地鐵工程先盾后擴穿越西安地裂縫設防段 隧道擴挖方案研究*

楊萬精 高 強

(1.西安市建設工程質量安全監(jiān)督站, 710061, 西安; 2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司, 510010, 廣州∥第一作者, 高級工程師)

地裂縫是西安地區(qū)最典型的、也是最突出的不良地質現(xiàn)象之一[1]。地鐵工程穿越西安地裂縫段目前基本采用“擴大斷面,分段設縫”方案,防治理念為:按照一定的設防量提前預留額外凈空,地裂縫錯動后再調整軌道縱坡來抵消列車運行的建筑限界侵入[2-3]。

建造技術層面,地裂縫設防段基本采用“增設豎井暗挖+盾構空推”的施工方法[4],該施工方法自2006年西安首條地鐵線路(2號線)開建以來經過多次優(yōu)化,但施工復雜性等問題仍未得到完美解決[5-6]。本文依托西安地鐵15號線府君廟村站—祝村站區(qū)間(以下簡稱“府祝區(qū)間”)隧道穿越地裂縫設防段工程,介紹了一種先盾后擴的新施工方法,將“增設豎井暗挖+盾構空推”調整為“盾構直接穿越+洞內擴挖”,并提出了新施工方法的設計細節(jié);重點討論了地裂縫設防段多個盾構隧道擴挖方案的可行性及優(yōu)缺點,并給出了推薦方案,嘗試以新思路解決地鐵工程穿越地裂縫施工的相關問題。

1 工程概況

西安地鐵15號線府祝區(qū)間隧道總長1 318 m,共穿越F9和F′9兩條地裂縫帶。地勘資料揭示預估位錯量為200 mm,根據DBJ 61/T 113—2016《城市軌道交通隧道穿越地裂縫段技術規(guī)范》相關規(guī)定,盾構不能直接穿越地裂縫帶,需進行結構設防。設防段區(qū)間隧道左線長211.314 m,右線長219.037 m,原計劃采用增設豎井+CRD(交叉中隔壁)暗挖施工,設防段貫通后再盾構空推通過,該區(qū)間平面布置如圖1所示。

圖1 西安地鐵15號線府祝區(qū)間地裂縫設防段平面圖

鉆孔揭露的地表至隧道底部范圍內地層參數詳見表1。府祝區(qū)間設防段隧道拱頂埋深為15.4～17.2 m。潛水位埋深為10.50～15.50 m,實測地下水位在14.00 m左右。含水層主要位于粉質黏土層及粗砂層。

表1 擴挖段地層結構物理力學參數

府祝區(qū)間面臨的一個突出問題是設防段民房拆遷進度緩慢,無豎井施工作業(yè)條件,按照常規(guī)建造流程已不可能按時貫通。因此在該區(qū)間開展“先盾后擴”新型建造技術試點應用。

2 設防段先盾后擴施工基本流程

府祝區(qū)間地裂縫設防段先盾后擴施工流程圖如圖2所示。

圖2 先盾后擴施工流程示意圖

基本施工流程如下:

1) 旋噴樁地表加固。首環(huán)管片擴挖段采用地面三重管高壓旋噴樁加固,加固段同時作為2#聯(lián)絡通道施工位置。加固范圍為擴挖成型隧道外側、上部各3 m、下部1 m,覆蓋首環(huán)擴挖位置附近6環(huán)管片。在盾構到達28 d前完成旋噴樁施工,加固后土體無側限抗壓強度不小于0.8 MPa,滲透系數≤1.0×10-6cm/s。

2) 盾構穿越。擴挖設防段200多m盾構隧道采用通縫拼裝,封頂塊置于拱頂正中央,其余段落正常錯縫拼裝,管片環(huán)寬為1.5 m。

3) 擴挖前準備工作。①地表降水。共設43口管井進行降水,降水深度為隧底1 m以下。②洞內小導管二次加固。在首環(huán)拆除位置兩側管片上打孔,采用長度為3 m的超前小導管二次加固,外插角60°～65°,起到棚架作用。③盾構管片縱向拉緊和背后二次注漿。采用14b槽鋼拉緊與擴挖設防段兩側緊鄰的錯縫拼裝管片,拉緊范圍為10環(huán)。再在管片背后進行二次注漿,防止縱向應力損失引起營運期盾構環(huán)縫防水性能降低。

4) 擴挖作業(yè)。由于無需考慮盾構空推,擴挖斷面由9.50 m×9.57 m(寬×深)減小為7.88 m×8.02 m(寬×深)。總體擴挖方向為設防段中間位置向兩側。先開展府君廟村站方向擴挖,該側施工完成后再進行祝村站方向盾構擴挖。離開旋噴樁加固范圍后,采用長度為3 m的φ42 mm注漿小導管進行超前加固。

3 盾構隧道斷面擴挖方案分析

3.1 主要擴挖方案

3.1.1 方案一:全斷面擴挖

方案一擴挖示意圖如圖3所示。一次性拆除整環(huán)管片,擴挖至設計輪廓線,再迅速進行噴錨支護,閉合成環(huán),然后開展下環(huán)管片擴挖作業(yè)。

3.1.2 方案二:臺階+臨時仰拱法擴挖

方案二擴挖示意圖如圖4所示。首先拆除上臺階封頂塊和2個鄰接塊,環(huán)形擴挖的土體和廢管片不直接運出洞外,臨時回填形成下臺階;然后進行上臺階支護并打設鎖腳錨桿,設置臨時仰拱使上臺階閉合成環(huán);上臺階擴挖3～4環(huán)后再進行下臺階擴挖,擴挖初支閉合成環(huán)。

a) 上臺階擴挖后進行臨時回填

3.1.3 方案三:全斷面+臨時橫撐法擴挖

方案三擴挖示意圖如圖5所示。在全斷面法基礎上設置臨時橫撐,起到臨時仰拱的效果。橫撐支架可通過液壓桿伸縮并沿盾構管片上的軌道移動,橫撐固定后再進行上半環(huán)管片拆除、擴挖、噴錨支護并設置鎖腳錨桿。橫撐液壓桿收縮前移并進行下半斷面擴挖,閉合成環(huán)后開展下環(huán)管片擴挖。需要注意的是,上半斷面在前2環(huán)作業(yè)時先拆后挖,待創(chuàng)造工作面后先掏挖支護,再拆除封頂塊和鄰接塊。

a) 擴挖前設置臨時橫撐

3.1.4 方案四:全斷面+單豎撐法擴挖

方案四擴挖示意圖如圖6所示。在全斷面法基礎上設置臨時單豎撐,上半斷面擴挖并支護后,臨時豎撐先支在下半斷面管片上,豎撐由帶節(jié)點板的鋼拱架拼接而成;下半斷面擴挖時先拆掉最下端豎撐,待閉合成環(huán)后再將豎撐落在初支結構上形成整體。

a) 臨時豎撐支在下半環(huán)管片

3.1.5 方案五:全斷面+臨時橫撐+單豎撐法擴挖

方案五擴挖示意圖如圖7所示。結合方案三和方案四特點,同時設置臨時橫撐和單豎撐。上半斷面擴挖流程與方案三類似,增設的單豎撐先臨時支在下部管片上;下半斷面擴挖后,豎撐再與初支結構連接成整體。

3.1.6 方案六:全斷面+雙豎撐法擴挖

方案六擴挖示意圖如圖8所示。為了規(guī)避橫、豎撐對施工的影響,采用長度為3.0 m的φ42 mm鎖腳錨管并注漿強化上半環(huán)鎖腳措施;同時,將單豎撐優(yōu)化為雙豎撐(間距約5.0 m),改善對擴挖斷面的空間切割,增加一定的通過性。單次擴挖進尺為管片環(huán)寬的一半(0.75 m),以加強地層變形控制。

a) 上半斷面管片拆除、擴挖及支護

3.2 方案比選

方案一工序簡單、施工便利,但由于整環(huán)拆除和擴挖的時間相對較長,造成支護閉合成環(huán)的及時性較差,地層變形控制難度大、風險高。方案二將大斷面切割成2個小斷面,增加臨時仰拱能加快斷面閉合成環(huán)速度,但由于回填土體的密實性難以保證,臨時仰拱與下半環(huán)管片開口位置易出現(xiàn)應力集中,會承擔額外的剪力和彎矩作用,下臺階擴挖時反而易出現(xiàn)突發(fā)風險;上下臺階單個斷面作業(yè)空間不足4 m,施工工效也難以保障。

方案二中臨時仰拱主要是限制地層水平收斂,其作用與橫撐類似。此外,借鑒鄭州地鐵1、2號線聯(lián)絡線盾構擴挖案例,考慮設置豎撐改善地層沉降。因此,方案三至方案六通過橫撐、豎撐及鎖腳措施相互組合對方案一和方案二進行優(yōu)化。

圖9為Midas軟件計算的不同擴挖支護結構(35 cm厚C25噴射混凝土+75 cm間距格柵鋼架)、橫撐及豎撐(均為20a工字鋼,間距75 cm)組合工況下的彎矩圖。無橫撐及豎撐工況下,最大彎矩為190 kNm。在拱頂位置,水平方向結構受力不明顯;增設橫撐后,拱頂位置受力改善不明顯,彎矩僅減少約4.74%。綜合西安地區(qū)地鐵暗挖相關工程案例可知,在降水效果有保障的條件下,地層結構自身的穩(wěn)定性較好,實測的水平土壓力較小[7]。因此,設置橫撐及臨時仰拱的必要性不強。

a) 僅支護結構

DBJ 61-98—2015《西安城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》要求地鐵施工總沉降應控制在30 mm以內。先盾后擴法有多次擾動,因此應嚴格控制盾、拆、擴各流程的地表沉降值。增設單豎撐后,最大彎矩在拱頂兩側,約為94 kNm;結構受力改善較為明顯,也更有利于地表沉降控制,應予以保留。

綜上所述,在降水措施輔助下,西安地區(qū)地層水平收斂較小,不考慮設置橫撐或臨時仰拱,排除擴挖方案二、方案三、方案五;保留豎撐有利于地層沉降控制,排除方案一;單道豎撐設于斷面中間會造成施工干擾,排除方案四;雙豎撐方案六優(yōu)勢較明顯,為依托工程最終選定的擴挖方案。

4 結語

1) “豎井暗挖+盾構空推”是現(xiàn)階段地鐵工程穿越西安地裂縫設防段的主要施工方法,除增設豎井和洞內端頭加固的工程量外,建造工序相對復雜,可能出現(xiàn)因豎井施工條件受限而影響整個區(qū)間隧道貫通的特殊情況。

2) 采用“先盾后擴”法開展地鐵工程穿越地裂縫設防段施工可確保盾構穿越的連續(xù)性,擴挖隧道斷面不考慮盾構空推建筑限界也可大幅減小,是穿越地裂縫段地鐵建造技術的一次探索和嘗試。

3) 在地表降水措施輔助下,西安地區(qū)淺埋隧道施工地層橫向土壓力較小,設置臨時仰拱和橫撐的必要性不強,豎撐有利于擴挖結構受力和地層沉降控制,應予以保留。綜合考慮施工干擾問題,“全斷面+雙豎撐法擴挖”為依托工程15號線府祝區(qū)間地裂縫設防段的推薦擴挖方案。