地鐵工程先盾后擴(kuò)穿越西安地裂縫設(shè)防段 隧道擴(kuò)挖方案研究*

楊萬(wàn)精 高 強(qiáng)

(1.西安市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站, 710061, 西安; 2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 510010, 廣州∥第一作者, 高級(jí)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(zhì)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(kuò)大斷面,分段設(shè)縫”方案,防治理念為:按照一定的設(shè)防量提前預(yù)留額外凈空,地裂縫錯(cuò)動(dòng)后再調(diào)整軌道縱坡來(lái)抵消列車運(yùn)行的建筑限界侵入[2-3]。

建造技術(shù)層面,地裂縫設(shè)防段基本采用“增設(shè)豎井暗挖+盾構(gòu)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(hào)線)開(kāi)建以來(lái)經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化,但施工復(fù)雜性等問(wèn)題仍未得到完美解決[5-6]。本文依托西安地鐵15號(hào)線府君廟村站—祝村站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“府祝區(qū)間”)隧道穿越地裂縫設(shè)防段工程,介紹了一種先盾后擴(kuò)的新施工方法,將“增設(shè)豎井暗挖+盾構(gòu)空推”調(diào)整為“盾構(gòu)直接穿越+洞內(nèi)擴(kuò)挖”,并提出了新施工方法的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié);重點(diǎn)討論了地裂縫設(shè)防段多個(gè)盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖方案的可行性及優(yōu)缺點(diǎn),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(guān)問(wèn)題。

1 工程概況

西安地鐵15號(hào)線府祝區(qū)間隧道總長(zhǎng)1 318 m,共穿越F9和F′9兩條地裂縫帶。地勘資料揭示預(yù)估位錯(cuò)量為200 mm,根據(jù)DBJ 61/T 113—2016《城市軌道交通隧道穿越地裂縫段技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,盾構(gòu)不能直接穿越地裂縫帶,需進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)防。設(shè)防段區(qū)間隧道左線長(zhǎng)211.314 m,右線長(zhǎng)219.037 m,原計(jì)劃采用增設(shè)豎井+CRD(交叉中隔壁)暗挖施工,設(shè)防段貫通后再盾構(gòu)空推通過(guò),該區(qū)間平面布置如圖1所示。

圖1 西安地鐵15號(hào)線府祝區(qū)間地裂縫設(shè)防段平面圖

鉆孔揭露的地表至隧道底部范圍內(nèi)地層參數(shù)詳見(jiàn)表1。府祝區(qū)間設(shè)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(shí)測(cè)地下水位在14.00 m左右。含水層主要位于粉質(zhì)黏土層及粗砂層。

表1 擴(kuò)挖段地層結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

府祝區(qū)間面臨的一個(gè)突出問(wèn)題是設(shè)防段民房拆遷進(jìn)度緩慢,無(wú)豎井施工作業(yè)條件,按照常規(guī)建造流程已不可能按時(shí)貫通。因此在該區(qū)間開(kāi)展“先盾后擴(kuò)”新型建造技術(shù)試點(diǎn)應(yīng)用。

2 設(shè)防段先盾后擴(kuò)施工基本流程

府祝區(qū)間地裂縫設(shè)防段先盾后擴(kuò)施工流程圖如圖2所示。

圖2 先盾后擴(kuò)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(kuò)挖段采用地面三重管高壓旋噴樁加固,加固段同時(shí)作為2#聯(lián)絡(luò)通道施工位置。加固范圍為擴(kuò)挖成型隧道外側(cè)、上部各3 m、下部1 m,覆蓋首環(huán)擴(kuò)挖位置附近6環(huán)管片。在盾構(gòu)到達(dá)28 d前完成旋噴樁施工,加固后土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa,滲透系數(shù)≤1.0×10-6cm/s。

2) 盾構(gòu)穿越。擴(kuò)挖設(shè)防段200多m盾構(gòu)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(cuò)縫拼裝,管片環(huán)寬為1.5 m。

3) 擴(kuò)挖前準(zhǔn)備工作。①地表降水。共設(shè)43口管井進(jìn)行降水,降水深度為隧底1 m以下。②洞內(nèi)小導(dǎo)管二次加固。在首環(huán)拆除位置兩側(cè)管片上打孔,采用長(zhǎng)度為3 m的超前小導(dǎo)管二次加固,外插角60°～65°,起到棚架作用。③盾構(gòu)管片縱向拉緊和背后二次注漿。采用14b槽鋼拉緊與擴(kuò)挖設(shè)防段兩側(cè)緊鄰的錯(cuò)縫拼裝管片,拉緊范圍為10環(huán)。再在管片背后進(jìn)行二次注漿,防止縱向應(yīng)力損失引起營(yíng)運(yùn)期盾構(gòu)環(huán)縫防水性能降低。

4) 擴(kuò)挖作業(yè)。由于無(wú)需考慮盾構(gòu)空推,擴(kuò)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(kuò)挖方向?yàn)樵O(shè)防段中間位置向兩側(cè)。先開(kāi)展府君廟村站方向擴(kuò)挖,該側(cè)施工完成后再進(jìn)行祝村站方向盾構(gòu)擴(kuò)挖。離開(kāi)旋噴樁加固范圍后,采用長(zhǎng)度為3 m的φ42 mm注漿小導(dǎo)管進(jìn)行超前加固。

3 盾構(gòu)隧道斷面擴(kuò)挖方案分析

3.1 主要擴(kuò)挖方案

3.1.1 方案一:全斷面擴(kuò)挖

方案一擴(kuò)挖示意圖如圖3所示。一次性拆除整環(huán)管片,擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)輪廓線,再迅速進(jìn)行噴錨支護(hù),閉合成環(huán),然后開(kāi)展下環(huán)管片擴(kuò)挖作業(yè)。

3.1.2 方案二:臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法擴(kuò)挖

方案二擴(kuò)挖示意圖如圖4所示。首先拆除上臺(tái)階封頂塊和2個(gè)鄰接塊,環(huán)形擴(kuò)挖的土體和廢管片不直接運(yùn)出洞外,臨時(shí)回填形成下臺(tái)階;然后進(jìn)行上臺(tái)階支護(hù)并打設(shè)鎖腳錨桿,設(shè)置臨時(shí)仰拱使上臺(tái)階閉合成環(huán);上臺(tái)階擴(kuò)挖3～4環(huán)后再進(jìn)行下臺(tái)階擴(kuò)挖,擴(kuò)挖初支閉合成環(huán)。

a) 上臺(tái)階擴(kuò)挖后進(jìn)行臨時(shí)回填

3.1.3 方案三:全斷面+臨時(shí)橫撐法擴(kuò)挖

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

a) 擴(kuò)挖前設(shè)置臨時(shí)橫撐

3.1.4 方案四:全斷面+單豎撐法擴(kuò)挖

方案四擴(kuò)挖示意圖如圖6所示。在全斷面法基礎(chǔ)上設(shè)置臨時(shí)單豎撐,上半斷面擴(kuò)挖并支護(hù)后,臨時(shí)豎撐先支在下半斷面管片上,豎撐由帶節(jié)點(diǎn)板的鋼拱架拼接而成;下半斷面擴(kuò)挖時(shí)先拆掉最下端豎撐,待閉合成環(huán)后再將豎撐落在初支結(jié)構(gòu)上形成整體。

a) 臨時(shí)豎撐支在下半環(huán)管片

3.1.5 方案五:全斷面+臨時(shí)橫撐+單豎撐法擴(kuò)挖

方案五擴(kuò)挖示意圖如圖7所示。結(jié)合方案三和方案四特點(diǎn),同時(shí)設(shè)置臨時(shí)橫撐和單豎撐。上半斷面擴(kuò)挖流程與方案三類似,增設(shè)的單豎撐先臨時(shí)支在下部管片上;下半斷面擴(kuò)挖后,豎撐再與初支結(jié)構(gòu)連接成整體。

3.1.6 方案六:全斷面+雙豎撐法擴(kuò)挖

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

a) 上半斷面管片拆除、擴(kuò)挖及支護(hù)

3.2 方案比選

方案一工序簡(jiǎn)單、施工便利,但由于整環(huán)拆除和擴(kuò)挖的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),造成支護(hù)閉合成環(huán)的及時(shí)性較差,地層變形控制難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。方案二將大斷面切割成2個(gè)小斷面,增加臨時(shí)仰拱能加快斷面閉合成環(huán)速度,但由于回填土體的密實(shí)性難以保證,臨時(shí)仰拱與下半環(huán)管片開(kāi)口位置易出現(xiàn)應(yīng)力集中,會(huì)承擔(dān)額外的剪力和彎矩作用,下臺(tái)階擴(kuò)挖時(shí)反而易出現(xiàn)突發(fā)風(fēng)險(xiǎn);上下臺(tái)階單個(gè)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(shí)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(hào)線聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)擴(kuò)挖案例,考慮設(shè)置豎撐改善地層沉降。因此,方案三至方案六通過(guò)橫撐、豎撐及鎖腳措施相互組合對(duì)方案一和方案二進(jìn)行優(yōu)化。

圖9為Midas軟件計(jì)算的不同擴(kuò)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)(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(wú)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(jié)構(gòu)受力不明顯;增設(shè)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(guān)工程案例可知,在降水效果有保障的條件下,地層結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性較好,實(shí)測(cè)的水平土壓力較小[7]。因此,設(shè)置橫撐及臨時(shí)仰拱的必要性不強(qiáng)。

a) 僅支護(hù)結(jié)構(gòu)

DBJ 61-98—2015《西安城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求地鐵施工總沉降應(yīng)控制在30 mm以內(nèi)。先盾后擴(kuò)法有多次擾動(dòng),因此應(yīng)嚴(yán)格控制盾、拆、擴(kuò)各流程的地表沉降值。增設(shè)單豎撐后,最大彎矩在拱頂兩側(cè),約為94 kNm;結(jié)構(gòu)受力改善較為明顯,也更有利于地表沉降控制,應(yīng)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(shè)置橫撐或臨時(shí)仰拱,排除擴(kuò)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(shè)于斷面中間會(huì)造成施工干擾,排除方案四;雙豎撐方案六優(yōu)勢(shì)較明顯,為依托工程最終選定的擴(kuò)挖方案。

4 結(jié)語(yǔ)

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

2) 采用“先盾后擴(kuò)”法開(kāi)展地鐵工程穿越地裂縫設(shè)防段施工可確保盾構(gòu)穿越的連續(xù)性,擴(kuò)挖隧道斷面不考慮盾構(gòu)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(shù)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(shè)置臨時(shí)仰拱和橫撐的必要性不強(qiáng),豎撐有利于擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)受力和地層沉降控制,應(yīng)予以保留。綜合考慮施工干擾問(wèn)題,“全斷面+雙豎撐法擴(kuò)挖”為依托工程15號(hào)線府祝區(qū)間地裂縫設(shè)防段的推薦擴(kuò)挖方案。