地铁叠层隧道中盾构机始发井设计要点分析

吴敏敏，刘先行

(1．中电建路桥集团有限公司，北京 100048; 2．中国电建集团国际工程有限公司，北京 100036)

0 引言

地铁为解决大城市的交通拥堵、居民绿色出行提供了有效的解决方案。为更贴近居民的出行，地铁隧道往往穿行于城市繁华区域或居民区，地面地下环境日益复杂，涉及到城市生活的方方面面。盾构机始发井是盾构机掘进前现场拼装和初始掘进的工作间，在设计时既要考虑空间布置、围护结构、防渗处理等方面的技术可行性，还要考虑建设成本和物料运输等方面的经济合理性。以新加坡某地铁叠层隧道中盾构机始发井为例，对叠层隧道的始发井支护及洞门设计要点进行了介绍，为城市轨道交通中同类始发井的方案设计提供借鉴。

1 工程概况

新加坡某地铁隧道工程位于繁华市中心的交叉路口处，属于新加坡市中心最繁华地段——乌节路和使馆区，周围有外交部和澳大利亚、美国、中国等多个国家驻新加坡大使馆，地理位置非常敏感。工程主要包括一处地下车站(含两个出入口) 和两条长约750 m 的叠层隧道及联络通道等。根据施工安排，两条隧道共用一台泥水盾构施工，在底层隧道掘进完成后，通过对回收的盾构机进行二次组装，再完成上层隧道的掘进工作。

2 始发井设计

2．1 始发井总体布置与设计

隧道始发井布置原属于东陵乡村俱乐部的绿地上，该场地因地铁建设需要被政府临时征用，工程完工后再恢复植被。隧道始发井布置于东陵山的小山坡上，北侧紧邻车站，南侧与外交部连接市内道路的人行走廊和澳大利亚大使馆主楼相邻。同时，原穿过车站位置的市政水管和电缆也改迁至始发井外侧，现场情况十分复杂。由于局部地势陡峭，地表线与设计基准线上下高程差超过10 m，为满足规范对变形控制的要求，边坡采用了多排连续桩进行支护后逐层开挖的方式，边坡支护横断面如图1 所示。

图1 始发井边坡支护横断面

考虑盾构尺寸和安装始发操作空间的要求，始发井平面净空为21 m×15 m;同时为满足叠层隧道的空间布置要求，基坑开挖深度达32 m。基坑开挖按顺作法施工，采用逐层支护开挖的方式，地面层水平支撑S1 达到80%设计强度后，开始开挖作业，至第二层水平支撑设计高程下0．5 m，及时安装该层水平支撑;循序开挖至临时底板高程，浇筑混凝土临时底板。从上至下共设置6 层水平支撑，考虑混凝土支撑的经济性和钢支撑的易拆除性及盾构安装始发的空间要求，采用混凝土支撑与钢支撑相结合的方式，其中混凝土水平支撑4 层，分别为S1，S2，S4，S5，钢支撑2 层，分别为S3，S6。

在水平支撑设计中充分考虑了基坑开挖和盾构机安装作业工序及永久结构施工的因素，在复杂的施工作业工序中寻找最优的设计组合。在基坑混凝土临时底板浇筑后，拆除S6 钢支撑，为下层隧道掘进前盾构机安装准备和初始掘进工作提供足够空间。下层隧道掘进完成后，将盾构机在隧道内解体拆除，运回地面进行二次组装。在盾构机于地面二次组装期间，先后破除少量S5，S4 水平支撑与永久结构冲突部分，浇筑永久结构混凝土至RL93．82 高程，即上层隧道永久结构底板，将该底板作为上层隧道掘进前盾构机安装和始发的操作平台; 拆除S3 钢支撑，下吊重组后的盾构机，再次进行盾构机的安装准备工作。支护桩、水平支撑及永久结构典型横断面如图2 所示。

图2 支护桩、水平支撑与永久结构横断面

2．2 支护结构设计

始发井属于地下结构，设计的难点是基坑支护结构。一般情况下，采用混凝土地下连续墙(简称地连墙) 或钻孔灌注桩(简称灌注桩) 结合水平横撑的方式。地连墙自20 世纪50 年代作为防渗结构应用于水库大坝中，随着施工机械的发展，技术进步很快; 由于结构受力的需要和水平多轴铣槽机的研制成功，出现了超厚(3．2 m)和超深(超过170 m) 的地连墙。灌注桩最早于1893 年工程师们借鉴了掘井技术发明了在人工挖孔中浇筑钢筋混凝土而成桩，解决了高层建筑地质沉降过大的问题;时至今日，钻孔灌注桩的孔径已发展到了2．5 m 以上，也出现了超大直径(3 m 以上) 、超深(超过100 m)的专业旋挖机械设备。灌注桩对地质条件适应性强，施工速度快; 地下连续墙施工技术要求高，连续墙之间的接头质量较难控制。在比较了地连墙和灌注桩的施工工艺特点后，本工程选择了连续桩作为基坑的挡墙支护结构。

2．2．1土体力学参数

地质勘探资料显示，隧道及始发井区域地质条件为武吉知马花岗岩构造，表层堆积填土厚度不到1 m，其下为原状的全风化土以及强风化和微风化花岗岩。设计中使用的土体地质力学参数的确定采用了适度保守的原则，由业主在合同条款中规定，如表1 所示。

表1 土体地质力学参数

2．2．2荷载

结构分析中需要考虑的荷载有自重、土压力、水压力和地面附加荷载等。地面附加荷载主要有交通荷载、施工附加荷载等。交通荷载根据BD37-01 英国桥梁荷载规范确定，施工附加荷载依据新加坡陆路交通局土木工程设计准则、CP65(1999) 新加坡混凝土规范、BS5950-1(2000) 英国钢结构规范以及BS8002(1994) 英国挡土结构规范确定。

土压力采用摩尔库仑公式，水压力按地下水位高程与桩冠梁顶高程一致考虑。

始发井设计中一般还需考虑吊装TBM 产生的附加荷载，因其自重和起重设备的吨位均较大，不可忽略; 但若将该类附加荷载直接作用于始发井的支护结构上，会大大增加支护的尺寸，且往往会产生偏载。因此，本工程在TBM 吊机的混凝土筏板基础下另施打了20 根12 m长的工字钢桩，使其成为独立的受力系统。

2．2．3连续桩结构稳定计算

根据新加坡建设局及陆路交通局设计要求，支护结构最小刚度(EI) 为2．85 ×106kN·m2/m，挡墙挠度变形必须在0．5%H以内。连续桩结构稳定计算参考陆交局土木设计准则16．7．2 中最小安全系数计算方法，最小安全系数不小于1．0。计算公式如下:

其中，PP为被动侧的总作用力;PA1为最低支撑点A以下主动侧总作用力;I1，I2分别为PP，PA1相对于最低支撑点A的力臂长度;MS为最低支撑点挡墙的弯矩承载力。

同时考虑地下水绕桩尖渗流，防止基坑底隆起和突涌; 通过计算分析，单桩安全长度为46． 5 m，深入基坑底板下方14． 7 m，方能满足基坑总体稳定的要求。根据刚度要求，灌注桩直径为1．3 m，各桩之间间隔10 cm。

2．2．4灌注桩和水平支撑设计

在设计中分别选取典型横断面和纵断面(沿隧道方向) 建立二维有限元数值模型。其中水平边界距离始发井支护桩80 m，底部边界距离底板开挖面40 m; 采用三角形15 节点单元，进行了有限元数值模拟分析。

土体模拟采用摩尔库仑模型，力学参数见表1。混凝土弹性模量2．84 ×107kN/m2，泊松比0．15。钢结构弹性模量2 ×108kN/m2。

对始发井自上而下的开挖、施作水平支撑和自下而上浇筑混凝土永久结构、拆除水平支撑进行了全过程的模拟，并考虑了S3 支撑失效的偶然工况，得出连续桩最大挠度、最大弯矩和最大剪应力如表2 所示，挠度变形控制在0．5%H以内。根据所得内力进行桩的具体配筋计算。

表2 连续桩最大弯矩和剪应力

根据有限元计算同时得出各水平支撑在各施工阶段的受力情况，其最大值汇总如表3 所示。

表3 各水平支撑的受力情况

根据水平支撑所受力并考虑自重，分别对支撑进行尺寸和配筋(混凝土支撑) 设计，最后确定S1 宽2．5 m，厚度0．5 m;S2 和S4 宽2．5 m，厚度1 m;S5 宽2．5 m，厚度1．4 m，S3 及S6 钢支撑参数如表4 所示。

表4 S3 及S6 钢支撑参数

2．3 防渗设计

由于始发井外侧紧邻外交部和澳大利亚驻新加坡大使馆主楼，为保护既有建筑不发生沉降、变形等破坏，始发井外侧要求保持原有地下水位; 而连续桩因桩与桩之间存在10 cm 的间隔，防渗能力差，为减少基坑开挖时发生涌水的不利风险，需在间隔处进行灌浆封闭，一般可采用TAM 管灌浆(TAM) 或高压喷射灌浆(JGP) ; 另外也可在已成型的素混凝土连续桩(软桩) 间隔处再次钻孔浇筑钢筋混凝土桩(硬桩) ，从而使连续桩之间充分咬合成为整体，提高防渗性能，也称咬合桩。从实践经验来看，连续桩由于施工过程中桩心的偏离及垂直度不好等施工工艺的影响，灌浆并不能达到完全防水的效果，咬合桩在防水效果方面要优于连续桩，但施工时间较长。本工程采用了桩间高压喷射注浆，在后期的开挖中出现了几次桩间涌泥漏水现象，同时造成始发井外侧地下水出现下降趋势，及时采取了二次灌浆封堵和启用回灌井保持井外地下水位的措施。

考虑经济性和施工快捷，尽量减小始发井临时混凝土底板的厚度，同时防止出现上拱现象，在临时底板上设计了12 个直径75 mm 的减压孔，并设置集水坑收集少量上冒的地下水。在底层隧道挖掘完成后、浇筑永久建筑前进行减压孔封堵。

2．4 洞门土体加固

洞门即始发井外侧与隧道连接处，应采取加固处理措施，在掘进隧道周围形成一段固结性土体，以降低洞门密封安装和盾构机初始掘进时的风险。洞门土体灌浆加固主要有两方面的目的，一方面是提高土体强度，另一方面是减小土体渗透系数，从工程措施上降低渗水和地质塌陷的风险。灌浆加固的范围，一般在隧道左右和上下两侧各延伸3 m 左右，长度则要求不小于TBM 盾体长度，更严格规范要求不小于盾构机护盾长度及一环管片宽度之和。对于加固效果，一般要求从抗压强度、渗透系数和总取芯率三个技术指标进行控制。工程实践中，根据土体地质情况的不同，采用不同的工程方法。对于淤泥质土，可采用水泥搅拌桩的方式进行加固处理。对于其他土体，按土体强度，可分别采用高压喷射灌浆、TAM管灌浆或裂隙灌浆等。

根据地质条件进行TBM 选型，本工程隧道掘进采用泥水平衡盾构，盾体长度为9．3 m，每环管片宽度1．4 m。因此，洞门外土体加固设计长度为11 m，加固体上下和左右两侧边缘离隧道外侧的距离均为3 m; 加固方法采用TAM 灌浆法。灌浆加固后土体要求满足不排水抗剪强度Cu≥200 kPa 及渗透系数k≤1 ×10-8m/s。

2．5 密封环设计及安装

洞门密封环是隧道初始掘进时防止地下水渗漏或发生管涌的装置，安装于始发井与隧道的衔接处，是盾构机掘进前的一项重要步骤。

洞门密封环的设计包括结构及止水设计等。洞门设计成圆顶型，密封钢环为圆柱形，钢环内沿设橡胶止水挡板，外沿设灌浆管。本项目隧道开挖直径6．67 m，管片安装后外径6．35 m，洞门密封设计如图3 所示。

图3 洞门密封设计示意图

密封环在安装前，应先检测加固体强度和渗透系数，质量验证通过后，接着进行洞门的开挖和支护工作。洞门开挖分三层进行。首先凿除第一层围护桩，然后开挖顶层，开挖后及时进行喷混凝土支护; 接着开挖中间层，进行喷混凝土支护后开挖底层。在整体开挖完成后，沿洞周安装钢筋网和钢结构支撑后进行二次喷混凝土支护。洞门开挖及支护步骤如图4 所示。洞门成型后，将预拼好的密封环下放至始发井底，安装就位后进行精度调整，然后浇筑混凝土。

图4 洞门开挖及支护流程

2．6 监控量测

为了确保施工过程中的安全，设计还需涵盖监控量测方案，具体包括14 个地面沉降标志、4 个测斜仪和2 个水压力测点。同时给出了各测点的报警值和停工值，例如地面沉降的报警值为35 mm，停工值为50 mm;测斜仪的报警值为65 mm，停工值为95 mm。

水平支撑上同样设置了实时测力传感器和应变仪。S3 水平支撑受力的报警值为8 729 kN，停工值为12 470 kN;S6 水平支撑受力的报警值为5 733 kN、停工值为8 190 kN。连续墙的水平挠度报警值和停工值则根据不同的施工阶段设定，此处不再赘述。

3 结语

始发井是盾构机掘进前所有准备工作的操作间和始发地，始发井设计合理与否，会对项目工期、成本产生直接和间接的影响。叠层隧道中始发井的设计既要考虑基坑施工过程中的安全、变形、稳定、防渗等要求，还要考虑对隧道永久结构的影响，这无疑增加了设计中需要考虑的因素。本文旨在抛砖引玉，以期引起同行的重视。