李自力 潘旭東 趙香萍 張志強 廖霖

摘 要：文章結(jié)合太原地鐵 2 號線南中環(huán)街站—學(xué)府街站區(qū)間盾構(gòu)穿越中間風井工程實例，對“先井后隧”施工技術(shù)進行闡述，其中重點闡述導(dǎo)臺施工和盾構(gòu)機進出洞工藝;采用 Flac3D 軟件對土壓平衡盾構(gòu)穿越中間風井的支撐結(jié)構(gòu)受力情況以及基坑周邊地表沉降進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，在 1 道混凝土支撐和 2 道鋼支撐的基礎(chǔ)上，盾構(gòu)機過站時左右線洞門新增鋼支撐，可以有效地將基坑開挖以及盾構(gòu)掘進過程中的基坑周邊地表沉降控制在允許范圍內(nèi)，從而保證盾構(gòu)安全、高效、經(jīng)濟地通過中間風井。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu)過站;先井后隧;施工技術(shù)

中圖分類號：U455.43

1 工程概況

太原地鐵2號線南中環(huán)街站—學(xué)府街站區(qū)間盾構(gòu)施工穿越中間風井，該區(qū)間左右線總長均為888.607m，左右線間距14.2 m，最大坡度20.203‰，結(jié)構(gòu)覆土約10.39～17.15 m。盾構(gòu)自學(xué)府街站始發(fā)，到達中間風井，并由中間風井內(nèi)二次始發(fā)，最后到達南中環(huán)街站接收端。中間風井圍護結(jié)構(gòu)采用地連墻形式，風井南北方向長25.01 m，東西方向?qū)?3.7 m，開挖深度20.344m，地連墻厚0.8 m，深度31.544 m（圖1）。

該風井涉及地層有雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、細砂層、黏質(zhì)粉土。雜填土與素填土位于地表，分布廣泛，富水性一般。粉質(zhì)黏土分布不連續(xù)，富水性較差，滲透系數(shù)一般為0.01～0.1 m/天，屬弱透水層。黏質(zhì)粉土多位于地下水位埋深以下，富水性一般，滲透系數(shù)一般為0.1～0.5 m/天，屬弱透水層。粉細砂分布不均，水平分布及厚度差異變化較大，但富水性較好，滲透系數(shù)一般為1.0～10 m/天，屬中等透水層。

2 盾構(gòu)穿越風井施工

該風井施工中主要施工工序如下：地連墻施工（厚度0.8 m，深度31.544 m），開挖基坑同時架設(shè)支撐體系（1道混凝土支撐和2道鋼支撐），主體結(jié)構(gòu)底板施工（C45、P10混凝土，厚度0.9 m），洞門范圍水平注漿加固，洞門破除，導(dǎo)臺結(jié)構(gòu)施工，回填施工，增設(shè)鋼支撐，繼續(xù)回填，盾構(gòu)機進站，盾構(gòu)機出站，后期清理。

2.1 洞門水平加固

（1）加固范圍。風井里程端洞門需破除，背后采用水平注漿加固，加固范圍：沿隧道軸線方向為6 m，斷面范圍為洞門圈以外2.5 m。

（2）注漿孔布置。沿洞門圈周邊布設(shè)水平注漿孔2圈，外圈分布圓直徑為7 m，內(nèi)圈分布圓直徑為6 m，布孔環(huán)向間距0.3 m;洞門圈中部水平注漿孔按矩陣式布設(shè)，間距0.6 m（圖2）。

2.2 混凝土導(dǎo)臺施工

為防止盾構(gòu)過風井時盾構(gòu)機出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象，該工程采取了混凝土導(dǎo)臺施工方案（圖3）?；炷翆?dǎo)臺的主要施工工序包括：測量放線，預(yù)埋鋼筋，綁扎導(dǎo)臺基礎(chǔ)鋼筋，安裝預(yù)埋鋼板，安裝模板支架，澆筑混凝土，并根據(jù)盾構(gòu)機的接收姿態(tài)調(diào)整安裝軌道。風井底板結(jié)構(gòu)完成后，在風井左右線底板施作混凝土導(dǎo)臺，導(dǎo)臺斜面與盾構(gòu)機相切圓直徑為6 830 mm，導(dǎo)臺高度為1000mm，并在靠近結(jié)構(gòu)側(cè)墻位置預(yù)留槽道，便于后期側(cè)墻模板施工;在左右線導(dǎo)臺之間澆筑300 mm厚混凝土，以保證導(dǎo)臺穩(wěn)定性;在導(dǎo)臺內(nèi)側(cè)回填碎石以提高回填土底部承載力，碎石規(guī)格5～10 mm;在導(dǎo)臺中預(yù)埋用于固定鋼軌的鋼板，盾構(gòu)接收前根據(jù)其姿態(tài)焊接鋼軌;在混凝土導(dǎo)臺上進行盾構(gòu)接收、空推、始發(fā)等后續(xù)施工。

2.3 鋼支撐架設(shè)

為保證盾體過站時主體結(jié)構(gòu)安全，在風井內(nèi)需增設(shè)支撐，其中，左右線洞門外側(cè)1 m各增加4根，間隔45°布設(shè)（圖4）。新增加鋼支撐的預(yù)埋鋼板與地連墻主筋焊接，并打設(shè)膨脹螺栓進行固定。新增支撐前先進行土方回填，回填至支撐底部位置時，開始進行支撐架設(shè)。

2.4 回填施工

導(dǎo)臺施工及洞門破除完畢后，在導(dǎo)臺內(nèi)側(cè)回填碎石以提高回填土底部承載力，防止盾構(gòu)過站產(chǎn)生“栽頭”現(xiàn)象，碎石規(guī)格5～10 mm。碎石回填完成后，開始土方回填施工。為保證盾構(gòu)穿越安全，回填高度與地下水位線平齊，在盾構(gòu)穿越區(qū)回填土為塑性改良土（三七灰土），回填范圍為洞門破除范圍外擴2 m，其余部分回填普通素土，回填土均層層夯實（圖5）。

2.5 盾構(gòu)機進站與出站

中間風井回填施工完成后，馬上開始盾構(gòu)機過站。進站過程中，盾構(gòu)機按不大于1 000 t的推力正常掘進和拼裝管片，做好管片背后注漿，當盾尾全部進入中間風井后停止推進，盾構(gòu)機維持在保壓狀態(tài)，然后對中間風井到達端洞門后面6環(huán)以上管片進行二次注漿，在洞門位置將盾尾來水和結(jié)構(gòu)外地下水與中間風井內(nèi)部隔斷。通過盾構(gòu)機刀盤位置出水情況和中間風井內(nèi)管片吊裝孔判斷中間風井洞門封堵情況。當洞門位置封堵良好，沒有明顯滲水時，盾構(gòu)機可以繼續(xù)推進至結(jié)構(gòu)中央，若洞門封堵不嚴、有明顯滲水或涌水，則需繼續(xù)注漿處理，直至完全將洞門封堵嚴密。

在進出洞時，盾構(gòu)機殼體與洞口之間會有環(huán)形空隙，泥水進入該空隙會對土壓平衡造成影響，進而影響盾構(gòu)正常作業(yè)，為防止該情況出現(xiàn)，進站和出站分別進行二次封堵。盾構(gòu)機到達二次始發(fā)端洞門后，檢查盾構(gòu)機運行情況和注漿系統(tǒng)工作狀況，經(jīng)檢查一切正常后開始出站。盾構(gòu)機正常掘進推出端頭加固區(qū)，掘進至盾尾距始發(fā)端洞門約9 m后，盾構(gòu)機暫停掘進。土倉滿倉的情況下對盾尾至始發(fā)端洞門間的6環(huán)管片（每環(huán)寬度1.2m）進行二次注漿，通過中間風井內(nèi)部靠近始發(fā)端洞門的管片吊裝孔檢查始發(fā)端洞門封閉情況。在封堵良好無明顯滲水后盾構(gòu)機繼續(xù)掘進，過站完成。

3 基坑支撐結(jié)構(gòu)分析

3.1 回填施工前支撐結(jié)構(gòu)分析

在開挖風井主體結(jié)構(gòu)過程中，設(shè)有3道支撐結(jié)構(gòu)：1道鋼筋混凝土支撐和2道800 mm（t = 16mm，材質(zhì)Q235B）鋼管內(nèi)支撐。土層開挖至鋼支撐預(yù)設(shè)深度下0.5m時，及時設(shè)置鋼支撐并加載支撐預(yù)加力。通過計算基坑底部以上的墻后水土壓力來確定支撐結(jié)構(gòu)的受力情況，并通過Flac3D軟件對施工過程進行模擬，據(jù)此對基坑進行邊開挖邊支撐。

3.1.1 地連墻水土壓力分析

本文采用朗肯土壓力理論，對坑壁外側(cè)的水土壓力（即支撐結(jié)構(gòu)受力）進行計算。根據(jù)有效應(yīng)力原理，某一點的水土壓力σz、橫向主動土壓力Pa可通過下式計算得到：

式（1）～式（3）中，σ 'z為有效應(yīng)力;Pw為靜水壓力;φ為土的內(nèi)摩擦角;Ka為主動土壓力系數(shù);c為土的黏聚力。

將表1所示土層參數(shù)帶入式（1）～（3）即可可計算得到地連墻所受水土壓力。

3.1.2 支撐結(jié)構(gòu)分析

以盾構(gòu)機的推進方向為Y軸正方向，隧道原點指向地表方向為Z軸正方向，建立基坑及支撐結(jié)構(gòu)數(shù)值模型（圖6）。模型尺寸為145.81m×135.3m×31.544m

（長×寬×高），模型內(nèi)基坑尺寸為25.01m×13.7m×20.344m（長×寬×高），在Z = 17.82m、10.82m、5.02m

處分別采用梁單元建立3道支撐。模型邊界條件，在X = -60.8m和85.81 m處對X方向位移進行約束，在Y = -60 m和Y = 74.5m處對Y方向位移進行約束，在Z = -11.2 m處對Z方向位移進行約束。初始孔隙水壓力為按重力場梯度分布的靜水壓力，滲流模型為各項同性模型，除模型的上表面以外其他所有邊界為不透水邊界，開挖區(qū)域的孔隙水壓力為0，開挖單元設(shè)置為不透水模型。

基坑分步開挖與支護實際上是一個連續(xù)施工的過程，本文采用Flac3D對該基坑工程邊開挖邊支撐進行模擬，計算不同開挖階段支撐系統(tǒng)的受力情況以及相應(yīng)位移情況。

（1）圖7為不同開挖階段的支撐結(jié)構(gòu)變形云圖。其中，圖7a（階段1）、圖7b（階段2）、圖7c（階段3）分別為開挖至第1道支撐、第2道支撐、第3道支撐位置以下0.5 m并架設(shè)相應(yīng)支撐時支撐結(jié)構(gòu)的變形情況，圖7d（階段4）為開挖至基坑底部位置時支撐結(jié)構(gòu)的變形情況。從圖7中可以看出，支撐結(jié)構(gòu)的端頭位移明顯大于結(jié)構(gòu)中部。開挖至第1道支撐結(jié)構(gòu)時，4根斜撐與4根直撐產(chǎn)生的位移具有相同的規(guī)律，說明此階段基坑各側(cè)壁位移幾乎無差別;開挖至第2道支撐結(jié)構(gòu)時，第2道支撐結(jié)構(gòu)的位移明顯大于第1道支撐結(jié)構(gòu)，而且斜撐的位移最大（依此類推），表明基坑深度越大，土體位移也相應(yīng)增大，這可能是水土壓力隨著深度的增大而增加造成的，與前述水土壓力計算結(jié)果一致，說明數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況相同?？傮w來看，該工程設(shè)置的支撐結(jié)構(gòu)達到了開挖預(yù)期目的，即從開始開挖至基坑底部，支撐結(jié)構(gòu)的位移非常小，可以忽略不計。

（2）圖8為不同開挖階段的支撐結(jié)構(gòu)受力云圖。其中，圖8a（階段1）、圖8b（階段2）、圖8c（階段3）分別為開挖至第1道支撐、第2道支撐、第3道支撐位置以下0.5 m并架設(shè)相應(yīng)支撐時支撐結(jié)構(gòu)的受力情況，圖8d（階段4）為開挖至基坑底部位置時支撐結(jié)構(gòu)的受力情況。從圖8可以看出，開挖至第1道支撐結(jié)構(gòu)階段，其受力明顯較小，單根支撐最大受力為13.3 kN;開挖至9.5 m左右時架設(shè)第2道支撐，此時支撐結(jié)構(gòu)受力最大，單根支撐最大受力24 kN;開挖至基坑底部時，各道支撐受力均勻，第2道支撐受力也減小，單根支撐最大受力475 N。

3.2 回填施工后盾構(gòu)穿越風井時支撐結(jié)構(gòu)分析

土壓平衡盾構(gòu)機在掘進過程中，會給土體施加壓力，再加上土體原本承受的水土壓力，會增加盾構(gòu)進出洞的風險。為實現(xiàn)盾構(gòu)機安全進出洞并安全完成掘進，左右線洞門外側(cè)1 m各新增加4根（共計8根）鋼直撐，間隔45°布設(shè)，與基坑開挖過程的支撐結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。為檢驗此種設(shè)計的安全性，采用Flac3D建立模型對鋼支撐的受力和位移狀態(tài)進行分析，模型尺寸為85.01m×93.7 m×31.544 m（長×寬×高），模型中基坑尺寸為25.01 m×13.7 m×20.344 m（長×寬×高），新增加的鋼直撐分別在Z = 17.82 m、10.82 m處按梁單元考慮。模型邊界條件，在X = -30 m和55.01 m處對X 方向位移進行約束，在Y = -50 m和Y = 43.7 m處對Y 方向位移進行約束，在Z=-11.2 m處對Z方向位移進行約束（圖9）。初始孔隙水壓力為按重力場梯度分布的靜水壓力，滲流模型為各項同性模型，除模型的上表面以外，其他所有邊界為不透水邊界，開挖區(qū)域的孔隙水壓力為0，開挖的單元設(shè)置為不透水模型。

（1）從圖10支撐結(jié)構(gòu)的Y軸受力分析結(jié)果可知，新增支撐與原第1道、第2道支撐相比，所受壓力較大。其中，圖10a與圖10b分別為位于左線洞口腰部的新增直撐、右線洞口腰部的新增直撐應(yīng)力曲線，圖10c和圖10d分別為位于左線洞口頂部的新增直撐、右線洞口頂部的新增直撐應(yīng)力曲線。從圖10中可以看到，支撐結(jié)構(gòu)的兩端所受應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)中部所受應(yīng)力較小。雖然不同支撐結(jié)構(gòu)的受力大小變化趨勢相似，但由于支撐結(jié)構(gòu)所處位置不同，所受應(yīng)力也就有所差別。

（2）圖10a與圖10b中的支撐所處高度與角度相同，分別位于左右線洞口的腰部位置，圖中顯示的2處所受應(yīng)力變化范圍相似，最大值介于290～330 kN之間，最小值介于218～220 kN之間;圖10c和圖10d表示的新增支撐位于洞口頂部，所受應(yīng)力變化范圍最大值介于380～450 kN之間，最小值138 kN。

從以上模擬結(jié)果看出，盾構(gòu)掘進階段與基坑開挖階段的支撐結(jié)構(gòu)在掘進方向的位移相同，數(shù)值在毫米級別，支撐結(jié)構(gòu)不會發(fā)生大變形，即該工程所確定的支護形式與上述相關(guān)支護參數(shù)達到了確保盾構(gòu)順利穿越風井的目的。

4 地表沉降分析

圖11為基坑內(nèi)部、外側(cè)地表在盾構(gòu)掘進階段的沉降曲線，橫坐標為計算點位與模型最西側(cè)的距離，縱坐標為地表沉降值。其中，圖11a為模型中線位置由西至東地表沉降曲線，可見，基坑外西側(cè)在盾構(gòu)機過風井的掘進階段地表沉降約為1.5 cm，基坑外東側(cè)沉降在0.5～1.0 cm范圍內(nèi)，而基坑內(nèi)部沉降超過4 cm，但基坑內(nèi)部回填土體最終會被開挖，所以沉降數(shù)值并無意義。圖11b與圖11c分別為基坑外南北兩側(cè)地表沉降曲線，可見，基坑外側(cè)地表沉降數(shù)值在1 cm以內(nèi)，甚至更小。表明此工程中，基坑外側(cè)地表模擬沉降最大值均在2 cm以內(nèi)，“先井后隧”施工工藝有效地控制了地表沉降。

5 結(jié)論

（1）在“先井后隧”的施工方法中，混凝土導(dǎo)臺對盾構(gòu)機安全通過風井結(jié)構(gòu)有重要作用。

（2）基坑開挖階段的支撐結(jié)構(gòu)（1道混凝土支撐與2道鋼支撐）與盾構(gòu)掘進階段的支撐結(jié)構(gòu)（混凝土支撐+鋼支撐+洞門周圍增設(shè)鋼支撐）受力與變形均滿足要求，有效保證了基坑內(nèi)外水土壓力在盾構(gòu)掘進過程中實現(xiàn)平衡，使盾構(gòu)機順利通過中間風井。

（3）“先井后隧”施工方法可將基坑周邊地表沉降控制在2 cm以內(nèi)，滿足有關(guān)標準要求。

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收稿日期 2019-10-08

責任編輯 朱開明