盾構穿越地鐵車站外延障礙物清除工藝分析

夏 鑫，林 剛，宋同偉，劉軼群

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

隨著我國城市軌道交通的迅速發展,各大城市軌道交通線網逐步成型,換乘節點數量逐步增加,新建線路盾構機面臨始發、接收段下穿既有站的情況愈發多見[1-4]。通常既有車站為遠期線路預留下穿廊道,但在實際工程中,往往存在因外力導致原預留廊道無法使用,存在既有車站的圍護樁、抗拔樁、格構柱阻礙盾構正常掘進的問題。本文結合某城市盾構穿越橋-站合建運營地鐵車站工程案例,對既有車站基礎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區間采用Φ8 620 mm盾構機,因小里程端車站場地受限,盾構機計劃由大里程向小里程方向掘進,盾構始發后不足20 m立即開始下穿既有運營車站,既有車站為市政高架橋—地鐵合建車站。新建區間隧道與既有運營車站平面位置關系見圖1。

受外部因素導致既有車站原預留下穿廊道無法使用,區間隧道被迫調整線路平面,調整后區間隧道與既有車站底板凈距僅有2.2 m;右線隧道于車站端頭處側穿市政匝道樁基礎,凈距約0.8 m;左右線隧道凈空范圍內各存在10根Φ1 200鋼筋混凝土車站圍護樁以及2根Φ800格構柱樁基礎。若考慮避讓障礙物,則線路需下壓至少6 m,進而導致盾構始發端車站投資大幅增加以及功能受損,因此基于原線路縱坡進行方案研究。

為保證盾構機下穿順利且不影響既有車站的運營,需提前清除隧道凈空范圍內的車站基礎外延障礙物。

2 既有清障方案分析

根據本區間實際情況,結合類似工程思路,對幾種常規清障方案進行分析[5-18]。

2.1 盾構磨樁結合開倉人工清障方案

對于車站主體兩側的鋼筋混凝土圍護樁,盾構采用小推力、低轉速工況對刀盤凈空范圍內部分進行切削處理;而對于車站下方的格構柱樁基礎則采用“盾構開倉+人工破除”措施。基于本區間實際情況,此方案存在以下缺點：

1)障礙物位于盾構始發區段,采用盾構破除車站圍護樁,可能造成刀盤、刀具損耗過大甚至于損壞,為后續近2 km的掘進留下隱患。

2)格構柱樁位于既有運營車站底板下方,不具備地層預注漿加固條件;若采用常壓開倉,因區間隧道位于巖土分界面,地下水水量較大,且受既有車站影響,降水條件受限,常壓開倉風險極高;若采用帶壓開倉,因障礙物規模大、數量多,需經歷數次停機、建壓、開倉、啟機的過程,不僅工效極低而且多次建壓的過程中可能對既有站結構造成影響。

3)下穿段位于復合地層,盾構施工控制難度相對較高,掘進過程中容易因超挖引起車站基底持力層局部塌空,進而導致車站結構破壞。

2.2 馬蹄形復合襯砌礦山法隧道清障方案

采用馬蹄形礦山法復合襯砌輔以超前大管棚,按CRD法或預留核心土+環形短臺階法等工法開挖隧道,破除障礙物后施作防水層、二襯作為盾構始發盲洞,盾構機于盲洞端頭始發。基于本區間實際情況,此方案存在以下風險：

1)本方案隧道襯砌侵入市政橋匝道樁基礎結構范圍,需在隧道實施前暫停市政橋運營并對橋樁進行托換,投資較大且具備一定的社會影響。

2)隧道與既有車站底板間夾土僅0.7 m,基本不具備超前大管棚施工空間,開挖過程中夾土體更加難以保存,極易導致車站基底持力層局部塌空,進而導致車站結構破壞。馬蹄形礦山法隧道(復合襯砌)斷面見圖3。

2.3 馬蹄形噴錨襯砌礦山法隧道清障方案

在上一方案的基礎上進行優化,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(見圖4),避讓既有市政橋樁;清障后可選擇盾構空推+拼裝管片通過或隧道回填低標號素混凝土后盾構正常掘進通過兩種方案。基于本區間實際情況,此方案存在以下缺點：

1)若采取盾構空推+拼裝管片通過方案,空推過程中,管片易產生管片錯臺、破損等問題,工程質量管控難度大;且管片與噴錨襯砌間需吹填豆粒石注漿填充,實際施工過程中容易發生竄漿等問題,導致管片壁后回填不密實,存在空洞,導致遠期沉降;嚴重時可能導致盾體、盾尾被漿液包裹,影響后續正常掘進。

2)若選擇隧道回填低標號素混凝土后盾構正常掘進通過方案,可有效解決盾構下穿復合地層的問題,且保證管片拼裝質量,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,與樁基礎最小平面凈距約1 m,右線礦山法隧道與市政橋匝道樁基礎凈距8 cm。隧道與車站底板夾土體較薄,隧道開挖過程中,可能發生局部車站基底持力層局部塌空,進而導致車站結構破壞。

3 本工程清障工藝研究

1)因盾構磨樁+人工破除清障方案風險極高,故不適宜采取。

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

3)此類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正常掘進通過”,但其回填量較大,方案經濟性較差。

4)基于新建隧道與既有車站的空間關系,在開挖過程中勢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站結構可承受范圍內,避免車站結構受損,尤其既有車站為橋-站合建運營地鐵車站,其結構體系較常規車站更為復雜,社會影響面更為廣泛,一旦發生結構破壞,其后果將是難以承受的。

通過優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,回填低標號素混凝土,盾構掘進下穿既有車站。該可大幅節約開挖與回填工程量,同時顯著縮短工期,但應保證夾土體坍塌范圍滿足車站結構承載能力。

4 有限元模擬及分析

4.1 計算方法

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

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

本文采用Midas GTS NX有限元軟件,建立3D地層-結構模型分別模擬全寬度開挖以及兩導洞開挖時既有車站基底持力層的沉降曲線,根據Peck公式沉降曲線原理,得到各工況下既有車站基底地層最大沉降槽寬度系數i,再代入車站3D結構-荷載模型,計算不同開挖工況下的車站結構受力,確定隧道開挖工法。基于3D地層-結構模型按擬定開挖工法實際施工步驟進行計算模擬,預測既有車站沉降,驗證清障方案合理性。

4.2 模型材料參數

有限元模型相關材料參數詳見表1—表3。

表1 巖土材料物理力學參數

表2 結構物理力學參數

根據既有車站設計及地勘資料,其基底持力層為密實卵石土層,豎向基床系數為70 MPa/m,側墻范圍土體水平向基床系數加權平均值為51 MPa/m,巖土側壓力系數加權平均值為0.31。礦山法隧道下穿期間降水至隧道底部,根據地區卵石地層降水特性,視車站主體結構不受地下水作用。

表3 橋梁荷載

4.3 結果分析

結構模型及計算結果見圖7—圖12。

根據計算結果擬合,全斷面開挖時車站基底持力層最大沉降槽寬度系數i約為6.21 m,開挖時車站基底持力層橫向塌空寬度為12.42 m,約為1.25B;CD法開挖時車站基底持力層最大沉降槽寬度系數i為3.35 m,即認為開挖時車站基底持力層橫向塌空寬度為6.7 m,約為0.67B。

將上述數據分別代入車站3D結構-荷載模型模擬兩種工況下的車站受力情況并核算各結構構件(見圖13—圖17)。

根據既有車站設計資料驗算,全斷面開挖工況下,車站底縱梁基本組合彎矩達到了22 558 kN·m,遠超其設計可承受的最大基本組合彎矩16 400 kN·m;而CD法開挖工況下既有車站各構件受力均在其設計可承受范圍內。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法開挖,然后建立3D地層-結構模型按實際CD法施工步驟,模擬左右線礦山法隧道下穿既有車站,完成隧道開挖支護后,既有車站最大沉降約7.1 mm(見圖18),滿足相關規范要求。

5 現場實際施工與監測情況

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,采取左線左導洞→左線右導洞→右線右導洞→右線左的施工順序,完成礦山法隧道開挖與支護作業。

期間施工承包商按相關規范及既有車站業主管理文件要求,對既有車站采取自動化監測,涵蓋軌行區道床、側墻豎向、橫向、縱向位移等項目。截止礦山隧道施工完成,對既有車站的各項數據均未超過預警值(見表4)。

表4 變形沉降控制指標

選取隧道軸線位置對應的既有車站側墻、軌行區測點豎向位移數據進行匯總。測點布設示意圖見圖19。

結果如圖20所示,其中最大豎向沉降出現在左右線的2號測點處,均為-5.82 mm,其次為1號、3號測點,最小豎向沉降出現均為4號測點,與3D地層-結構模型所體現的車站位移趨勢一致。

2022年3月,本區間兩臺盾構均在清障回填后平穩下穿既有車站。下穿期間既有車站監測情況平穩無異常且監測數據仍未超過預警值,礦山法隧道噴錨襯砌與超前大管棚在盾構下穿期間,起到了較好的隔離效果;通過礦山法隧道回填低標號混凝土,將地層由上軟下硬人為修正成了均一性良好的地層,有效規避了盾構在復合地層中下穿既有車站的風險。

6 結論

本文結合某城市盾構穿越橋-站合建運營地鐵車站工程案例,對既有車站基礎外延障礙物清除工藝研究與分析。通過對既有方案的總結、理論分析、有限元模擬,提出CD法開挖半圓形礦山法隧道(噴錨襯砌)清障工藝,并通過實際工程的驗證,自身具備風險可控、施工效率高、投資較低等優點,同時還可作為后續盾構下穿的重要保護措施,對類似工程具有十分重要的借鑒意義。