陳廷濤
(中鐵二局集團有限公司,成都 610031)
北京地鐵16號線工程馬連洼站為地下2層三跨連拱直墻結(jié)構(gòu),總長 282.1m,寬 21.6m,站臺寬度 12m。車站主體采用洞樁法(PBA)施工,頂板覆土厚 9.87m。車站主體主體小導洞開挖支護標準段采用6導洞開挖施工,設(shè)備區(qū)段采用8導洞開挖施工。
車站開挖范圍內(nèi)地層分別為:①1 雜填土、①素填土、②2黏土、②1 粉質(zhì)黏土、③1 粉質(zhì)黏土、③粉土、⑤2 細砂、⑤卵石、⑥粉質(zhì)黏土。地下水的類型分別是潛水(二):含水層主要為⑤卵石層,穩(wěn)定水位深度 18.0~20.5m,層間水~層間~承壓水(三):含水層主要為⑥3 細中砂層、⑦卵石層和⑦2 粉細砂層,穩(wěn)定水位深度 21.0~23.3m。
根據(jù)馬連洼站 PBA 法施工設(shè)計情況,對8導洞開挖過程施工采用 ANSYS 有限元軟件進行模擬,導洞位置如圖1所示。為此本次計算將工況分為:(1)開挖順序為(1)、(4)→(2)、(3)→A、D→B、C;(2)開挖順序為(2)、(3)→(1)、(4)→B、C→A、D;(3)挖順序為 A、D→B、C→(1)、(4)→(2)、(3)。最終計算得出沉降曲線如圖 2~圖4所示。
圖1 導洞位置圖
圖2 工況 1( z=0m處) 地表沉降曲線圖
圖3 工況 2( z=0m處) 地表沉降曲線圖
圖4 工況 3( z=0m處) 地表沉降曲線圖
通過對工況1和工況2的對比可以看出,先開挖外側(cè)導洞在上部導洞開挖過程中有利于降低地表沉降,而對比工況1 和工況3發(fā)現(xiàn),雖然先開挖下部導洞,初期沉降較小,但隨著后續(xù)上部導洞的開挖,由群洞效應(yīng)引起地表沉降疊加使地表沉降迅速增大,不利于沉降控制措施的實施,同時,在施工開挖完成后,工況1的最終位移值最小,所以,建議采用工況 1:(1)、(4)→(2)、(3)→A、D→B、C 的順序進行導洞開挖。
PBA 工法馬頭門施工是結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié),是控制沉降的重要工序。關(guān)鍵技術(shù)措施為:
1)導洞馬頭門鋼筋混凝土破除時,應(yīng)提前對臨時仰拱采取換撐措施。換撐采用雙拼 I22a 門式架型鋼支撐臨時仰拱,另增設(shè)一道 I22a 橫撐于導洞洞口處,與臨時仰拱焊接相連,用于平衡導洞開洞處橫通道側(cè)壁土體造成的偏壓[1]。
2)馬頭門開洞前,在起拱線上沿開挖輪廓線外打設(shè)雙排超前小導管,水平打設(shè),管長 4m。
3)破除導洞洞門格柵,安裝首榀格柵鋼架上半部分,在拱腳處迅速焊接一根 I22“a 卡口撐”將拱架迅速臨時封閉成環(huán),并打設(shè)鎖腳錨桿與拱架牢固焊接。導洞洞口格柵采用雙主筋3 榀連立加強支護。
4)主體小導洞上半斷面鋼筋混凝土破除完畢之后,繼續(xù)向前開挖掘進 3~5m,方可破除下半部分鋼筋混凝土[2]。
導洞施工順序采用前述模擬計算比選的推薦方案。關(guān)鍵技術(shù)措施如下:
1)導 洞 開 挖時 為 避 免 群 洞 效 應(yīng) ,同 層 前 后 錯 開 不 小 于10m,上下層導洞錯開不小于 15m,橫通道相對導洞錯開不小于 15m。
2)主體導洞內(nèi)土方采用兩臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工,人工開挖,遇到砂夾石,硬質(zhì)黏土等緊密堅硬圍巖時,可使用風鎬等小型機具配合開挖。洞內(nèi)臺階長度以 4.5~5m 為宜。開挖后及時架設(shè)格柵掛網(wǎng)噴射混凝土,完成初支封閉[3]。
3)導洞開挖過程中采用 φ42mm×3.25mm 小導管超前注漿加固地層,小導管長 2m,縱向每榀鋼架打設(shè)一環(huán),環(huán)向間距0.3m,與垂直線夾角為 10°~15°,采用單液水泥漿。若遇到細砂層,間距可適當加密,漿液選用雙液漿[4]。
4)在進行小導洞開挖支護施工時,嚴格控制上層導洞格柵間距和安裝精度,減少誤差,保證兩側(cè)邊導洞、中導洞橫向同排格柵在同一斷面上,以確保后續(xù)施工的扣拱格柵和小導洞格柵能良好連接。
車站主體邊樁頂冠梁施工時,進行邊導洞內(nèi)扣拱;拱頂間扣拱隨車站大斷面土方開挖進行,每 0.5m 為一個循環(huán),同時嚴格按照“管超前,嚴注漿;短進尺,強支護;早封閉,勤量測”的施工原則做好支護工作。關(guān)鍵施工技術(shù)措施如下:
1)邊導洞內(nèi)扣拱由導洞里側(cè)向?qū)Ф赐猓谶厡Ф撮_挖、初支完成后,隨邊樁頂冠梁施工進度進行??酃皶r,在樁頂冠梁處預(yù)埋鋼筋??酃皶r,若出現(xiàn)螺栓孔眼對接困難的現(xiàn)象,可將格柵連接鋼板滿焊。
2)導洞間格柵扣拱采用的大拱格柵端頭一端為螺栓連接,一端采用角鋼與預(yù)埋鋼板焊接,做到格柵可調(diào),保證在因施工誤差導致導洞格柵出現(xiàn)錯位的情況下扣拱成功。
3)導洞邊樁及洞內(nèi)扣拱施工完畢后,邊樁、扣拱與導洞之間的初支間隙應(yīng)填充密實,以保證初支所收的土壓力能順利的傳到車站的整個支撐體系[5]。
二次襯砌扣拱施工需拆除初期支護,完成結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換,是 PBA 工法中最為關(guān)鍵的工序,也是風險較高的工序。施工關(guān)鍵工序及相關(guān)措施如下:
1)施工前,首先完成邊導洞內(nèi)側(cè)拱和側(cè)拱背后回填。
2)初支拆除前需提前測取拱頂沉降初始數(shù)據(jù),破除首段9m 初支混凝土,測取拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)(不小于1次/d),后續(xù)其余段初支每次拆除不大于一個柱跨(6m),破除時監(jiān)測數(shù)據(jù)按1次/d 測取。
3)中跨先扣,邊跨初支扣拱滯后 12m 對稱施工;初支扣拱完成后進行邊跨二襯扣拱。
4)頂縱梁及二襯扣拱施工時應(yīng)預(yù)埋鋼拉桿,待二襯扣拱混凝土澆筑完成后,即時將鋼拉桿通過套筒或焊接連成整體。頂縱梁與二襯扣拱整體澆注。
選取車站一典型橫斷面(8 導洞處),選取該斷面在8個小導洞同時施工時,各點的累計沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計,地表累計沉降曲線如圖5和表1所示。
圖5 典型斷面測點沉降圖
表1 典型斷面測點沉降值
選取上述斷面中地表特征監(jiān)測點位(ML1)DB30-04 全過程累計沉降數(shù)據(jù)整理分析,得出該點歷時沉降曲線(見圖 6)。
圖6 (ML1)DB30-04點沉降時程曲線
通過圖5和圖6的分析可以看出:
1)圖5顯示,車站在8個導洞同時開挖時,沉降槽曲線與前述模擬計算沉降規(guī)律、形狀相似,數(shù)值結(jié)果接近,說明本次模擬選型合理,效果較好。
2)實測數(shù)據(jù)與模擬計算結(jié)果有偏差,且實測數(shù)據(jù)較模擬計算結(jié)果偏大。主要原因是在模擬計算過程中未考慮降水因素,以及實際過程中注漿因素的影響。
3)圖6顯示,PBA 工法在車站施工過程中,不同工序?qū)Φ乇沓两档呢暙I各有不同,其中,小導洞施工對地表沉降影響最大,依次是初支扣拱、二襯扣拱,樁梁體系施工對地表沉降影響最小。二襯扣拱完成后,基本趨于平穩(wěn),在后續(xù)車站內(nèi)土方大開挖對地表沉降幾乎沒有影響。
4)在群洞效應(yīng)的影響下,測點受到的小導洞影響越多,沉降越大,距離越近,影響越大。在下層小導洞的施工過程中,對測點的沉降影響尤為明顯。
通過本文的分析,得到以下結(jié)論:
1)通過建模和數(shù)值分析以及實踐證明,PBA 工法在車站小導洞施工順序上選用先上后下,先邊后中對沉降的控制的是合理的。
2)PBA 工法施工過程中,對沉降貢獻較大的工序分別為小導洞施工、初支扣拱施工、二襯扣拱施工。小導洞施工過程中,馬頭門的破除順序、臨時仰拱的換撐、施工步序以及導洞施工格柵的安裝精度是控制沉降的關(guān)鍵;初支扣拱中格柵的安裝精度是控制沉降的關(guān)鍵;二襯扣拱中,格柵的拆除順序和長度是控制沉降的關(guān)鍵。
3)本文以馬連洼車站為例,進行施工技術(shù)分析總結(jié),提出的技術(shù)方法有針對性,但無普適性,僅對類似工程有借鑒意義。