張海濤

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430063)

0 引言

近年來(lái), 隨著全國(guó)各大城市修建地鐵數(shù)量的大量增加, 地鐵區(qū)間施工過(guò)程遇到的問(wèn)題也越來(lái)越多，如地鐵隧道和車站開挖引起周圍土體變形沉降、地鐵遇到火災(zāi)情況下的緊急處理等[1-4]。所以, 開展地鐵各方面研究的學(xué)者也相對(duì)增多，如白云霄等[5]以西安地鐵4號(hào)線為案例, 對(duì)區(qū)間風(fēng)井的必要性、布置原則等方面進(jìn)行了研究分析, 為后續(xù)地鐵風(fēng)井的設(shè)置提供了一定參考。

但是隨著地鐵施工的進(jìn)行, 中間風(fēng)井施工受到外部環(huán)境因素影響的案例越來(lái)越多，因此, 需要采用其他工法完成風(fēng)井施工。陳衛(wèi)軍[6]采用暗挖法分離式豎井方案進(jìn)行超大區(qū)間中間風(fēng)井施工, 實(shí)現(xiàn)了降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約成本的目標(biāo)。彭長(zhǎng)勝[7]通過(guò)研究圍護(hù)、止水等方案成功解決了超深風(fēng)井施工風(fēng)險(xiǎn)。其他工程中也對(duì)特殊情況下的中間風(fēng)井采用了先隧后井、吊筑法等施工工藝來(lái)控制施工風(fēng)險(xiǎn)和施工成本[8-12]。數(shù)值理論計(jì)算對(duì)區(qū)間風(fēng)井方案的創(chuàng)新提供了可靠的依據(jù)。秦義[13]以沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線為案例, 對(duì)比分析了三維地鐵風(fēng)井與二維地鐵風(fēng)井計(jì)算結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)了二維計(jì)算區(qū)間風(fēng)井結(jié)構(gòu)的不足之處。殷凱等[14]對(duì)三維區(qū)間風(fēng)井結(jié)構(gòu)斷面計(jì)算分析進(jìn)行了研究, 提出了荷載折減法的計(jì)算方法, 研究表明通過(guò)荷載折減法計(jì)算的三維區(qū)間風(fēng)井?dāng)嗝娼Y(jié)果既安全又不會(huì)過(guò)于保守, 為設(shè)計(jì)和施工提供了很大便利。

以上文獻(xiàn)僅對(duì)風(fēng)井本體進(jìn)行了研究，沒(méi)有考慮盾構(gòu)隧道穿越風(fēng)井后存在的問(wèn)題。本文針對(duì)蘇州地鐵盾構(gòu)隧道直接掘進(jìn)通過(guò)明挖風(fēng)井后，位于地下空間下方的深埋盾構(gòu)隧道與區(qū)間風(fēng)井間封堵困難、整環(huán)管片拆除風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大的問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的管片局部拆除方案，即盾構(gòu)隧道上部管片拆除后增加梁板形成倒“Ω”結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證其可行性。研究結(jié)果以期為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

以蘇州軌道交通某區(qū)間風(fēng)井為例, 該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工, 在區(qū)間內(nèi)設(shè)置一個(gè)車站脫離風(fēng)井(簡(jiǎn)稱中間風(fēng)井),中間風(fēng)井與蘇州站南廣場(chǎng)地下空間同期先行建設(shè), 位于南廣場(chǎng)地下空間下方, 風(fēng)井施工完成后回填土, 待盾構(gòu)隧道施工完成后再開挖內(nèi)部土體。風(fēng)井布置受鐵路蘇州站站房、南廣場(chǎng)地下空間、北環(huán)快速路輔路隧道等制約, 風(fēng)井內(nèi)凈空沿線路方向長(zhǎng)度為5.3 m, 在風(fēng)井內(nèi)部設(shè)置1個(gè)人防隔斷門, 門框處鋼筋接駁器均進(jìn)行了預(yù)留; 風(fēng)井兼作聯(lián)絡(luò)通道功能, 兩線中間設(shè)置檢修樓梯至風(fēng)道層。中間風(fēng)井平面位置示意圖如圖1所示。

風(fēng)井施工時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維筋連續(xù)墻, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)施工3 m長(zhǎng)端頭加固區(qū), 風(fēng)井施工完成后在其內(nèi)部回填黏土, 并充填注漿, 采用盾構(gòu)直接切削玻璃纖維筋通過(guò)的方式。中間風(fēng)井端頭加固剖面圖如圖2所示。待盾構(gòu)完成, 清除風(fēng)井處土體后, 拆除風(fēng)井處管片環(huán), 施工洞門環(huán)梁和風(fēng)井內(nèi)附屬結(jié)構(gòu), 完成土建工程施工。

圖1 中間風(fēng)井平面位置示意圖

圖2 中間風(fēng)井端頭加固剖面圖(單位： mm)

Fig. 2 Profile of end reinforcement of middle ventilation shaft(unit：mm)

風(fēng)井所處位置的土層由上至下分別是： ①雜填土層、②黏土層、③粉質(zhì)黏土層、④-1粉質(zhì)黏土層、④-2粉質(zhì)黏土夾粉土互層、⑤粉質(zhì)黏土層、⑥-1黏土層、⑥-2粉質(zhì)黏土層、⑥-3粉質(zhì)黏土層、⑦粉質(zhì)黏土層。風(fēng)井位置所在土層主要為⑤-1粉質(zhì)黏土層、⑥-1黏土層。場(chǎng)地地下潛水位約為1.5 m。

盾構(gòu)施工通過(guò)前風(fēng)井內(nèi)已積水嚴(yán)重, 盾構(gòu)切削玻璃纖維筋連續(xù)墻通過(guò)中間風(fēng)井后發(fā)現(xiàn)風(fēng)井上部風(fēng)道內(nèi)存在一定程度的涌水, 需在兩端風(fēng)道內(nèi)進(jìn)行間斷抽水, 以防止涌水對(duì)火車站南廣場(chǎng)地下空間造成影響。該涌水為盾構(gòu)通過(guò)風(fēng)井后, 地下水自管片外側(cè)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的空隙進(jìn)入風(fēng)井, 之后上滲進(jìn)入風(fēng)道； 且通過(guò)在盾構(gòu)隧道內(nèi)二次注漿無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效封堵, 風(fēng)道內(nèi)存在持續(xù)涌水?？紤]到風(fēng)井位于地下空間下方, 為封閉空間, 不具備大型設(shè)備的應(yīng)急搶險(xiǎn)工作面, 為避免內(nèi)部土體清除和管片拆除后出現(xiàn)較大風(fēng)險(xiǎn), 進(jìn)行了局部拆除風(fēng)井內(nèi)上部管片作為通風(fēng)口的方案研究, 即通過(guò)增加一個(gè)中板形成倒“Ω”結(jié)構(gòu)。

2 方案研究

為減小工程風(fēng)險(xiǎn), 并保證通風(fēng)、人防和防災(zāi)等要求。對(duì)本工程車站、盾構(gòu)隧道區(qū)間和中間風(fēng)井工程進(jìn)行梳理, 對(duì)于中間風(fēng)井內(nèi)設(shè)置的人防門可通過(guò)調(diào)整人防分區(qū)解決; 對(duì)于中間風(fēng)井兼作聯(lián)絡(luò)通道的功能, 在風(fēng)井內(nèi)不設(shè)置的情況下可以保證每600 m設(shè)一聯(lián)絡(luò)通道的要求; 風(fēng)井內(nèi)檢修可通過(guò)風(fēng)亭進(jìn)入風(fēng)道進(jìn)行。保證通風(fēng)口面積和減小管片局部拆除風(fēng)險(xiǎn), 并保證新做倒“Ω”結(jié)構(gòu)可靠為本方案重點(diǎn)。倒“Ω”結(jié)構(gòu)橫斷面如圖3所示。

圖3倒“Ω”結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖(單位： mm)

Fig. 3 Cross-section of reverse-Ω structure (unit： mm)

2.1 管片拆除范圍

風(fēng)井內(nèi)部已拼裝好的管片在右線隧道存在4環(huán)整環(huán)(環(huán)寬1.2 m)、左線隧道存在3環(huán)整環(huán), 如打開3整環(huán), 將導(dǎo)致開口一側(cè)距離風(fēng)井結(jié)構(gòu)較近, 最小距離為320 mm, 不能形成相對(duì)穩(wěn)定一環(huán)作為可靠支撐。故選取拆除2環(huán)上部管片, 沿線路方向施工200 mm環(huán)梁保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 沿線路方向凈寬為2 m。根據(jù)通風(fēng)專業(yè)計(jì)算, 通風(fēng)口面積需保證不小于7.6 m2, 上部管片凈開口寬度為3.8 m, 保證通風(fēng)口有效面積滿足通風(fēng)要求。通風(fēng)口開孔如圖4所示。

圖4拆除局部管片平面示意圖(單位: mm)

Fig. 4 Plan of partial segment demolition (unit: mm)

2.2 管片局部拆除方案

管片局部拆除需在不同階段滿足以下幾點(diǎn)要求: 1)需保證管片上方土體開挖及管片局部割除時(shí)工作面的安全可靠性及管片的整體穩(wěn)定性; 2)后做連接結(jié)構(gòu)需保證冷縫止水和結(jié)構(gòu)連接的可靠性; 3)完成后的倒“Ω”結(jié)構(gòu)需滿足整體受力和穩(wěn)定要求, 包含抗浮、管片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、節(jié)點(diǎn)處受力要求。

2.2.1 管片拆除前施工準(zhǔn)備

管片拆除前需增加風(fēng)井和風(fēng)道內(nèi)明水抽排, 通過(guò)管片內(nèi)部注漿孔和增設(shè)注漿孔對(duì)滲水空隙進(jìn)行封堵, 同時(shí)對(duì)風(fēng)井內(nèi)管片及風(fēng)井兩側(cè)各5環(huán)管片中下部均采用16號(hào)工字鋼進(jìn)行拉緊處理, 隧道內(nèi)部管片采用H型鋼做臨時(shí)支撐, 隧道橫斷面設(shè)3道豎向型鋼支撐, 隧道縱向設(shè)3道支撐, 共計(jì)9道型鋼支撐。臨時(shí)支撐橫斷面示意圖如圖5所示。

圖5 臨時(shí)支撐橫斷面示意圖

內(nèi)部支撐好以后進(jìn)行風(fēng)井內(nèi)土體挖除, 挖至新增加水平板結(jié)構(gòu)底部, 挖除土體時(shí)對(duì)洞門進(jìn)行不間斷封堵和風(fēng)井內(nèi)抽水。采用人工挖土填裝于編織袋內(nèi), 堆放在風(fēng)道中, 后期作為涌水反壓應(yīng)急物資。施工完畢后, 采用隧道內(nèi)電瓶車通過(guò)隧道運(yùn)出。

2.2.2 管片拆除及增加梁板方案

挖土后立即進(jìn)行切割管片、增加梁板的施工, 風(fēng)井內(nèi)部和管片內(nèi)部增設(shè)注漿孔注漿。該階段需保證冷縫止水和結(jié)構(gòu)連接的可靠性, 同時(shí)需采取措施防止盾構(gòu)隧道沉降、上浮和左右移動(dòng)的變形造成管片結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞, 保證管片的整體性。具體措施如下。

2.2.2.1 管片切割

左、右線各拆除2環(huán)管片封頂塊(K塊)、臨接塊(B塊)各1個(gè), 可滿足通風(fēng)面積要求。采用金剛石繩鋸進(jìn)行分塊切割, 切割管片需避免對(duì)鄰接塊管片造成擾動(dòng)及損傷, 同時(shí)在風(fēng)井結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝5 t電動(dòng)葫蘆進(jìn)行管片吊裝; 然后對(duì)管片進(jìn)行分塊, 采用油漆進(jìn)行標(biāo)示, 確保每塊管片≤0.5 t; 對(duì)劃分好的每塊管片鑿除表面混凝土, 焊接吊耳; 再根據(jù)管片混凝土的切割位置安裝導(dǎo)軌, 延切割線適當(dāng)加長(zhǎng), 導(dǎo)軌與管片混凝土間采用膨脹螺栓緊固； 最后采用電動(dòng)葫蘆進(jìn)行吊裝，由隧道內(nèi)電瓶車或翻斗車運(yùn)出。

2.2.2.2 結(jié)構(gòu)連接

鑿毛風(fēng)井內(nèi)側(cè)墻, 在側(cè)墻植筋與增加水平板連接, 鑿?fù)钢懈魤? 使增加水平板與兩隧道中間腔體內(nèi)增加的水平板形成一個(gè)整體; 增加水平板與既有管片可靠連接, 在混凝土管片內(nèi)植筋。風(fēng)井端墻處弧形混凝土管片采用外凸環(huán)梁的形式與風(fēng)井端墻連接, 將外凸的所有管片全部包住, 在端墻和混凝土管片內(nèi)植筋, 外凸環(huán)梁的環(huán)向鋼筋錨入增加的水平板, 外凸環(huán)梁與水平板一次性澆筑。具體構(gòu)造形式及配筋如圖6和圖7所示。

圖6 增加水平板節(jié)點(diǎn)配筋圖(單位: mm)

Fig. 6 Node reinforcement drawing of adding horizontal beam(unit: mm)

圖7 外凸環(huán)梁配筋圖(單位: mm)

2.2.2.3 結(jié)構(gòu)防水

結(jié)構(gòu)防水主要分為2個(gè)方面： 1)新增加梁板與既有風(fēng)井結(jié)構(gòu)和管片之間的冷縫防水； 2)增加對(duì)管片外側(cè)土體的止水效果。

對(duì)于冷縫，采用遇水膨脹橡膠止水條配合預(yù)埋注漿管的方式進(jìn)行止水。由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件較差, 在此種方式無(wú)法滿足的情況下, 可考慮采用嵌入壓縮密封體進(jìn)行冷縫止水。

2.2.2.4 周邊地層穩(wěn)定

為防止管片移位變形或管片沉降對(duì)結(jié)構(gòu)的影響, 同時(shí)增加管片外部土體的止水效果, 對(duì)管片周圍土體進(jìn)行注漿, 主要有以下幾點(diǎn): 1) 通過(guò)水平板施工時(shí)預(yù)埋注漿管對(duì)下方土體進(jìn)行注漿; 2) 通過(guò)管片底部注漿孔和增設(shè)注漿孔對(duì)管片底部土體注漿; 3) 加強(qiáng)洞門封堵注漿。

2.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及受力計(jì)算分析

2.3.1 計(jì)算模型

為了驗(yàn)證管片負(fù)環(huán)局部拆除后管片受力是否滿足地鐵運(yùn)營(yíng)期使用要求, 本文使用有限元分析軟件對(duì)管片受力情況進(jìn)行計(jì)算。將管片視為均質(zhì)圓弧, 采用徑向受壓彈簧和切向的拉壓彈簧對(duì)管片進(jìn)行約束, 不考慮管片接頭的影響, 對(duì)管片剛度進(jìn)行折減, 乘以0.8折減系數(shù)。荷載取值不考慮風(fēng)井作用, 按照結(jié)構(gòu)置于土中進(jìn)行水土分算, 水頭取歷年最高水位和地面以下0.5 m高值, 土壓力以地下空間上方地面起算。

對(duì)管片受力進(jìn)行平面分析, 取寬度1 m單元進(jìn)行計(jì)算, 考慮到管片開孔處約束介于簡(jiǎn)支和固支之間, 對(duì)開孔處約束分別按簡(jiǎn)支和固支進(jìn)行計(jì)算。按照結(jié)構(gòu)可靠的原則, 端部支座軸力和剪力值取2個(gè)計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值。2種模型的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1簡(jiǎn)支約束模型和固支約束模型參數(shù)

Table 1 Parameters of simple support constraint model and fixed support constraint model

約束類型模型斷面尺寸/(m×m)材料計(jì)算方式簡(jiǎn)支約束1×0.35C50混凝土水土分算固支約束1×0.35C50混凝土水土分算

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

簡(jiǎn)支和固支約束模型計(jì)算的剪力、軸力和彎矩結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知, 通過(guò)計(jì)算得到管片開口端部的剪力、軸力和彎矩最大值分別為229.7 kN、960.4 kN、148.6 kN·m。對(duì)此3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行最不利條件下簡(jiǎn)化分析, 剪力作用面可簡(jiǎn)化為寬度1 m, 高度350 mm的板結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計(jì)算; 與管片連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一根寬350 mm、高600 mm的梁, 計(jì)算軸力為均布荷載施加于梁上, 梁跨度為2.0 m, 則算出的梁端部最大彎矩為320.1 kN·m; 按照板厚350 mm,寬1 000 mm進(jìn)行受彎計(jì)算, 節(jié)點(diǎn)處配筋和植筋均可滿足要求。

(a) 簡(jiǎn)支約束剪力圖(單位： kN)

(b) 簡(jiǎn)支約束軸力圖(單位： kN)

(c) 簡(jiǎn)支約束彎矩圖(單位： kN·m)

(a) 固支約束剪力圖(單位： kN)

(b) 固支約束軸力圖(單位： kN)

(c) 固支約束彎矩圖(單位： kN·m)

但由于管片受力情況復(fù)雜, 且該處管片受力存在剛性節(jié)點(diǎn), 與管片塊與塊之間的柔性連接相沖突, 需對(duì)增加水平板下方及管片下方土體進(jìn)行注漿充填, 保證管片周邊土體密實(shí), 防止管片移位變形或沉降導(dǎo)致的管片結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3 結(jié)論與建議

以蘇州軌道交通某區(qū)間風(fēng)井為例, 采用創(chuàng)新性倒“Ω”結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)隧道上方打開管片作為通風(fēng)口, 大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn), 在理論分析和實(shí)際施工操作中均滿足要求, 實(shí)際沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小于2 mm, 滿足要求。主要結(jié)論如下。

1)風(fēng)井內(nèi)部管片拆除風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大時(shí)可采用拆除上部管片形成通風(fēng)口的方式, 管片與風(fēng)井結(jié)構(gòu)連接形成倒“Ω”結(jié)構(gòu)。

2)為保證倒“Ω”結(jié)構(gòu)受力安全, 需對(duì)周邊土體進(jìn)行加固, 保證基底穩(wěn)定。

3)本文僅對(duì)倒“Ω”結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面受力分析, 與實(shí)際受力情況存在出入, 建議后續(xù)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行研究分析。

4)由于該結(jié)構(gòu)形式非通常結(jié)構(gòu)形式, 受力體系復(fù)雜, 節(jié)點(diǎn)連接相對(duì)薄弱, 地下水頭壓力大, 對(duì)其實(shí)際使用效果需進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)和必要檢測(cè)。