fēng)險(xiǎn)；而改為直線型拱頂?shù)姆椒ㄓ譄o(wú)法在隧道上方形成有效的拱效應(yīng)，進(jìn)而容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不合理和施工風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。除此之外，該方法還需調(diào)整線路或通道坡度[1]。現(xiàn)有案例多針對(duì)暗挖通道施工時(shí)，分析管線下方保持一定距離的穿越問(wèn)題，對(duì)零距離或負(fù)距離(已侵入結(jié)構(gòu))下穿管線的問(wèn)題涉及較少。

本文以西安地鐵3號(hào)線某站暗出入口挖通道負(fù)距離下穿自來(lái)水閥門(mén)井的結(jié)構(gòu)侵占問(wèn)題為切入點(diǎn)，對(duì)暗挖通道及閥門(mén)井施工現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并以給水管沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，對(duì)暗挖通道的斷面形式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬驗(yàn)算，提出暗挖通道下穿閥門(mén)井施工工法的設(shè)計(jì)思路及方案。本文研究可為類似地鐵工程施工中，解決突發(fā)性管線侵限問(wèn)題提供參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

西安地鐵3號(hào)線延興門(mén)站共設(shè)置5個(gè)出入口及2個(gè)風(fēng)亭，其Ⅳ號(hào)通道共設(shè)3段暗挖通道(A、B、C通道)、4個(gè)明挖基坑(1～4號(hào)基坑)、1個(gè)消防通道以及2個(gè)風(fēng)亭。結(jié)構(gòu)底板最大埋深15 m左右，通道總長(zhǎng)約為308 m。車站Ⅳ號(hào)出入口暗挖通道從Y型節(jié)點(diǎn)明挖段結(jié)構(gòu)進(jìn)洞向車站方向開(kāi)挖，設(shè)計(jì)采用CD(中隔壁)工法。在1號(hào)導(dǎo)洞開(kāi)挖至18.0 m處遇混凝土結(jié)構(gòu)，侵入結(jié)構(gòu)凈空尺寸約為500 mm，影響隧道施工。結(jié)合管線資料及現(xiàn)場(chǎng)地面情況調(diào)查，同時(shí)經(jīng)產(chǎn)權(quán)單位確認(rèn)，此混凝土結(jié)構(gòu)為JS DN 2 200 mm(JS為給水管)自來(lái)水閥門(mén)井基礎(chǔ)，此閥門(mén)井為東南二環(huán)自來(lái)水的控制樞紐，無(wú)遷改和停止供水的可能。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知：

1) 車站Ⅳ號(hào)通道上方JS DN 2 200 mm實(shí)際標(biāo)高較原設(shè)計(jì)標(biāo)高低0.600 mm，導(dǎo)致通道暗挖段初支與管線較近；

2) 車站Ⅳ號(hào)暗挖通道上方WS DN 1 000 mm(WS為活水管)、JS DN 600 mm及PS DN 1 200 mm(PS為排水管)等管線與暗挖通道平面相交，但豎向距離較遠(yuǎn)，對(duì)本工程影響較小；

3) 車站Ⅳ號(hào)通道的主通道上方存在一處給水管檢修閥門(mén)井，閥門(mén)井內(nèi)凈空尺寸為4.0 m×4.5 m×4.1 m，檢修閥門(mén)井基礎(chǔ)部分侵入Ⅳ號(hào)通道主通道510～610 mm，如圖1所示。

圖1 延興門(mén)站Ⅳ號(hào)通道 DN 2200 mm給水管及閥門(mén)井分布情況

Ⅳ號(hào)暗挖通道1號(hào)導(dǎo)洞開(kāi)挖至16.5 m處時(shí)，發(fā)現(xiàn)給水管閥門(mén)井基礎(chǔ)侵入結(jié)構(gòu)問(wèn)題，致使通道無(wú)法繼續(xù)施工。同時(shí)，由于暗挖通道初期支護(hù)無(wú)法閉合成環(huán)，導(dǎo)致支護(hù)鋼架結(jié)構(gòu)變形持續(xù)發(fā)展，且未有趨于穩(wěn)定的跡象。此外，暗挖通道施工還面臨以下問(wèn)題：①暗挖通道部分導(dǎo)洞已施工，現(xiàn)階段無(wú)法改變路徑；②地鐵3號(hào)線已全面進(jìn)入安裝裝修階段，后續(xù)安裝工程時(shí)間緊迫；③給水管一旦漏水，巨大的水壓力可迅速填充已開(kāi)挖通道，并反灌至地鐵車站和區(qū)間。

1.2 暗挖通道及閥門(mén)井施工現(xiàn)狀

1.2.1 暗挖通道施工現(xiàn)狀

Ⅳ號(hào)出入口部分通道采用淺埋暗挖法施工。暗挖段采用CD法施工，如圖2所示。

圖2 暗挖通道施工步序圖Fig.2 Construction steps of underground-excavated passage

JS DN 2200 mm給水管橫跨Ⅳ號(hào)出入口，埋深為5.4 m，管底距結(jié)構(gòu)頂面310 mm。閥門(mén)井為4.0 m×4.5 m×4.1 m混凝土結(jié)構(gòu)，呈東南-西北走向；JS DN 400 mm給水管從JS DN 2 000 mm主管道接出，走向西南向，管底與JS DN 2 200 mm結(jié)水管齊平, 如圖3所示。

圖3 暗挖通道與給水管及閥門(mén)井關(guān)系

1.2.2 閥門(mén)井施工現(xiàn)狀

JS DN 2 200 mm給水管閥門(mén)井地面埋深約為4.5 m，閥門(mén)井為鋼筋混凝土+蓋板形式，閥門(mén)井內(nèi)為給水管節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)處設(shè)置伸縮補(bǔ)償器。暗挖通道在施工過(guò)程中，閥門(mén)井基礎(chǔ)侵入暗挖通道拱頂。

2 暗挖通道下穿自來(lái)水閥門(mén)井方案設(shè)計(jì)控制目標(biāo)

根據(jù)DBJ 61-98—2015《西安城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》、CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，以及國(guó)內(nèi)外其他資料調(diào)查結(jié)果，參考已建地鐵穿越類似市政管線和沉降實(shí)測(cè)資料[2-4]，確定JS DN 2 200 mm給水管沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

1) JS DN 2 200 mm給水管：允許沉降控制值≤20 mm，差異沉降控制值≤ 0.25%Lg(Lg為管節(jié)長(zhǎng)度)，變形速率控制值≤2 mm/d，施工前應(yīng)與產(chǎn)權(quán)單位確認(rèn)。

2) 檢修閥門(mén)井：由于檢修閥門(mén)井內(nèi)為JS DN 2 200 mm給水管接口，兩節(jié)管線間通過(guò)伸縮補(bǔ)償器適應(yīng)變形。在節(jié)點(diǎn)處允許沉降控制值≤5 mm，差異沉降控制值≤0.1%Lg，變形速率控制值≤1 mm/d，施工前應(yīng)與產(chǎn)權(quán)單位確認(rèn)。

3 暗挖通道下穿自來(lái)水閥門(mén)井方案設(shè)計(jì)

3.1 暗挖通道斷面形式方案設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)方案

為減小換拱帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)，提出在暗挖通道拱頂中心增加一平直段的斷面形式，如圖4所示，這樣既增寬了斷面又避免了已施工通道換拱，通道截面亦對(duì)稱。

圖4 通道拱頂增加平直段Fig.4 Straight section added to the passage vault

3.1.2 數(shù)值分析

建立拱頂增加平直段的暗挖通道結(jié)構(gòu)有限元模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)初期支護(hù)、二襯內(nèi)力及變形計(jì)算，結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，暗挖通道拱頂增加平直段受力合理，可滿足結(jié)構(gòu)承載力和變形的要求，同時(shí)所提方案也符合施工現(xiàn)狀。

圖5 初期支護(hù)內(nèi)力及變形仿真模擬結(jié)果

3.2 暗挖通道內(nèi)施工工法方案設(shè)計(jì)

3.2.1 施工工法方案設(shè)計(jì)思路

暗挖通道在下穿檢修閥門(mén)井段的開(kāi)挖工法由CD法改為雙側(cè)壁法施工，如圖7所示[1]。由于拱頂下壓空間有限，為保證暗挖通道起拱效果，拱部格柵鋼架高度由350 mm漸變?yōu)?50 mm，拱部格柵鋼架主筋設(shè)置附加鋼筋，超前支護(hù)盡量打設(shè)；施工中二襯不拆除豎撐，在豎撐中焊接水平鋼板作為止水環(huán)，豎撐直接埋置于二襯中，待二襯混凝土凝固后割除多余豎撐。

3.2.2 施工工法方案

1) 調(diào)整開(kāi)挖工法：為保證管道使用安全，暗挖通道下穿管道、閥門(mén)井段開(kāi)挖工法由CD法調(diào)整為雙側(cè)壁法。相比于CD法，雙側(cè)壁法增加一道臨時(shí)支撐，減小一次開(kāi)挖面積與臨空面，可最大限度保證不對(duì)閥門(mén)井基礎(chǔ)產(chǎn)生擾動(dòng)。

圖6 二襯內(nèi)力及變形仿真模擬結(jié)果

圖7 通道內(nèi)雙側(cè)壁法施工Fig.7 Double side wall construction method in passage

2) 加強(qiáng)超前支護(hù)：暗挖通道施工時(shí)，按照設(shè)計(jì)施工雙排超前小導(dǎo)管，使小導(dǎo)管在拱部開(kāi)挖范圍外側(cè)形成棚洞結(jié)構(gòu)，降低開(kāi)挖施工對(duì)開(kāi)挖范圍以外土體的擾動(dòng)。超前小導(dǎo)管內(nèi)壓注水泥砂漿，以增強(qiáng)小導(dǎo)管剛度。

3) 控制開(kāi)挖進(jìn)尺、鋼架密排：格柵鋼架在穿過(guò)自來(lái)水管道段時(shí)采取密排通過(guò)。控制開(kāi)挖進(jìn)尺，每循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)50 cm。開(kāi)挖完成后及時(shí)安裝初期支護(hù)格柵鋼架，噴錨支護(hù)。

4) 支護(hù)背后注漿回填：初期支護(hù)完成封閉后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)背后注漿，控制好注漿壓力(不超過(guò)0.3 MPa)，確保初期支護(hù)與土層間密實(shí)，進(jìn)一步減小土層沉降的可能性。

3.3 閥門(mén)井加固和監(jiān)測(cè)措施

為確保暗挖通道在施工期間上部給水管及閥門(mén)井安全，經(jīng)研究決定在施工期間將閥門(mén)井蓋板掀開(kāi)，以便于對(duì)給水管及閥門(mén)井采取加固和監(jiān)測(cè)措施。主要措施如下：

1) 沿JS DN 2200 mm給水管周邊，在閥門(mén)井側(cè)壁鉆孔，使給水管在閥門(mén)井側(cè)壁處由原先的剛接改為柔性連接，從而避免了閥門(mén)井發(fā)生沉降變形時(shí)，帶動(dòng)給水管變形造成破壞。

2) 在閥門(mén)井接口處進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，并安排專人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視。當(dāng)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)處滲漏水時(shí)，及時(shí)進(jìn)行落實(shí)緊固，防止漏水。

4 方案設(shè)計(jì)效果分析

從2016年7月初—2016年8月中旬，車站Ⅳ號(hào)通道暗挖段按照所提方案進(jìn)行暗挖通道下穿自來(lái)水閥門(mén)井施工，施工過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)自來(lái)水泄露和變形超標(biāo)的情況，隧道內(nèi)變形監(jiān)測(cè)也滿足設(shè)計(jì)要求，施工順利完成，并于2016年8月底完成地面閥門(mén)井回填施工，同時(shí)恢復(fù)路面交通。在施工期間，給水管的最大沉降為4 mm，差異沉降控制值小于等于0.25%Lg，為1 mm，滿足設(shè)定目標(biāo)。施工期間檢修閥門(mén)井最大沉降為5 mm，差異沉降控制值小于等于0.1%Lg，為2mm，滿足設(shè)定目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)暗挖通道及閥門(mén)井施工現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，提出對(duì)暗挖通道的斷面形式進(jìn)行設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，同時(shí)對(duì)暗挖通道及閥門(mén)井施工工法進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，研究結(jié)果表明：

1) 按照所提方案進(jìn)行暗挖通道下穿自來(lái)水閥門(mén)井施工，未發(fā)現(xiàn)自來(lái)水泄露和變形超標(biāo)的情況，隧道內(nèi)變形監(jiān)測(cè)滿足設(shè)計(jì)要求；給水管及閥門(mén)井變形均達(dá)到方案設(shè)定目標(biāo)。

2) 所提出的在拱頂增設(shè)水平段的方法，保持了拱頂弧形的主體形狀，使其受力保持較為合理的狀態(tài)；在隧道內(nèi)導(dǎo)洞已經(jīng)施工的情況下，避免了換拱等情況的發(fā)生，大大減小了施工風(fēng)險(xiǎn)。

3) 所提設(shè)計(jì)和施工方案有效、便捷、系統(tǒng)，可使現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題得到快速解決，可為類似施工方案提供借鑒與參考。