張?jiān)诔?武建飛 杜子文 俞旺新

中國(guó)建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665

受工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境影響，地鐵車站出入口通道往往不具備起拱條件，故平頂直墻結(jié)構(gòu)已逐漸成為一種典型的解決方案。平頂直墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)特殊，與傳統(tǒng)拱形結(jié)構(gòu)相比，土方開挖過程中難以形成土拱效應(yīng)，自穩(wěn)能力差，易引發(fā)過大變形，甚至導(dǎo)致坍塌等事故。許多學(xué)者對(duì)平頂直墻工程施工展開研究并取得了一定成果，主要集中在設(shè)計(jì)方案比選及施工新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用方面：炊鵬飛[1]對(duì)暗挖平頂直墻后拆二次襯砌的操作要點(diǎn)及施工關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析；姚海波等[2]對(duì)大斷面平頂直墻地下方廳的施工工藝及技術(shù)要求進(jìn)行了總結(jié)；王志剛[3]利用數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行正交試驗(yàn)，并結(jié)合工程施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同施工方案進(jìn)行了綜合比選；李冰等[4]提出平頂直墻暗挖隧道的設(shè)計(jì)及施工要求；楊威虎等[5]結(jié)合石榴莊路站的工程實(shí)踐，對(duì)雙層雙跨平頂直墻結(jié)構(gòu)施工方案及二次襯砌關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述；李鐵生[6]對(duì)平頂直墻管幕洞樁法施工工序及工藝特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)周邊環(huán)境影響進(jìn)行了闡述；李賀等[7]總結(jié)了暗挖施工下穿地鐵風(fēng)險(xiǎn)源的變形規(guī)律及安全控制措施。目前，對(duì)于富水砂卵石層等復(fù)雜地層條件下的平頂直墻施工關(guān)鍵技術(shù)及鄰近風(fēng)險(xiǎn)源的安全控制研究較為缺乏。

鑒于此，以長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線馬王堆站3號(hào)出入口暗挖段工程為研究背景，闡述了施工實(shí)踐中的重難點(diǎn)及解決方案，并采用有限元數(shù)值模擬分析袖閥加固對(duì)鄰近管線變形控制的效果，提出類似工程施工安全控制的建議。

1 工程概況

長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線馬王堆站位于萬(wàn)家麗路與緯二路交會(huì)處，車站周邊建（構(gòu)）筑物較多，地下管網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，周邊環(huán)境對(duì)施工影響較大。車站共設(shè)有2組風(fēng)亭和3個(gè)出入口。其中，3號(hào)出入口通道位于道路西側(cè)，下穿萬(wàn)家麗路，暗挖長(zhǎng)度為35.79 m，結(jié)構(gòu)凈高3.7 m，凈寬5.5 m。附屬結(jié)構(gòu)平面位置及與現(xiàn)狀車站結(jié)構(gòu)、交通道路關(guān)系如圖1所示。

圖1 馬王堆站平面布置示意

1.1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

馬王堆站場(chǎng)地原始地貌單元主要為湘江水系瀏陽(yáng)河的Ⅱ—Ⅲ級(jí)侵蝕堆積階地。3號(hào)出入口的暗挖段地層從上至下依次為：素填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、卵石、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化礫巖。工程開挖斷面基本位于粉細(xì)砂層和卵石層，部分頂板位于粉質(zhì)黏土層，圍巖自穩(wěn)能力差。

長(zhǎng)沙地區(qū)含水層按其巖性、巖相、巖層結(jié)構(gòu)、地貌及構(gòu)造等條件可分為六大類，本工程場(chǎng)地包含松散巖層孔隙水及紅層孔隙裂縫水兩大類型。場(chǎng)地上層滯水局部分布，不形成穩(wěn)定水位，僅在5個(gè)鉆孔中揭露，其穩(wěn)定水位埋深1.0～2.8 m；孔隙承壓水水位較穩(wěn)定，其穩(wěn)定水位埋深2.6～5.5 m。場(chǎng)地內(nèi)基巖為泥質(zhì)粉砂巖及礫巖，裂隙呈閉合狀-微張開狀，裂隙水水量甚微，未形成穩(wěn)定水位。

1.2支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

馬王堆站3號(hào)出入口段暗挖段采用復(fù)合式襯砌，平頂直墻矩形斷面，支護(hù)參數(shù)為：超前支護(hù)采用φ108 mm管棚和φ42 mm超前小導(dǎo)管；初期支護(hù)采用厚30 cm的C25早強(qiáng)混凝土和間距50 cm的25a#工字鋼支撐；二次襯砌采用C35混凝土，側(cè)墻厚40 cm，頂?shù)装搴?0 cm。

1.3施工工序

3號(hào)出入口暗挖斷面采用交叉中隔墻（CRD）法，按照左右洞及上下臺(tái)階共分為4個(gè)分區(qū)開挖，其開挖工序?yàn)椋喝珨嗝孀{加固→大管棚、超前小導(dǎo)管及注漿加固→左洞上臺(tái)階開挖出土、噴射C25混凝土并架設(shè)左洞上臺(tái)階拱部及中隔壁型鋼支架，施作邊墻系統(tǒng)錨管及鎖腳錨管→左洞下臺(tái)階、右洞上臺(tái)階、右洞下臺(tái)階初支施工（施工方法與左洞上臺(tái)階相同）→分段拆除中間下部臨時(shí)豎向支撐，施作下部防水層和二次襯砌→逐段拆除剩余臨時(shí)支撐，施作剩余部分防水層和二次襯砌結(jié)構(gòu)，使之封閉成環(huán)。

2 富水砂卵石層平頂直墻施工難點(diǎn)及對(duì)策

2.1注漿鉆孔大量涌水涌砂

3號(hào)出入口暗挖段處于富水砂卵石層，地下水有微承壓性，設(shè)計(jì)方案為采用鉆注一體機(jī)對(duì)全斷面及外擴(kuò)3 m范圍進(jìn)行注漿預(yù)加固，現(xiàn)場(chǎng)施工中出現(xiàn)大量涌水涌砂情況。為防止不良情況擴(kuò)大，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔采用雙管鉆桿＋雙活塞壓漿泵注經(jīng)稀釋的磷酸＋水玻璃漿，水∶水玻璃∶磷酸＝2∶1∶0.1；以產(chǎn)生酸堿中和化學(xué)反應(yīng)形成固化物，控制圍巖穩(wěn)定性。

注漿孔間距按1.0 m布置，一循環(huán)共設(shè)42個(gè)注漿孔。注漿孔開孔直徑≥110 mm，終孔直徑≥91 mm；孔口管采用φ108 mm、壁厚5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，管長(zhǎng)3 m。全斷面預(yù)加固注漿配合比按照水∶水泥∶水玻璃＝1.5∶1.0∶0.5，初凝時(shí)間為10 s，終凝時(shí)間為3 min。

2.2降水方案難以實(shí)施

工程位于瀏陽(yáng)河古河道中，且距瀏陽(yáng)河現(xiàn)河道僅1 km，全斷面注漿加固無(wú)法確保100%無(wú)水施工。設(shè)計(jì)方案采用降水井降水，但根據(jù)長(zhǎng)沙地區(qū)其余標(biāo)段項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，采用降水井降水施工對(duì)周邊近百米范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物均會(huì)造成不利影響，故設(shè)計(jì)方案難以實(shí)施。

為減少掌子面水頭壓力，充分利用已成環(huán)初支的泄水孔進(jìn)行泄水降壓，水流清澈無(wú)夾砂，掌子面滲水情況明顯減小?，F(xiàn)場(chǎng)掌子面初支施工時(shí)，若局部不穩(wěn)定，則及時(shí)支護(hù)并插管引流，盡快噴漿封閉。若掌子面極不穩(wěn)定，則直接掛網(wǎng)噴射混凝土封閉掌子面，待注漿止水后再開挖。

2.3型鋼鋼架施工困難

設(shè)計(jì)方案〔圖2（a）〕的型鋼支架主要采用25a#工字鋼，圖中A、B、D節(jié)點(diǎn)中工字鋼與厚10 mm鋼板均采用電弧焊焊接成形，按設(shè)計(jì)要求滿焊，焊縫高度≥8 mm。鋼板上預(yù)留φ24 mm螺栓孔，成型鋼架采用M24螺栓連接。C節(jié)點(diǎn)處，工字鋼焊接后采用2道20 mm×10 mm鋼板與工字鋼焊接補(bǔ)強(qiáng)，焊縫高度為8 mm。

若按設(shè)計(jì)方案加工，則工字鋼整體剛度大、質(zhì)量重，不利于現(xiàn)場(chǎng)操作。故型鋼鋼架加工時(shí)，人為增設(shè)了2處連接盤〔圖2（b）〕，減小了單個(gè)部件的質(zhì)量，便于人工搬運(yùn)及組裝，加快了施工進(jìn)度。

圖2 工字鋼加工方案對(duì)比

2.4平頂直墻中隔壁拆除風(fēng)險(xiǎn)大

初支施工完成后，二次襯砌施作前需將臨時(shí)中隔壁拆除，但平頂直墻結(jié)構(gòu)土方開挖難以產(chǎn)生土拱效應(yīng)，為保證施工安全，中隔墻現(xiàn)場(chǎng)拆除采用“拆二留一”方案，即在二次襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再將剩余工字鋼拆除。對(duì)于埋入二次襯砌的工字鋼，側(cè)面焊止水鋼板，預(yù)貼遇水膨脹的止水條。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，通過對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定暗挖段拱頂沉降、凈空收斂等變形穩(wěn)定后，再拆除中隔壁。中隔壁每6 m分為一段，自上而下跳段拆除，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行下一段中隔壁的拆除，且每3榀預(yù)留1榀作為臨時(shí)輔助支撐。在整個(gè)拆除過程中，對(duì)平頂直墻暗挖段拱頂下沉采取不間斷觀測(cè)，確保了施工安全。

3 穿越管線安全性分析

3.1管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3號(hào)出入口暗挖段施工區(qū)域、結(jié)構(gòu)上部覆土深度內(nèi)存在2條分別為DN2 200及DN2 000的大直徑排水管，管道基礎(chǔ)與平頂直墻暗挖段初支頂部的最小距離為876 mm。平頂直墻CRD法暗挖施工時(shí)，不可避免地對(duì)鄰近既有管線產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定的變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2管線保護(hù)措施

在施工前，平頂直墻暗挖施工洞內(nèi)采用全斷面注漿加固及大管棚、超前小導(dǎo)管等措施。同時(shí)，排水管基礎(chǔ)采用地面袖閥管注漿加固。袖閥管采用φ50 mm@1 000 mm，加固范圍分別在暗挖洞門外側(cè)1.0 m和管線保護(hù)兩側(cè)1.0m，深度為開挖面上下2.0 m范圍，高度9.6 m，如圖3所示。

圖3 地層加固剖面示意

3.3數(shù)值模擬分析

以3號(hào)出入口平頂直墻CRD法暗挖段為研究對(duì)象，建立三維有限元計(jì)算模型，考慮施工的影響范圍一般為3倍開挖斷面跨徑，故選定的模型尺寸為40.00 m×35.79 m×20.00 m，單元數(shù)量為226 556個(gè)。圍巖采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，以“生死單元”形式模擬平頂直墻CRD法掘進(jìn)施工的全過程，每循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度為1 m，長(zhǎng)下臺(tái)階的長(zhǎng)度為4 m。模型四周約束法向位移，底部約束三向位移。網(wǎng)格模型如圖4、圖5所示，模型考慮地下水水位。根據(jù)地勘報(bào)告提供的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值，結(jié)合實(shí)際情況及類似工程對(duì)比，選取的巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示，土層豎向變形云圖如圖6所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

圖5 主要結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖6 土層豎向變形云圖

針對(duì)馬王堆站3號(hào)出入口的具體情況布置監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示，暗挖段共布置4條地表沉降測(cè)線及2條地下管線位移測(cè)線。為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的正確性，取地表沉降斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體如圖8所示。

圖7 監(jiān)測(cè)平面布置示意

由圖8可知：對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)測(cè)線的地表沉降曲線基本符合Peck曲線規(guī)律。其中，地表沉降實(shí)測(cè)最大值為8.78 mm，計(jì)算最大值為8.25 mm，誤差為6.04%。數(shù)值計(jì)算曲線由于對(duì)計(jì)算進(jìn)行了一定程度簡(jiǎn)化，故其變形較實(shí)測(cè)值更為平滑。

圖8 地表沉降曲線

在上述建立的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，對(duì)比有無(wú)袖閥加固措施等2種工況下（其余控制措施保持不變）既有管線變形情況，如圖9、圖10所示。

圖9 無(wú)加固管線變形云圖

圖10 袖閥加固管線變形云圖

由圖9、圖10可見，未加固下管線變形最大值為13.76 mm，已超過管線豎向位移報(bào)警值12.8 mm；袖閥加固下管線變形值最大值為7.56 mm，小于管線豎向位移的預(yù)警值10.5 mm，可見袖閥加固對(duì)于管線的變形控制有較大幫助。根據(jù)實(shí)際變形監(jiān)測(cè)，管線的最大變形穩(wěn)定值為7.83 mm，進(jìn)一步驗(yàn)證了加固措施的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

依托馬王堆站3號(hào)出入口工程實(shí)例，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐、數(shù)值分析及監(jiān)測(cè)成果對(duì)富水砂卵石層平頂直墻CRD施工難點(diǎn)及安全控制進(jìn)行研究，得出如下主要結(jié)論：

1）全斷面注漿采用磷酸＋水玻璃漿進(jìn)行酸堿中和化學(xué)反應(yīng)，快速形成固化物，可及時(shí)控制富水砂卵石層注漿施工的涌水涌砂現(xiàn)象。

2）當(dāng)砂卵石層性質(zhì)穩(wěn)定、呈現(xiàn)出清水滲流時(shí)，可采用初支帶水作業(yè)，洞內(nèi)降水泄壓的施工方式替代降水井等人工降排水方案。

3）平頂直墻下穿既有大直徑管線施工前，采用袖閥注漿加固模式可有效減小施工過程導(dǎo)致的管線變形發(fā)展，確保施工安全。

需要指出的是，富水砂卵石層平頂直墻施工存在較多難點(diǎn)，既要考慮自身施工的安全控制，又需統(tǒng)籌考慮施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，目前仍尚未形成統(tǒng)一規(guī)范的做法。因此，類似工程仍需綜合考慮地層狀況、結(jié)構(gòu)布置形式、注漿加固效果等因素耦合作用的影響，以更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)及施工。