地铁工程先盾后扩穿越西安地裂缝设防段 隧道扩挖方案研究*

杨万精 高 强

(1.西安市建设工程质量安全监督站, 710061, 西安; 2.广州地铁设计研究院股份有限公司, 510010, 广州∥第一作者, 高级工程师)

地裂缝是西安地区最典型的、也是最突出的不良地质现象之一[1]。地铁工程穿越西安地裂缝段目前基本采用“扩大断面,分段设缝”方案,防治理念为:按照一定的设防量提前预留额外净空,地裂缝错动后再调整轨道纵坡来抵消列车运行的建筑限界侵入[2-3]。

建造技术层面,地裂缝设防段基本采用“增设竖井暗挖+盾构空推”的施工方法[4],该施工方法自2006年西安首条地铁线路(2号线)开建以来经过多次优化,但施工复杂性等问题仍未得到完美解决[5-6]。本文依托西安地铁15号线府君庙村站—祝村站区间(以下简称“府祝区间”)隧道穿越地裂缝设防段工程,介绍了一种先盾后扩的新施工方法,将“增设竖井暗挖+盾构空推”调整为“盾构直接穿越+洞内扩挖”,并提出了新施工方法的设计细节;重点讨论了地裂缝设防段多个盾构隧道扩挖方案的可行性及优缺点,并给出了推荐方案,尝试以新思路解决地铁工程穿越地裂缝施工的相关问题。

1 工程概况

西安地铁15号线府祝区间隧道总长1 318 m,共穿越F9和F′9两条地裂缝带。地勘资料揭示预估位错量为200 mm,根据DBJ 61/T 113—2016《城市轨道交通隧道穿越地裂缝段技术规范》相关规定,盾构不能直接穿越地裂缝带,需进行结构设防。设防段区间隧道左线长211.314 m,右线长219.037 m,原计划采用增设竖井+CRD(交叉中隔壁)暗挖施工,设防段贯通后再盾构空推通过,该区间平面布置如图1所示。

图1 西安地铁15号线府祝区间地裂缝设防段平面图

钻孔揭露的地表至隧道底部范围内地层参数详见表1。府祝区间设防段隧道拱顶埋深为15.4～17.2 m。潜水位埋深为10.50～15.50 m,实测地下水位在14.00 m左右。含水层主要位于粉质黏土层及粗砂层。

表1 扩挖段地层结构物理力学参数

府祝区间面临的一个突出问题是设防段民房拆迁进度缓慢,无竖井施工作业条件,按照常规建造流程已不可能按时贯通。因此在该区间开展“先盾后扩”新型建造技术试点应用。

2 设防段先盾后扩施工基本流程

府祝区间地裂缝设防段先盾后扩施工流程图如图2所示。

图2 先盾后扩施工流程示意图

基本施工流程如下:

1) 旋喷桩地表加固。首环管片扩挖段采用地面三重管高压旋喷桩加固,加固段同时作为2#联络通道施工位置。加固范围为扩挖成型隧道外侧、上部各3 m、下部1 m,覆盖首环扩挖位置附近6环管片。在盾构到达28 d前完成旋喷桩施工,加固后土体无侧限抗压强度不小于0.8 MPa,渗透系数≤1.0×10-6cm/s。

2) 盾构穿越。扩挖设防段200多m盾构隧道采用通缝拼装,封顶块置于拱顶正中央,其余段落正常错缝拼装,管片环宽为1.5 m。

3) 扩挖前准备工作。①地表降水。共设43口管井进行降水,降水深度为隧底1 m以下。②洞内小导管二次加固。在首环拆除位置两侧管片上打孔,采用长度为3 m的超前小导管二次加固,外插角60°～65°,起到棚架作用。③盾构管片纵向拉紧和背后二次注浆。采用14b槽钢拉紧与扩挖设防段两侧紧邻的错缝拼装管片,拉紧范围为10环。再在管片背后进行二次注浆,防止纵向应力损失引起营运期盾构环缝防水性能降低。

4) 扩挖作业。由于无需考虑盾构空推,扩挖断面由9.50 m×9.57 m(宽×深)减小为7.88 m×8.02 m(宽×深)。总体扩挖方向为设防段中间位置向两侧。先开展府君庙村站方向扩挖,该侧施工完成后再进行祝村站方向盾构扩挖。离开旋喷桩加固范围后,采用长度为3 m的φ42 mm注浆小导管进行超前加固。

3 盾构隧道断面扩挖方案分析

3.1 主要扩挖方案

3.1.1 方案一:全断面扩挖

方案一扩挖示意图如图3所示。一次性拆除整环管片,扩挖至设计轮廓线,再迅速进行喷锚支护,闭合成环,然后开展下环管片扩挖作业。

3.1.2 方案二:台阶+临时仰拱法扩挖

方案二扩挖示意图如图4所示。首先拆除上台阶封顶块和2个邻接块,环形扩挖的土体和废管片不直接运出洞外,临时回填形成下台阶;然后进行上台阶支护并打设锁脚锚杆,设置临时仰拱使上台阶闭合成环;上台阶扩挖3～4环后再进行下台阶扩挖,扩挖初支闭合成环。

a) 上台阶扩挖后进行临时回填

3.1.3 方案三:全断面+临时横撑法扩挖

方案三扩挖示意图如图5所示。在全断面法基础上设置临时横撑,起到临时仰拱的效果。横撑支架可通过液压杆伸缩并沿盾构管片上的轨道移动,横撑固定后再进行上半环管片拆除、扩挖、喷锚支护并设置锁脚锚杆。横撑液压杆收缩前移并进行下半断面扩挖,闭合成环后开展下环管片扩挖。需要注意的是,上半断面在前2环作业时先拆后挖,待创造工作面后先掏挖支护,再拆除封顶块和邻接块。

a) 扩挖前设置临时横撑

3.1.4 方案四:全断面+单竖撑法扩挖

方案四扩挖示意图如图6所示。在全断面法基础上设置临时单竖撑,上半断面扩挖并支护后,临时竖撑先支在下半断面管片上,竖撑由带节点板的钢拱架拼接而成;下半断面扩挖时先拆掉最下端竖撑,待闭合成环后再将竖撑落在初支结构上形成整体。

a) 临时竖撑支在下半环管片

3.1.5 方案五:全断面+临时横撑+单竖撑法扩挖

方案五扩挖示意图如图7所示。结合方案三和方案四特点,同时设置临时横撑和单竖撑。上半断面扩挖流程与方案三类似,增设的单竖撑先临时支在下部管片上;下半断面扩挖后,竖撑再与初支结构连接成整体。

3.1.6 方案六:全断面+双竖撑法扩挖

方案六扩挖示意图如图8所示。为了规避横、竖撑对施工的影响,采用长度为3.0 m的φ42 mm锁脚锚管并注浆强化上半环锁脚措施;同时,将单竖撑优化为双竖撑(间距约5.0 m),改善对扩挖断面的空间切割,增加一定的通过性。单次扩挖进尺为管片环宽的一半(0.75 m),以加强地层变形控制。

a) 上半断面管片拆除、扩挖及支护

3.2 方案比选

方案一工序简单、施工便利,但由于整环拆除和扩挖的时间相对较长,造成支护闭合成环的及时性较差,地层变形控制难度大、风险高。方案二将大断面切割成2个小断面,增加临时仰拱能加快断面闭合成环速度,但由于回填土体的密实性难以保证,临时仰拱与下半环管片开口位置易出现应力集中,会承担额外的剪力和弯矩作用,下台阶扩挖时反而易出现突发风险;上下台阶单个断面作业空间不足4 m,施工工效也难以保障。

方案二中临时仰拱主要是限制地层水平收敛,其作用与横撑类似。此外,借鉴郑州地铁1、2号线联络线盾构扩挖案例,考虑设置竖撑改善地层沉降。因此,方案三至方案六通过横撑、竖撑及锁脚措施相互组合对方案一和方案二进行优化。

图9为Midas软件计算的不同扩挖支护结构(35 cm厚C25喷射混凝土+75 cm间距格栅钢架)、横撑及竖撑(均为20a工字钢,间距75 cm)组合工况下的弯矩图。无横撑及竖撑工况下,最大弯矩为190 kNm。在拱顶位置,水平方向结构受力不明显;增设横撑后,拱顶位置受力改善不明显,弯矩仅减少约4.74%。综合西安地区地铁暗挖相关工程案例可知,在降水效果有保障的条件下,地层结构自身的稳定性较好,实测的水平土压力较小[7]。因此,设置横撑及临时仰拱的必要性不强。

a) 仅支护结构

DBJ 61-98—2015《西安城市轨道交通工程监测技术规范》要求地铁施工总沉降应控制在30 mm以内。先盾后扩法有多次扰动,因此应严格控制盾、拆、扩各流程的地表沉降值。增设单竖撑后,最大弯矩在拱顶两侧,约为94 kNm;结构受力改善较为明显,也更有利于地表沉降控制,应予以保留。

综上所述,在降水措施辅助下,西安地区地层水平收敛较小,不考虑设置横撑或临时仰拱,排除扩挖方案二、方案三、方案五;保留竖撑有利于地层沉降控制,排除方案一;单道竖撑设于断面中间会造成施工干扰,排除方案四;双竖撑方案六优势较明显,为依托工程最终选定的扩挖方案。

4 结语

1) “竖井暗挖+盾构空推”是现阶段地铁工程穿越西安地裂缝设防段的主要施工方法,除增设竖井和洞内端头加固的工程量外,建造工序相对复杂,可能出现因竖井施工条件受限而影响整个区间隧道贯通的特殊情况。

2) 采用“先盾后扩”法开展地铁工程穿越地裂缝设防段施工可确保盾构穿越的连续性,扩挖隧道断面不考虑盾构空推建筑限界也可大幅减小,是穿越地裂缝段地铁建造技术的一次探索和尝试。

3) 在地表降水措施辅助下,西安地区浅埋隧道施工地层横向土压力较小,设置临时仰拱和横撑的必要性不强,竖撑有利于扩挖结构受力和地层沉降控制,应予以保留。综合考虑施工干扰问题,“全断面+双竖撑法扩挖”为依托工程15号线府祝区间地裂缝设防段的推荐扩挖方案。