盾构穿越地铁车站外延障碍物清除工艺分析

夏 鑫，林 刚，宋同伟，刘轶群

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031)

随着我国城市轨道交通的迅速发展,各大城市轨道交通线网逐步成型,换乘节点数量逐步增加,新建线路盾构机面临始发、接收段下穿既有站的情况愈发多见[1-4]。通常既有车站为远期线路预留下穿廊道,但在实际工程中,往往存在因外力导致原预留廊道无法使用,存在既有车站的围护桩、抗拔桩、格构柱阻碍盾构正常掘进的问题。本文结合某城市盾构穿越桥-站合建运营地铁车站工程案例,对既有车站基础外延障碍物清除工艺研究与分析。

1 工程概况

某城市新建地铁盾构区间采用Φ8 620 mm盾构机,因小里程端车站场地受限,盾构机计划由大里程向小里程方向掘进,盾构始发后不足20 m立即开始下穿既有运营车站,既有车站为市政高架桥—地铁合建车站。新建区间隧道与既有运营车站平面位置关系见图1。

受外部因素导致既有车站原预留下穿廊道无法使用,区间隧道被迫调整线路平面,调整后区间隧道与既有车站底板净距仅有2.2 m;右线隧道于车站端头处侧穿市政匝道桩基础,净距约0.8 m;左右线隧道净空范围内各存在10根Φ1 200钢筋混凝土车站围护桩以及2根Φ800格构柱桩基础。若考虑避让障碍物,则线路需下压至少6 m,进而导致盾构始发端车站投资大幅增加以及功能受损,因此基于原线路纵坡进行方案研究。

为保证盾构机下穿顺利且不影响既有车站的运营,需提前清除隧道净空范围内的车站基础外延障碍物。

2 既有清障方案分析

根据本区间实际情况,结合类似工程思路,对几种常规清障方案进行分析[5-18]。

2.1 盾构磨桩结合开仓人工清障方案

对于车站主体两侧的钢筋混凝土围护桩,盾构采用小推力、低转速工况对刀盘净空范围内部分进行切削处理;而对于车站下方的格构柱桩基础则采用“盾构开仓+人工破除”措施。基于本区间实际情况,此方案存在以下缺点：

1)障碍物位于盾构始发区段,采用盾构破除车站围护桩,可能造成刀盘、刀具损耗过大甚至于损坏,为后续近2 km的掘进留下隐患。

2)格构柱桩位于既有运营车站底板下方,不具备地层预注浆加固条件;若采用常压开仓,因区间隧道位于岩土分界面,地下水水量较大,且受既有车站影响,降水条件受限,常压开仓风险极高;若采用带压开仓,因障碍物规模大、数量多,需经历数次停机、建压、开仓、启机的过程,不仅工效极低而且多次建压的过程中可能对既有站结构造成影响。

3)下穿段位于复合地层,盾构施工控制难度相对较高,掘进过程中容易因超挖引起车站基底持力层局部塌空,进而导致车站结构破坏。

2.2 马蹄形复合衬砌矿山法隧道清障方案

采用马蹄形矿山法复合衬砌辅以超前大管棚,按CRD法或预留核心土+环形短台阶法等工法开挖隧道,破除障碍物后施作防水层、二衬作为盾构始发盲洞,盾构机于盲洞端头始发。基于本区间实际情况,此方案存在以下风险：

1)本方案隧道衬砌侵入市政桥匝道桩基础结构范围,需在隧道实施前暂停市政桥运营并对桥桩进行托换,投资较大且具备一定的社会影响。

2)隧道与既有车站底板间夹土仅0.7 m,基本不具备超前大管棚施工空间,开挖过程中夹土体更加难以保存,极易导致车站基底持力层局部塌空,进而导致车站结构破坏。马蹄形矿山法隧道(复合衬砌)断面见图3。

2.3 马蹄形喷锚衬砌矿山法隧道清障方案

在上一方案的基础上进行优化,取消二衬以削减隧道净空面积,采用马蹄形矿山法喷锚衬砌(见图4),避让既有市政桥桩;清障后可选择盾构空推+拼装管片通过或隧道回填低标号素混凝土后盾构正常掘进通过两种方案。基于本区间实际情况,此方案存在以下缺点：

1)若采取盾构空推+拼装管片通过方案,空推过程中,管片易产生管片错台、破损等问题,工程质量管控难度大;且管片与喷锚衬砌间需吹填豆粒石注浆填充,实际施工过程中容易发生窜浆等问题,导致管片壁后回填不密实,存在空洞,导致远期沉降;严重时可能导致盾体、盾尾被浆液包裹,影响后续正常掘进。

2)若选择隧道回填低标号素混凝土后盾构正常掘进通过方案,可有效解决盾构下穿复合地层的问题,且保证管片拼装质量,但所需素混凝土回填量较大,投资增加较多。

3)本方案隧道衬砌与既有站底板最小竖向净距约1.5 m,与桩基础最小平面净距约1 m,右线矿山法隧道与市政桥匝道桩基础净距8 cm。隧道与车站底板夹土体较薄,隧道开挖过程中,可能发生局部车站基底持力层局部塌空,进而导致车站结构破坏。

3 本工程清障工艺研究

1)因盾构磨桩+人工破除清障方案风险极高,故不适宜采取。

2)受限于周边既有建构筑物的空间限制,不宜采用复合式衬砌矿山法隧道清障方案。

3)此类工程宜采用喷锚衬砌矿山法隧道清障方案配合“回填素混凝土后盾构正常掘进通过”,但其回填量较大,方案经济性较差。

4)基于新建隧道与既有车站的空间关系,在开挖过程中势必存在局部夹土体松散塌落的情况。因此本方案必须保证夹土体坍塌范围在车站结构可承受范围内,避免车站结构受损,尤其既有车站为桥-站合建运营地铁车站,其结构体系较常规车站更为复杂,社会影响面更为广泛,一旦发生结构破坏,其后果将是难以承受的。

通过优化喷锚衬砌矿山法隧道清障方案,提出半圆形矿山法隧道(喷锚衬砌)清障方案(见图5),即采用半圆形喷锚衬砌辅以超前大管棚措施施作矿山法隧道清障后,回填低标号素混凝土,盾构掘进下穿既有车站。该可大幅节约开挖与回填工程量,同时显著缩短工期,但应保证夹土体坍塌范围满足车站结构承载能力。

4 有限元模拟及分析

4.1 计算方法

新建隧道下穿应重点控制沿隧道横向持力层塌空范围,通过控制单次横向开挖宽度,降低围岩变形幅度,进而控制单次开挖时塌落夹土体范围。由于本隧道毛洞宽不足10 m,为保证工程的可实施性,按隧道采用全断面开挖以及CD法开挖方式进行有限元模拟,研究不同单次开挖宽度下新建矿山法隧道施工对既有车站基底持力层夹土体的影响[19-21]。

因有限元计算原理无法模拟离散体的松散坍塌工况,选取最不利工况,不考虑实际施工中注浆回填等措施效果,假定Peck公式沉降曲线反弯点范围(即沉降槽宽度系数i范围)内所有夹土体在开挖期间全部塌落。沉降槽横向分布图见图6。

本文采用Midas GTS NX有限元软件,建立3D地层-结构模型分别模拟全宽度开挖以及两导洞开挖时既有车站基底持力层的沉降曲线,根据Peck公式沉降曲线原理,得到各工况下既有车站基底地层最大沉降槽宽度系数i,再代入车站3D结构-荷载模型,计算不同开挖工况下的车站结构受力,确定隧道开挖工法。基于3D地层-结构模型按拟定开挖工法实际施工步骤进行计算模拟,预测既有车站沉降,验证清障方案合理性。

4.2 模型材料参数

有限元模型相关材料参数详见表1—表3。

表1 岩土材料物理力学参数

表2 结构物理力学参数

根据既有车站设计及地勘资料,其基底持力层为密实卵石土层,竖向基床系数为70 MPa/m,侧墙范围土体水平向基床系数加权平均值为51 MPa/m,岩土侧压力系数加权平均值为0.31。矿山法隧道下穿期间降水至隧道底部,根据地区卵石地层降水特性,视车站主体结构不受地下水作用。

表3 桥梁荷载

4.3 结果分析

结构模型及计算结果见图7—图12。

根据计算结果拟合,全断面开挖时车站基底持力层最大沉降槽宽度系数i约为6.21 m,开挖时车站基底持力层横向塌空宽度为12.42 m,约为1.25B;CD法开挖时车站基底持力层最大沉降槽宽度系数i为3.35 m,即认为开挖时车站基底持力层横向塌空宽度为6.7 m,约为0.67B。

将上述数据分别代入车站3D结构-荷载模型模拟两种工况下的车站受力情况并核算各结构构件(见图13—图17)。

根据既有车站设计资料验算,全断面开挖工况下,车站底纵梁基本组合弯矩达到了22 558 kN·m,远超其设计可承受的最大基本组合弯矩16 400 kN·m;而CD法开挖工况下既有车站各构件受力均在其设计可承受范围内。因此初步拟定半圆形矿山法隧道(喷锚衬砌)清障方案采用CD法开挖,然后建立3D地层-结构模型按实际CD法施工步骤,模拟左右线矿山法隧道下穿既有车站,完成隧道开挖支护后,既有车站最大沉降约7.1 mm(见图18),满足相关规范要求。

5 现场实际施工与监测情况

2021年9月—2021年11月,施工承包商按半圆形矿山法隧道(喷锚衬砌)清障方案,采取左线左导洞→左线右导洞→右线右导洞→右线左的施工顺序,完成矿山法隧道开挖与支护作业。

期间施工承包商按相关规范及既有车站业主管理文件要求,对既有车站采取自动化监测,涵盖轨行区道床、侧墙竖向、横向、纵向位移等项目。截止矿山隧道施工完成,对既有车站的各项数据均未超过预警值(见表4)。

表4 变形沉降控制指标

选取隧道轴线位置对应的既有车站侧墙、轨行区测点竖向位移数据进行汇总。测点布设示意图见图19。

结果如图20所示,其中最大竖向沉降出现在左右线的2号测点处,均为-5.82 mm,其次为1号、3号测点,最小竖向沉降出现均为4号测点,与3D地层-结构模型所体现的车站位移趋势一致。

2022年3月,本区间两台盾构均在清障回填后平稳下穿既有车站。下穿期间既有车站监测情况平稳无异常且监测数据仍未超过预警值,矿山法隧道喷锚衬砌与超前大管棚在盾构下穿期间,起到了较好的隔离效果;通过矿山法隧道回填低标号混凝土,将地层由上软下硬人为修正成了均一性良好的地层,有效规避了盾构在复合地层中下穿既有车站的风险。

6 结论

本文结合某城市盾构穿越桥-站合建运营地铁车站工程案例,对既有车站基础外延障碍物清除工艺研究与分析。通过对既有方案的总结、理论分析、有限元模拟,提出CD法开挖半圆形矿山法隧道(喷锚衬砌)清障工艺,并通过实际工程的验证,自身具备风险可控、施工效率高、投资较低等优点,同时还可作为后续盾构下穿的重要保护措施,对类似工程具有十分重要的借鉴意义。