建筑物下矿山法地铁隧道盾构接收关键技术研究

胡瑞青

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043; 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

随着我国经济的日益发展和城市化进程的不断加快,城市公共交通压力与日俱增,而地铁作为大运量交通运输工具在缓解城市交通拥堵方面起着至关重要的作用[1]。然而,随着地铁线网的不断发展完善,地铁新线建设环境日趋复杂,诸如周边建构筑物(市政下穿隧道、既有地铁车站及住宅建筑等)基坑围护桩或锚索侵入地铁隧道范围的情况已屡见不鲜,考虑盾构机磨桩或开舱截桩困难,且当围岩条件较差或上软下硬复合地层条件下磨桩施工对地层扰动较大,极易引起地表过大变形甚至塌陷,而盾构机穿越锚索群时锚索钢绞线缠绕刀盘,掘进时刀盘扭矩增大、掘进速度降低且开舱换刀频率较高[2],因此,实际工程中考虑侵限桩或侵限锚索数量及破除长度、施工工期、工程风险、交通疏解及工程造价等因素,通常设置明挖竖井截断侵限桩,侵限锚索采用穿心式千斤顶或套管钻机拔除然后盾构掘进通过的处置方案[3-7],而受征地拆迁、地下管线迁改、交通导改等条件制约,加之竖井+穿心式千斤顶或套管钻机拔除锚索可靠性差,侵限桩或侵限锚索段常采用矿山法隧道清障然后盾构空推通过的处置方案。

针对矿山法隧道清障盾构机洞内接收空推的技术方案,国内外众多学者进行了广泛而深入的研究,结合北京地铁14号线工程案例,论述了盾构到达井设置困难的情况下,设置暗挖段扩大端接收室,盾构机接收拆解后通过暗挖标准段倒运至车站吊出的施工工艺;李光山以广深港客运专线益田路隧道为例,针对超大直径泥水盾构矿山法隧道接收及空推施工中的重难点及风险进行了分析并提出了有效的解决措施;乔水旺针对大直径泥水平衡盾构洞内接收过程中可能产生的各种风险,从接收加固、止水等方面提出了相关技术保障措施。

然而,建筑物下矿山法隧道盾构接收的关键技术研究鲜有报道,以成都地铁5号线科园站—九兴大道站区间盾构机洞内接收工程为背景,针对盾构接收端无地面注浆加固及井点降水条件、盾构接收段超小净距下穿建筑物等诸多技术难题进行研究,运用有限元方法分析研究建筑物下盾构机洞内接收的沉降变形规律,并辅以现场实测手段验证,以期为后续类似工程提供有益借鉴。

1 工程概况

成都地铁5号线科园站—九兴大道站区间为地下区间,穿越国家电网成都供电公司南郊110 kV变电站(混凝土3F,柱下独立基础)及生产辅助办公用房(混凝土12F/-2F),生产辅助办公用房为框架剪力墙结构,基础形式为筏板基础,地下室基坑支护结构采用锚拉桩支护,基坑竖向设置2道型钢腰梁,桩间打设锚索,锚索为4束φS15.2 mm钢绞线,长度14.0 m,倾角20°,部分围护桩及锚索侵入区间结构,基坑围护桩和锚索侵入地铁隧道长度分别约4.2 m和5.3 m,为避免征地拆迁工作,同时减少对周围环境的粉尘污染和噪声影响,科园站至变电站生产辅助办公用房段落采用矿山法施工,破除侵限桩和锚索。110 kV变电站内涉及精密仪器,对地铁建设和运营振动等较为敏感,为减小地表及建筑物沉降,矿山法隧道支护结构采用初期支护+不拆撑施作二次衬砌+拆撑后施作三次衬砌的复合式衬砌型式[8-10],二次衬砌与三次衬砌中间施作全包防水层,地层从上至下依次为杂填土、粉质黏土、细砂、稍密卵石、中密卵石、密实卵石、强风化及中风化泥岩,地铁区间隧道与变电站平、剖面位置关系分别如图1、图2所示。

图1 地铁区间隧道与变电站平面位置关系Fig.1 Relationship between the metro tunnel and the substation

图2 地铁区间隧道与变电站剖面位置关系(单位:m)Fig.2 Relationship between the cross-sectional positions of metro tunnel and substation (unit: m)

根据全线工筹,本区间盾构掘进至科园站小里程端矿山法隧道,进行洞内接收,后空推至车站解体吊出。

2 矿山法隧道盾构接收施工方法

2.1 盾构接收地层加固措施

盾构洞内接收端头处位于国家电网成都供电公司南郊110 kV变电站用地范围,地面无袖阀管注浆加固场地条件,且盾构接收段正上方为变电站生产辅助办公用房,竖向净距仅2.4 m,考虑盾构接收时往往欠压掘进,对砂卵石地层扰动较大且超方严重,极易引起建筑物过大变形甚至开裂。

由于地表高层建筑物的限制,矿山法隧道施工时,地面无注浆加固及井点降水条件,为避免地表及建筑物变形过大,矿山法隧道开挖至端头墙时应及时喷射早强混凝土封闭掌子面(预埋管棚导向管),端头墙上预留注浆孔,对堵头墙前方土体注浆加固及止水,随后打设大管棚并压注M10砂浆(盾构隧道与地下室底板夹土层较薄,无法形成有效土拱,需进行超前预支护)。待端头墙大管棚打设完成后,采用泵送型M10砂浆(可掺入适量膨胀剂)回填封堵矿山法隧道10 m,砂浆回填端处设置封堵墙,顶部预留2根φ100 mm PVC管作为砂浆灌注孔,PVC管插入深度6 m,且在顶部预留3个注浆孔,利用其对端头墙内砂浆未填充密实区域进行注浆填充,待盾构机进入接收段时以正常掘进参数掘进,避免地层损失及地层扰动过大,端头墙配筋及矿山法隧道砂浆体盾构接收示意分别如图3、图4所示。

图3 端头墙配筋示意(单位:mm)Fig.3 Schematic diagram of end wall reinforcement (unit: mm)

图4 矿山法隧道盾构接收及潜埋井降水示意(单位:mm)Fig.4 Schematic diagram of shield receiving and buried well in mine tunnel (unit: mm)

2.2 洞内降水方案

盾构洞内接收端头墙处位于变电站用地范围,地面无管井降水场地条件,为防止盾尾后方来水,确保盾构接收无水条件,提出矿山法地铁隧道洞内设置潜埋井降水,反坡排水至站端沉淀池[11]。

2.2.1 预留降水用井口及拱架加固

当开挖掌子面有水渗入时,距离掌子面2 m范围内割除2榀型钢钢架,钢架割除长度1.2 m,割除后钢架两头分别用同等型号工字钢纵向连接,确保初支型钢架的整体性,喷射C25混凝土,使井口周边稳定,井口尺寸≮1.2 m×1.2 m,预留井口及拱架加固如图5所示。

图5 预留井口及拱架加固示意(单位:mm)Fig.5 Schematic diagram of reserved wellhead and arch reinforcement (unit: mm)

2.2.2 人工潜埋井及水泵安装

井口封闭稳定后,井口设置水泵抽干基底积水,人工向下开挖至降水井井深,下放无砂混凝土管过滤器,过滤器与井壁间填充滤料,安装离心泵或潜水泵,排水管路采用PVC管,反坡排水至站端沉淀池,水泵及管路安装完成后,井口用钢板覆盖,铺设时保证平整,洞内潜埋井如图6所示。

图6 洞内潜埋井示意Fig.6 Schematic diagram of buried well inside the tunnel

2.2.3 洞内降水沉井回填

因矿山法隧道初支与二衬未铺设防水层,施作二衬仰拱前把初支断开钢架按原设计连接,二衬施作时预留潜埋井管线孔洞,钢筋预留接驳器。二衬施作完成待盾构机空推出洞后施作三衬,施作三衬仰拱时预留防水板接头,孔洞周边施作中埋止水带,待三衬施作完成且强度达到要求后用水泥砂浆回填管井。

2.3 盾构接收管片拼装控制

由于盾构接收时千斤顶推力变小,导致端头墙附近的管片环与环之间连接不够紧密,管片背部注浆不密实,管片易下沉导致接缝密封垫错茬挤压产生渗漏水、管片错台甚至破损等质量缺陷问题,因此,要做好接收前30环管片的螺栓紧固和复紧工作,螺栓复紧后,用[10型钢沿隧道纵向拉紧管片环,使管片环连成整体,防止管片松弛下沉影响密封防水效果。拉固管片点位主要为隧道中线以上9点、10点、1点和2点位,洞口处管片环纵向拉紧联系如图7所示。

图7 洞口处管片环纵向拉紧联系示意Fig.7 Longitudinal tensioning connection of the segment ring at the portal

3 矿山法隧道盾构接收沉降数值分析

3.1 计算模型

运用有限元分析软件MIDAS/GTS NX建立三维有限元模型对建筑物下矿山法地铁隧道盾构接收的沉降变形规律进行分析研究,数值模型横向宽度x取160 m,纵向宽度y取160 m,竖向高度z取50 m,围岩、建筑物与地铁隧道整体有限元模型如图8所示,建筑物与地铁隧道空间相对位置关系如图9所示,矿山法隧道盾构接收洞口如图10所示。大管棚采用植入式梁单元模拟,盾构管片、端头墙及建筑物板墙采用2D板单元模拟,土体、砂浆回填体及建筑物基础等采用3D实体单元模拟,静力计算分析时模型四周采用法向约束边界,底部采用固定边界条件,顶面采用自由变形边界[12-14]。

图8 围岩、建筑物与地铁隧道整体有限元模型(单位:m)Fig.8 Overall finite element model of surrounding rock、 building and metro tunnel (unit: m)

图9 建筑物与地铁隧道空间相对位置关系Fig.9 Relative positional relationship between buildings and subway tunnel space

图10 矿山法地铁隧道盾构接收洞口示意Fig.10 Schematic diagram of shield tunnel receiving in mining method tunnel

3.2 计算参数

盾构管片、矿山法复合式衬砌结构、建筑物板墙、回填砂浆体及独立基础等采用线弹性本构模型,土体采用修正摩尔-库伦本构模型,考虑盾构法和矿山法施工的时间效应,开挖、支护过程荷载释放率分别取30%和70%[15-16],土层和结构的基本物理力学参数分别如表1、表2所示。

表1 土层基本物理力学参数Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of soil layer

表2 结构基本物理力学参数Tab.2 Basic physical and mechanical parameters of structure

3.3 地表及建筑物沉降变形分析

3.3.1 地表及建筑物监测点布设

根据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》盾构隧道轴线上方地表应布设监测点,且盾构接收段应适当加密,考虑盾构接收易引起地表过大变形甚至塌陷,应有地表沉降横向监测断面;盾构接收段小净距下穿变电站办公用房,风险等级较高,建筑物外墙转角及沿外墙每10 m处应布设监测点[19],地表及建筑物沉降监测点布置如图11所示。

图11 地表及建筑物沉降监测点布置示意Fig.11 Layout of ground and building settlement monitoring points

3.3.2 地表及建筑物沉降变形分析

建筑物下矿山法地铁隧道盾构接收采用超前大管棚+两道端头墙+回填砂浆体+洞内潜埋井降水方案,地表及建筑物沉降历时曲线如图12～图15所示(施工步序通过有限元程序提供的“激活”与“钝化”功能模拟盾构掘进及管片拼装[20-21],开挖进尺与施工现场单日累计掘进长度对应),盾构接收段地表沉降极值为3.81 mm,位于盾构接收端头正上方地表,竖向变形极值小于地表沉降30 mm控制值,盾构机刀盘距矿山法隧道端头墙约35 m范围掘进施工对地表沉降影响显著,施工期间应加强监控量测及盾构掘进参数控制。

图12 右线盾构掘进地表沉降历时曲线(数值模拟)Fig.12 Predicted surface settlement duration curve of shield tunneling on the right line

图13 左线盾构掘进地表沉降历时曲线(数值模拟)Fig.13 Predicted surface settlement duration curve of shield tunneling on the left line

图14 右线盾构掘进建筑物沉降历时曲线(数值模拟)Fig.14 Predicted buildings settlement duration curve of shield tunneling on the right line

图15 左线盾构掘进建筑物沉降历时曲线(数值模拟)Fig.15 Predicted building settlement duration curve of shield tunneling on the left line

盾构接收段正上方变电站办公用房沉降极值为8.52 mm,位于盾构隧道轴线上方,沉降极值小于15 mm控制值要求。

4 矿山法隧道盾构接收沉降施工监测

矿山法地铁隧道盾构接收地表及建筑物沉降历时曲线如图16～图19所示,盾构接收段地表沉降极值为2.91 mm,位于盾构接收端头正上方地表,竖向变形极值小于地表沉降控制值,地表沉降变化速率小于单日变形量3 mm控制值。

图16 右线盾构掘进地表沉降历时曲线(实测)Fig.16 Measured surface settlement duration curve of shield tunneling on the right line

图17 左线盾构掘进地表沉降历时曲线(实测)Fig.17 Measured surface settlement duration curve of shield tunneling on the left line

图18 右线盾构掘进建筑物沉降历时曲线(实测)Fig.18 Measured buildings settlement duration curve of shield tunneling on the right line

图19 左线盾构掘进建筑物沉降历时曲线(实测)Fig.19 Measured building settlement duration curve of shield tunneling on the left line

盾构隧道轴线正上方变电站办公用房沉降极值为10.05 mm,沉降极值小于15 mm控制值,沉降变化速率小于单日变形量2 mm控制值。

现场实测值与计算值基本吻合,因此,基于超前大管棚+两道端头墙+洞内回填砂浆体+洞内潜埋井降水方案可确保盾构安全接收。

5 结论及建议

以成都地铁5号线科园站—九兴大道站区间建筑物下矿山法隧道盾构接收工程为背景,运用有限元程序分析研究洞内盾构接收地表及建筑物沉降变形规律,并通过现场实测手段验证,主要结论如下。

(1)建筑物下常规矿山法地铁隧道盾构接收无地面注浆加固及井点降水条件,提出超前大管棚+两道端头墙+洞内回填砂浆体+洞内潜埋井降水的盾构接收方案,通过数值分析及现场实测手段,技术方案合理可行,可为后续类似工程提供借鉴。

(2)建筑物下矿山法地铁隧道盾构接收采用基于洞内回填砂浆体及潜埋井降水的盾构接收方案,数值分析表明,盾构接收端头地表沉降极值为3.81 mm,小于地表竖向变形控制值,且距矿山法隧道端头墙约35m范围盾构掘进对地表沉降影响显著,施工期间应加强监控量测;盾构接收段正上方建筑物沉降极值为8.52 mm,小于建筑物沉降控制值要求,与现场实测值基本吻合。

(3)盾构机中盾进入砂浆体后,建议利用径向注浆孔向盾体外注聚氨酯,及时填充开挖轮廓与盾体间的环形构造空隙,防止涌水涌砂引起地表及建筑物过大变形甚至开裂。

(4)矿山法隧道洞内盾构接收时,为避免盾尾后方来水,建议管片脱出盾尾后注快凝双液浆填充建筑空隙,每隔3～5环施作止水环。