邵小康,楊志勇,安宏斌,江玉生,漆偉強,楊 星

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083； 2.中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司,太原 030032)

引言

目前，城市地下空間工程的開發(fā)與利用處于快速發(fā)展時期，地鐵以其方便快捷、能有效緩解城市交通壓力等優(yōu)勢被很多城市大力發(fā)展興建。盾構(gòu)法更加高效、安全，在地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中被廣泛采用。始發(fā)是盾構(gòu)法的主要工序之一，也是最容易發(fā)生風(fēng)險事故的關(guān)鍵工序。因此，盾構(gòu)始發(fā)端頭的加固方式被國內(nèi)外眾多學(xué)者高度關(guān)注并加以討論和研究。

富水端頭始發(fā)主要存在兩個方面的技術(shù)難點，即地層的加固與地下水的處理。關(guān)于地層加固，近些年常被應(yīng)用的工法包括注漿法、旋噴樁法等，地下水的處理則通常采用施作降水井降低地下水位、止水帷幕、凍結(jié)法[1-2]等措施。在我國部分地區(qū)常常選用降水法處理地下水，其工藝簡單，效果良好，造價低廉，但隨著近年來工程環(huán)境指標(biāo)愈發(fā)嚴(yán)格，大量降低地下水位會引發(fā)地表沉降、破壞地層生態(tài)環(huán)境[3]，因此，北京等城市提出了地下工程施工“不降水、少降水”的要求，且地鐵工程降水要征收水資源費4.3 元/m3。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者研究盾構(gòu)端頭加固技術(shù)，丁烈云、李錚等[4-5]分別研究武漢地鐵2號線江漢路站—積玉橋站區(qū)間、孟加拉卡納普里河底隧道項目盾構(gòu)始發(fā)，始發(fā)端頭采取高壓旋噴樁加固地層，采用數(shù)值模擬分析加固效果；韓林等[6]針對濟(jì)南地區(qū)富水地層盾構(gòu)接收端水頭壓力高的問題，采用垂直冷凍法加固地層，進(jìn)行盾構(gòu)水下接收；張建新等[7]對天津地鐵2號線某隧道盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)端頭不同的縱向加固范圍進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析不同工況端頭始發(fā)對土層的擾動情況，得出始發(fā)端頭的合理縱向范圍；劉方等[8-9]、王天明[10]、王建功[11]和丁萬濤等[12]結(jié)合工程實際，研究加固的合理范圍；江玉生等[13]提出盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)端頭加固范圍應(yīng)根據(jù)其端頭的具體地層情況和盾構(gòu)設(shè)備長度以及土體強度、穩(wěn)定性等驗算結(jié)果來綜合確定；林輝等[14]研究廣佛環(huán)線沙堤隧道始發(fā)案例，該隧道最小間距為3 m，采用混凝土攪拌樁和混凝土墻加固。河源等[15]分析了水下隧道鋼套筒始發(fā)技術(shù)，替代了傳統(tǒng)洞門密封型式，減小始發(fā)洞門涌水、涌砂；宋克志等[16]對盾構(gòu)隧道端頭土體進(jìn)行穩(wěn)定性極限平衡分析，使用直線+對數(shù)螺旋線的組合滑動面的假定，計算端頭土體加固范圍；楊平等[17]根據(jù)南京地鐵某區(qū)間端頭盾構(gòu)端頭土體凍結(jié)加固工程溫度監(jiān)測實例，分析了在高地溫、富水地層的土體溫度場的發(fā)展規(guī)律。

以上研究結(jié)合實際工程對常見的端頭加固方法、加固效果和加固范圍進(jìn)行分析，但對施工的經(jīng)濟(jì)適用性，以及對環(huán)境的影響程度缺乏更多討論。傳統(tǒng)降水法需大量抽排地下水，造成資源浪費及生態(tài)環(huán)境的破壞，在征收水資源費后，會大幅增加施工成本。在環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格的今天，端頭加固技術(shù)對環(huán)境的影響及經(jīng)濟(jì)成本不能再被忽視。

以色列是一個中東國家，水資源嚴(yán)重不足，對地下水資源的保護(hù)極其苛刻，特拉維夫地鐵施工降水需收取10謝客/m3(人民幣約20元/m3)的水資源費，降水經(jīng)濟(jì)成本太高。特拉維夫地鐵紅線5、6號隧道，2臺盾構(gòu)在Depot車站始發(fā)，隧道位于富水粉砂層，且始發(fā)時雙線隧道間距僅0.69 m。結(jié)合本工程特點，提出了密封井始發(fā)端頭加固法，使用連續(xù)、密閉的地下連續(xù)墻來隔絕地下水，僅需降低井內(nèi)地下水位，大幅減小地下降水量，也不必對端頭地層進(jìn)行額外加固，工藝簡單、符合環(huán)境保護(hù)要求、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)好，可為國內(nèi)富水始發(fā)端頭加固技術(shù)提供參考和借鑒。

1 工程概況

以色列特拉維夫地鐵紅線5、6號隧道，從Depot車站始發(fā)，采用2臺海瑞克土壓平衡盾構(gòu)施工。盾構(gòu)開挖直徑7.55 m，管片外徑7.2 m，內(nèi)徑6.5 m，環(huán)寬1.2 m，管片混凝土強度等級C50。始發(fā)端頭富含地下水，地下水位埋深5.80 m。盾構(gòu)始發(fā)段兩線隧道最小凈距為0.69 m，沿隧道掘進(jìn)方向間距逐漸增大。隧道覆土厚5 m，始發(fā)洞門如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道始發(fā)洞門

始發(fā)段隧道地質(zhì)剖面如圖2所示，盾構(gòu)開挖土體主要包含砂土、砂質(zhì)黏土、黏土等，地下水位位于隧道拱頂附近，盾構(gòu)始發(fā)受地下水影響。

圖2 區(qū)段地層分布剖面(單位：m)

2 始發(fā)端頭加固技術(shù)

2.1 密封井加固法

本工程地下水嚴(yán)重威脅盾構(gòu)始發(fā)施工安全，為防止盾構(gòu)掘進(jìn)初期土體和水的侵入隧道，在始發(fā)端頭施作平行于隧道軸線的3道地下連續(xù)墻和垂直于隧道軸線的2道地下連續(xù)墻，如圖3所示。墻體設(shè)計深度為26 m，穿透透水砂層，底部進(jìn)入不透水的重黏土層，與傳統(tǒng)方法建立的單一方向地下連續(xù)墻不同的是，圖3中本工程①、②為C30素混凝土墻，③、④、⑤為鋼筋混凝土墻，墻體厚度分別為1.8，1.6，0.8，0.6，0.8 m。地下連續(xù)墻①、②、③、⑤組成封閉的“井”，與底部不透水土層形成封閉的罐體，以阻隔井外的地下水滲入井內(nèi)，從而保證始發(fā)端頭段盾構(gòu)推進(jìn)不受地下水影響。地下連續(xù)墻④的主要作用是減小雙線盾構(gòu)隧道施工后行盾構(gòu)對先行隧道的影響。

圖3 始發(fā)端頭密封井結(jié)構(gòu)

2.2 地下水降水設(shè)計

如圖4所示，沿地下連續(xù)墻壁上布置的降水井可僅降低密封井內(nèi)地下水位，而不影響井外的地下水位，最大程度減小地下水抽排量。井內(nèi)設(shè)計地下水位降至隧道底板以下1 m，以確保盾構(gòu)始發(fā)的安全，在先行隧道始發(fā)之后，井內(nèi)水位能保持低于隧道底板，后行隧道始發(fā)時無需再次降水。完成井內(nèi)降水后盾構(gòu)機可以在“無地下水”環(huán)境中推進(jìn)。

圖4 密封井剖面(單位：m)

井點降水的降水線如圖5所示，土層平均滲透系數(shù)kf為5×10-6m/s，基于裘布依公式[18]，本工程降水計算公式如下。

圖5 井點降水范圍計算

(2)

(3)

(4)

Δh=h-h0

(5)

式中，Q為底層土體的出水流量；Qcap為井點的排水流量；R為地下水降水影響半徑；r0為水井半徑；r為多口井點等效半徑；h0為井內(nèi)水位；H為初始地下水位；S為地下水最大下降高度；h(r)為目標(biāo)位置水位；Δh為目標(biāo)位置與井內(nèi)水頭差。密封井內(nèi)降水計算如下

n1=1.1·Q1/Qcap≈2

即，密封井內(nèi)2口降水井抽排地下水的總流量為13 L/s。最大總降水量可根據(jù)土層孔隙率n計算。

V1總=b·l·Δh·n=1 032 m3

T1=V1總/Qcap總≈22 h

密封井內(nèi)需降水總量為1 032 m3，約22 h完成井內(nèi)降水。

2.3 盾構(gòu)土倉壓力的建立

盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)在突破洞門后，刀盤切削地下連續(xù)墻，直至破除全部圍護(hù)結(jié)構(gòu)才能進(jìn)入土層。當(dāng)土體開挖面處失去圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)后，部分應(yīng)力將得到釋放，如若此時土倉壓力尚未完全建立，土倉空間將會為土體應(yīng)力釋放提供空間，使得開挖面不穩(wěn)定，造成開挖面涌砂甚至地層塌陷，導(dǎo)致盾構(gòu)始發(fā)失敗。因此，需在盾構(gòu)進(jìn)入地層掘進(jìn)前建立穩(wěn)定的土倉壓力，使得土倉帶壓始發(fā)是盾構(gòu)安全始發(fā)的關(guān)鍵之一。

盾構(gòu)刀盤安裝了滾刀，始發(fā)時利用滾刀破除1.8 m厚的素混凝土地下連續(xù)墻①，盾構(gòu)土倉厚度0.8 m，地下連續(xù)墻厚度遠(yuǎn)大于土倉厚度，因此，可利用滾刀切削下來的地下連續(xù)墻碴片并注入濃稠的膨潤土漿液來建立土壓力。在刀盤“磨墻”時向土倉內(nèi)注入濃稠的膨潤土漿液，配比為膨潤土∶水=1∶6(質(zhì)量比)，密度1.3 t/m3，膨潤土漿液發(fā)酵12 h后馬氏黏度90 s。建立土壓的同時，黏稠的膨潤土漿液能充填盾殼與洞門之間的間隙。如圖6所示，合理的土倉壓力應(yīng)與掌子面壓力相平衡，即

圖6 盾構(gòu)始發(fā)示意(單位：m)

Fs=Fc

(6)

Fc=γ·(h+D/2)·K0

(7)

σc=Fs/A

(8)

式中，F(xiàn)s為土倉壓力；Fc為開挖面地層側(cè)向壓力；σc為隧道軸心處土壓；γ為土層平均重度，取18 kN/m3；h為盾構(gòu)上覆土厚度，取5 m；D為開挖面直徑，取7.55 m；K0為側(cè)向土壓力系數(shù)，取值0.66；A為開挖面積。計算可得σc=106.16 kPa。

3 小近距隧道加固效果分析

3.1 加固方案分析

近距離雙線隧道施工時，后行盾構(gòu)掘進(jìn)時會對先行隧道產(chǎn)生擾動，造成先行隧道的管片變形。在近些年國內(nèi)近距離隧道施工實踐中，為保護(hù)先行隧道的安全，通常采用的應(yīng)對措施有：

(1)對隧道周邊土體的加固，如注漿法、凍結(jié)法等；

(2)在先行隧道內(nèi)部進(jìn)行加固，如架立管片鋼支撐、拖車支撐、腳手架支撐等措施。

本工程在兩隧道之間設(shè)立一道地下連續(xù)墻，隔離先、后行隧道，不進(jìn)行土層加固，施工工藝簡單。同時，不必單獨對先行隧道內(nèi)部進(jìn)行加固，故在后行盾構(gòu)經(jīng)過小間距段時不會對先行隧道的正常掘進(jìn)造成影響。

3.2 管片變形分析

盧岱岳等[19]通過數(shù)值模擬和解析解法研究隧道變形的形成，提出近距離平行隧道施工引起隧道水平向變形的主要因素是盾構(gòu)側(cè)壁摩擦力。本工程左、右線隧道間距較小，后行盾構(gòu)掘進(jìn)時可能會對先行隧道產(chǎn)生較大擾動。為避免這種擾動，采用在左右隧道之間設(shè)立地下連續(xù)墻來隔離兩條隧道。后行盾構(gòu)掘進(jìn)時記錄先行隧道的管片變形，測點布置在先行隧道管片處，如圖7所示。

圖7 管片變形測點布置

如圖8所示，當(dāng)后行盾構(gòu)通過測點所在垂直平面時，先行隧道水平方向、垂直方向位移均發(fā)生突變，峰值變化可控制在2 mm之內(nèi)。由此可見，兩隧道之間設(shè)立的中隔墻能夠阻隔后行盾構(gòu)開挖擾動向先行隧道傳遞，進(jìn)而確保始發(fā)段隧道管片的安全。

圖8 隧道內(nèi)監(jiān)測點記錄位移值

3.3 管片受力狀態(tài)分析

始發(fā)端盾構(gòu)在密封井的保護(hù)下掘進(jìn)，可通過計算來確定始發(fā)段隧道的受力狀態(tài)，驗證隧道施工質(zhì)量。盾構(gòu)始發(fā)和隧道施工都是分階段完成的，各階段施工工況的荷載不盡相同，采取最不利工況來驗證施工安全，即可確保整個始發(fā)階段的安全。由于本工程左、右線隧道間距小，后行盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會對已拼裝的先行隧道產(chǎn)生擾動，因此，需驗證后行盾構(gòu)掘進(jìn)過程中先行隧道的管片狀態(tài)。密封井主要承受的荷載如圖9所示，土體及結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如表1所示。采用ANSYS有限元網(wǎng)格計算先行隧道管片的內(nèi)力狀態(tài)。先行隧道管片的內(nèi)力如圖10所示，最不利組合受力點在右下方標(biāo)準(zhǔn)塊接縫處(150°附近)。

圖9 管片受力計算模型

表1 土層和結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

圖10 先行隧道管片內(nèi)力狀態(tài)

FED=N·d·Γ=0.86 MN

FRdu=

式中，N為管片截面每延米的軸力；M為每延米彎矩值；d為管片環(huán)寬1.2 m；FED為截面最大壓應(yīng)力值；FRdu為混凝土管片內(nèi)部應(yīng)力設(shè)計值；Ac0為受壓區(qū)域接觸頂面面積；Ac1為受壓區(qū)域接觸底面面積；fcd為管片抗壓強度設(shè)計值32.7 MPa；Γ為安全系數(shù)，取值1.1。

FRdu>FED，管片受力狀態(tài)在安全范圍內(nèi)。

4 環(huán)境影響與經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 施工工藝、加固效果及經(jīng)濟(jì)性對比

盾構(gòu)始發(fā)端頭常用的地層加固工法包括注漿法、旋噴樁法、凍結(jié)法等，各工法工藝特點及適用性有所不同。地下連續(xù)墻的施工簡單、工藝成熟，其主要工藝流程有導(dǎo)墻制作，槽段開挖、鋼筋籠吊裝、澆筑墻體。溝槽開挖、鋼筋籠吊裝、墻體澆筑均是分段進(jìn)行的，需滿足分段制作銜接工藝的精度要求?；炷梁弯摻罨\均可提前預(yù)制，可縮短整體工期。如圖11所示，分段墻體設(shè)計了首尾凹、凸銜接塊，保證了墻體的整體連接剛度。以本工程的工程量為基準(zhǔn)，各種工法的工藝水平、加固效果及成本對比如表2所示。

表2 端頭加固工法對比

圖11 地下連續(xù)墻的分段銜接設(shè)計

4.2 地下水降水量對比

近年來，人們越發(fā)重視環(huán)境保護(hù)，施工環(huán)境影響評價指標(biāo)也愈發(fā)嚴(yán)格。大量抽排地下水，會使得地下水位降低，引發(fā)地面沉降與生態(tài)環(huán)境的惡化[20-21]。在一些富水地層隧道工程中(如大西鐵路客運專線干慶隧道[22]、上海長江西路隧道[23])需大量抽排地下水，在工程結(jié)束后會進(jìn)行地下水回灌以進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。這樣的生態(tài)修復(fù)措施會增加工程成本，本工程只需一次降低井內(nèi)地下水位，對環(huán)境影響小，同時節(jié)省施工成本。

為體現(xiàn)密封井加固法的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，將不采取密封井時的地下水降水量以及降水成本進(jìn)行對比。直接井點降水的地下水總涌水量為

所需井點數(shù)n2=1.1·Q2/Qcapacity≈5

將地下水位降到目標(biāo)水位所需時間

2周內(nèi)總降水量為

V2總=n2·Qcap·t≈39 312 m3

如采用直接降水，需設(shè)立5口降水井，抽水98.6 h能將地下水位降低到設(shè)計水位，先行隧道始發(fā)工期按2周考慮，地下降水總量為39 312 m3。此外，在后行隧道始發(fā)時需再次降水，降水成本加倍。因此，與傳統(tǒng)井點降水法相比，密封井加固法能大幅減小地下水降水量，對環(huán)境影響更小，更加經(jīng)濟(jì)適用。

5 結(jié)論

依托以色列特拉維夫紅線5、6號線始發(fā)工程，對雙線微小間距盾構(gòu)隧道在富水地層始發(fā)的地下水處理、端頭加固的方法進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

(1)與旋噴樁、注漿加固等傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)端頭加固方式相比，密封井加固法工藝簡單、經(jīng)濟(jì)適用，更能有效隔絕地下水對盾構(gòu)始發(fā)的影響，確保盾構(gòu)在密封井內(nèi)順利始發(fā)。

(2)在富水地層中進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)，采用密封井加固法，只需一次抽排井內(nèi)地下水，無需重復(fù)降水，能最大程度降低抽排地下水量，相比直接降水，可減小約97%的地下水降水量，大幅節(jié)約施工降水成本，對環(huán)境影響小。

(3)設(shè)立于隧道之間的地下連續(xù)墻克服了近距離雙線隧道施工后行盾構(gòu)掘進(jìn)對先行隧道的擾動影響，很好地保護(hù)了先行隧道的管片安全和成型質(zhì)量，其加固工藝簡單，不必對先行隧道內(nèi)部進(jìn)行加固，不影響近距離段隧道施工時先行隧道的正常掘進(jìn)。

本工程采用的密封井和中隔墻加固法，克服了富水端頭盾構(gòu)始發(fā)和近距離隧道施工的難題，特別是實現(xiàn)了最大程度降低地下水抽排量，對環(huán)境影響小，在越來越重視施工環(huán)保性的今天，可在富水地層盾構(gòu)始發(fā)、小間距隧道等相關(guān)工程中推廣應(yīng)用。