譚富圣，于鶴然

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司城交院，北京 100055)

1 概述

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速持續(xù)發(fā)展，新建暗挖工程下穿既有鐵路、公路、地鐵等工程的情況會(huì)越來(lái)越多，要求新建工程既要滿(mǎn)足現(xiàn)狀設(shè)施安全使用的要求，又要盡量淺埋，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有成熟暗挖工法均存在地面沉降大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、難于滿(mǎn)足上部重要設(shè)施變形要求等問(wèn)題，或?yàn)闈M(mǎn)足變形要求，需投入大量輔助工程及費(fèi)用［1］，并且埋深越淺，上述問(wèn)題越突出，因此找到一種既能在淺埋條件下安全實(shí)施，又能保證上部既有設(shè)施安全要求且造價(jià)適中的新暗挖工法需求強(qiáng)烈。

基于以上原因，在參考國(guó)外STS工法的基礎(chǔ)上，對(duì)沈陽(yáng)某地鐵車(chē)站中部采用新暗挖工法“超前模筑初期支護(hù)法”實(shí)施。本暗挖工法具有施工過(guò)程安全度高、地面沉降小、適用范圍廣闊且造價(jià)適中的特點(diǎn)。特別適用于埋深淺、跨度大、地質(zhì)條件差的軟弱地層內(nèi)，可以很好地控制沉降。

2 工程概況及新暗挖工法簡(jiǎn)介

沈陽(yáng)地鐵10號(hào)線某地鐵車(chē)站位于一環(huán)主路下方某城市主干道交叉路口，10號(hào)線車(chē)站沿一環(huán)主路偏西側(cè)大致呈南北方向跨路口布置，車(chē)站為雙層三跨矩形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)島式站臺(tái)車(chē)站，有效站臺(tái)寬度13 m、長(zhǎng)度118 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度21.7 m，車(chē)站主體總長(zhǎng)225.95 m，結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度為4.0～4.2 m，底板埋深約17.65 m。車(chē)站采用兩端蓋挖中間新暗挖法施工，蓋挖支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+軍用梁鋪蓋體系，新暗挖工法為平頂直墻結(jié)構(gòu)，先完成由相互連為一體的鋼管形成的初期支護(hù)，然后開(kāi)挖土體并完成二襯。本車(chē)站與規(guī)劃遠(yuǎn)期線地鐵車(chē)站換乘，遠(yuǎn)期地鐵線從10號(hào)線車(chē)站下方穿越，10號(hào)線車(chē)站公共區(qū)設(shè)有換乘通道連接遠(yuǎn)期地鐵車(chē)站。

本車(chē)站暗挖部位地質(zhì)情況從上到下依次為雜填土層①(厚度約3 m)、礫砂層③－4(厚度1～3 m)、圓礫層③－5(厚度6～9.3 m)、圓礫層④－5(厚度5～8 m)、礫砂層⑤－4(厚度2～4 m)、圓礫層⑤－5。暗挖結(jié)構(gòu)拱頂部分位于礫砂層③－4及圓礫層③－5，地下水位深度約為6.6～7.1 m，地下水均為潛水。具體地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 車(chē)站暗挖部位地質(zhì)縱斷面(單位:m)

本工程車(chē)站中部采用新暗挖工法主要基于以下幾個(gè)原因:(1)地面交通繁忙、地下管線改移困難且變形控制要求高;(2)車(chē)站盡量減少埋深為遠(yuǎn)期地鐵線下穿創(chuàng)造條件;(3)為不降低車(chē)站使用功能暗挖段設(shè)計(jì)為雙層;(4)傳統(tǒng)暗挖工法采用平頂直墻結(jié)構(gòu)形式在埋深較淺條件下沉降變形大且風(fēng)險(xiǎn)高。

車(chē)站新暗挖工法主要是沿開(kāi)挖輪廓先實(shí)施互相咬合并帶翼板的小直徑鋼管(為方便后期人工進(jìn)入鋼管內(nèi)完成栓釘就位操作，直徑一般0.8 m)，并把各個(gè)獨(dú)立鋼管通過(guò)栓釘或鋼翼板連接并澆筑混凝土，形成整體的板結(jié)構(gòu)，在板結(jié)構(gòu)保護(hù)下開(kāi)挖土體并設(shè)置臨時(shí)或永久支撐，最終澆筑完成二襯(臨時(shí)支撐拆除)。其最大的特點(diǎn)是采用連接為整體的管排結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)暗挖工法的超前支護(hù)及初期支護(hù)，傳統(tǒng)暗挖工法是邊開(kāi)挖邊完成初期支護(hù)，超前支護(hù)剛度較低且整體性差，新暗挖工法是先形成初期支護(hù)且剛度大，變形控制效果好，對(duì)地層適應(yīng)范圍更廣泛，本工法實(shí)施的關(guān)鍵在于控制施工過(guò)程鋼管施工精度，目前采用水平螺旋鉆工藝，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施誤差可以控制在8 mm以?xún)?nèi)。本新工法與NTR工法［2-6］相比，鋼管直徑較小，因此在鋼管實(shí)施期間對(duì)地層擾動(dòng)更小，同時(shí)無(wú)需在鋼管內(nèi)進(jìn)行焊接等作業(yè)，因此工藝更簡(jiǎn)單。新暗挖工法結(jié)構(gòu)橫斷面如圖2所示，初支新型結(jié)構(gòu)大樣如圖3所示。

圖2 新暗挖工法橫斷面(單位:mm)

3 新工法工序及模型計(jì)算

3.1 新工法工序介紹

第1步:首先在暗挖結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置開(kāi)挖工作井及接收工作井，工作井內(nèi)隨挖隨實(shí)施暗挖段頂部及側(cè)向鋼管，并挖除鋼管內(nèi)及鋼管間土體，本步驟關(guān)鍵是控制鋼管施工精度。

第2步:在鋼管內(nèi)安裝連接栓釘，栓釘安裝完成后，在鋼管兩端安裝封堵板，通過(guò)封堵板預(yù)留灌漿孔，向鋼管內(nèi)灌注混凝土。

第3步:臺(tái)階法開(kāi)挖一側(cè)下導(dǎo)洞(Z1)并縱向貫穿后，臺(tái)階法開(kāi)挖Z1導(dǎo)洞頂部Z2導(dǎo)洞，導(dǎo)洞采用格柵支護(hù)。第1～第3步施工如圖4所示。

圖4 新暗挖工法施工步驟1～步驟3

第4步:在Z1導(dǎo)洞內(nèi)分別施工防水板、底縱梁及部分底板，達(dá)到強(qiáng)度要求后在Z2導(dǎo)洞內(nèi)施做鋼管柱、頂縱梁及梁頂防水板。

第5步:重復(fù)第3、第4步工序，縱向先后開(kāi)挖Z3、Z4導(dǎo)洞并施做內(nèi)部梁柱結(jié)構(gòu)及防水板，Z1、Z2導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)與其相鄰的Z3、Z4導(dǎo)洞之間土體進(jìn)行注漿加固處理。

第6步:破除上部導(dǎo)洞間格柵，鋪設(shè)防水層，施做中跨頂板。第4～第6步施工如圖5所示。

第7步:縱向分段開(kāi)挖站廳層中板底以上土體，施做車(chē)站結(jié)構(gòu)邊跨處站廳層側(cè)墻防水層，施工中縱梁、中板及站廳層側(cè)墻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

第8步:待中板及站廳層側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，開(kāi)挖中跨土體至底板底，施作封底結(jié)構(gòu)并拆除導(dǎo)洞部分結(jié)構(gòu)，施做底板防水層及澆筑底板，繼續(xù)開(kāi)挖邊跨土體至底板底，施作封底結(jié)構(gòu)并拆除部分導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)，施做底板防水層及澆筑底板剩余結(jié)構(gòu)。

第9步:施作剩余側(cè)墻及頂板防水層，澆筑側(cè)墻與頂板剩余結(jié)構(gòu)，最后施做內(nèi)部結(jié)構(gòu)。第7～第9步施工如圖6所示。

圖5 新暗挖工法施工步驟4～步驟6

圖6 新暗挖工法施工步驟7～步驟9

3.2 新工法計(jì)算模型及參數(shù)

為了預(yù)測(cè)新暗挖工法實(shí)施過(guò)程對(duì)地面沉降的控制效果及結(jié)構(gòu)受力，本處采用FLAC3D軟件建立三維“地層－結(jié)構(gòu)”的連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行分析。模型分析范圍為:水平方向－50～+50 m，縱向取1個(gè)柱間距9.75 m，重力方向43 m，共計(jì)33 856個(gè)單元，39 303個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型上部為自由表面，施加20 kPa法向壓力模擬地表超載，側(cè)面和底面為法向位移約束邊界。計(jì)算時(shí)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。從上至下模型土層共計(jì)劃分為4層，三維數(shù)值模型見(jiàn)圖7，土層分層及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖8。

圖7 暗挖段三維數(shù)值模型

圖8 暗挖段模型土層劃分

土體及結(jié)構(gòu)等材料的力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告、相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范選取，具體取值見(jiàn)表1。

表1 各個(gè)土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

噴射混凝土采用殼單元模擬，立柱采用梁?jiǎn)卧渌糠志捎脤?shí)體單元。巖土體、注漿區(qū)域采用摩爾庫(kù)倫模型模擬，混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性模型。

整個(gè)模型的計(jì)算過(guò)程嚴(yán)格按照前面3.1部分的施工步驟進(jìn)行。第1步:地應(yīng)力平衡計(jì)算;第2步:施做管幕;第3步:在管幕的支撐下開(kāi)挖車(chē)站范圍內(nèi)右側(cè)下方導(dǎo)洞，洞壁采用格柵+噴射混凝土支護(hù);第4步:開(kāi)挖右側(cè)上方導(dǎo)洞，洞壁采用格柵+噴射混凝土支護(hù);第5步:上下導(dǎo)洞之間人工挖孔樁實(shí)施，并施工底縱梁及部分底板、頂縱梁、鋼管柱;第6～第8步:在車(chē)站范圍左側(cè)重復(fù)第3～第5步工序;第9步:開(kāi)挖站廳層中板底以上土體，施做車(chē)站結(jié)構(gòu)邊跨處站廳層側(cè)墻，施工中縱梁、中板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);第10步:開(kāi)挖至底板底，施作封底結(jié)構(gòu)并拆除導(dǎo)洞部分結(jié)構(gòu)，澆筑底板。主要幾個(gè)施工步驟模型及沉降計(jì)算結(jié)果如圖9～圖17所示。

圖9 第4步后(右側(cè)上下導(dǎo)洞實(shí)施完成模型)

圖10 第4步完成后豎向沉降云圖

圖11 第8步后實(shí)施完成模型

圖12 第8步完成后豎向沉降云圖

圖13 第9步后實(shí)施完成模型

圖14 第9步完成后豎向沉降云圖

其中右側(cè)導(dǎo)洞施工完畢(第四步)后，管幕結(jié)構(gòu)頂部最大沉降3.05 mm，地表最大沉降2.35 mm，沉降云圖見(jiàn)圖10;左側(cè)導(dǎo)洞施工完畢后(第九步完成后)，管幕結(jié)構(gòu)頂部最大沉降4.35 mm，地表最大沉降4.07 mm，沉降云圖見(jiàn)圖12;站廳層中板底以上土體開(kāi)挖完畢后，管幕結(jié)構(gòu)頂部最大沉降8.63 mm，地表最大沉降7.89 mm，沉降云圖見(jiàn)圖14;開(kāi)挖至底板底后，管幕結(jié)構(gòu)頂部最大沉降10.69 mm，地表最大沉降10.23 mm，沉降云圖見(jiàn)圖16。幾個(gè)關(guān)鍵步驟施工完成后地面沉降曲線見(jiàn)圖17。從計(jì)算分析結(jié)果可以看出，采用新工法對(duì)控制地面沉降明顯有優(yōu)勢(shì)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，平頂直墻結(jié)構(gòu)在此種條件下，地面沉降一般達(dá)到40 mm以上［7-8］，本工法最大沉降僅10 mm左右，且施工過(guò)程安全度高。另外，由于本工法鋼管實(shí)施階段采用水平螺旋鉆工藝，管端無(wú)臨空面，鋼管吃土頂進(jìn)，管外空隙可以及時(shí)填充膨潤(rùn)土混合液，因此鋼管實(shí)施階段與普通工藝施工的管棚相比較，沉降量非常小，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)僅2 mm。

圖15 第10步后實(shí)施完成模型

圖16 第10步完成后豎向沉降云圖

圖17 施工過(guò)程各關(guān)鍵步驟地面沉降曲線

4 新工法新型構(gòu)件計(jì)算及模型試驗(yàn)

本新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件是把單獨(dú)鋼管連為整體橫向受力，此種結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，構(gòu)件計(jì)算方法需要重新研究，通過(guò)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)對(duì)此種新型構(gòu)件進(jìn)行分析并總結(jié)一些規(guī)律。

理論計(jì)算采用兩種模型，一個(gè)是新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型，內(nèi)灌C30混凝土，鋼管間采用φ32@200 mm三級(jí)鋼連接(鋼筋僅在管間連接，管內(nèi)不連續(xù)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方式一致)，取雙6 m跨連續(xù)梁模型，支座簡(jiǎn)支(下部的支座為了防止出現(xiàn)點(diǎn)支撐的應(yīng)力集中，采用0.5 m寬鋼支座，與梁之間采用接觸單元分開(kāi))，寬度取1 m;另一個(gè)矩形截面普通鋼筋混凝土梁模型，梁高采用新型結(jié)構(gòu)鋼管間連接部位高度(0.69 m)，其余混凝土、配筋、跨度、支座等參數(shù)均同新型結(jié)構(gòu)［9，10］。兩個(gè)模型均加均布荷載，荷載由100 kPa逐漸增加，每次增加10 kPa，加載到200 kPa均載時(shí)兩者同時(shí)都出現(xiàn)了貫通的塑性區(qū)，如圖18、圖19所示?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ推屏褷顟B(tài)照片見(jiàn)圖20、圖21。

圖18 新型結(jié)構(gòu)連續(xù)梁模型塑性區(qū)貫通

圖19 普通連續(xù)梁模型塑性區(qū)貫通圖

圖20 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ土芽p貫通照片

圖21 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥罱K破壞照片

從理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以看出，新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的薄弱點(diǎn)是2個(gè)鋼管之間的連接部位，無(wú)論采用鋼筋連接方式，還是采用焊接鋼板連接方式，最終都是在連接部位破壞，焊接鋼板連接首先是鋼材屈服，最終焊接連接部位破壞。理論分析表明，普通鋼筋混凝土梁與新型構(gòu)件梁相比，均布荷載加到200 kPa時(shí)，塑性區(qū)貫通，兩者塑性區(qū)分布規(guī)律基本一致，但普通梁范圍略大，等效構(gòu)件最大撓度 4.48 mm，比新型構(gòu)件大11.4%?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，即使塑性區(qū)貫通后，新型構(gòu)件仍然能夠繼續(xù)承受較大荷載，說(shuō)明此種構(gòu)件比普通鋼筋混凝土構(gòu)件延性更好。以此推斷，作為隧道受力結(jié)構(gòu)，新型構(gòu)件在力學(xué)性能上要優(yōu)于等效厚度的鋼筋混凝土構(gòu)件，在考慮新型構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，連接鋼板及連接鋼筋可以等效為普通鋼筋混凝土構(gòu)件配筋，采用等截面鋼筋混凝土構(gòu)件的計(jì)算方法進(jìn)行初步計(jì)算可行，且計(jì)算結(jié)果是偏于安全的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)前面的分析可以看出，新暗挖工法具有地面沉降小、施工過(guò)程安全可靠、適應(yīng)地層廣泛、結(jié)構(gòu)受力明確等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于新暗挖工法無(wú)需超前支護(hù)及超前注漿，沒(méi)有臨時(shí)隔墻及隔板等構(gòu)件，因此造價(jià)相比傳統(tǒng)暗挖工法基本相當(dāng)，此外新暗挖工法可以大面積開(kāi)挖，二襯施工縫更少，有利于提高工效及增強(qiáng)防水效果。

除了前面提到的優(yōu)點(diǎn)外，本新暗挖工法還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步優(yōu)化和完善，使該工法能夠得到廣泛應(yīng)用和推廣。

(1)新暗挖工法需特別注意施工過(guò)程對(duì)鋼管頂進(jìn)精度控制，需要研究更為精確控制鋼管頂進(jìn)的工藝及設(shè)備，提高機(jī)械化水平。

(2)鋼管間連接部分的施工質(zhì)量最為關(guān)鍵，需進(jìn)一步研究連接部位原狀土挖除、混凝土澆筑的工藝，以確保新型構(gòu)件施工質(zhì)量。

(3)本新暗挖工法相比較NTR工法［11］，頂管施工期間沉降更小，且無(wú)需在管內(nèi)進(jìn)行焊接、切割等作業(yè)，但仍然需要人工進(jìn)入鋼管內(nèi)作業(yè)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸不是受力控制而是實(shí)施條件控制，需進(jìn)一步研究無(wú)需人工進(jìn)入鋼管內(nèi)作業(yè)工藝，如此可以使鋼管直徑進(jìn)一步減少，施工更簡(jiǎn)便且造價(jià)更有優(yōu)勢(shì)。

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