劉家鮑

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100)

0 前 言

聯(lián)絡(luò)通道連接上下行隧道并起到安全疏散的作用，是地下隧道工程必不可少的一部分[1-2]。根據(jù)其所處位置及施工條件，為了降低施工過程中的危險性，提高安全度，現(xiàn)階段國內(nèi)外主要采用“凍結(jié)法加固+礦山法開挖”的施工方式。

聯(lián)絡(luò)通道在凍結(jié)過程或開挖過程不可避免將對周邊結(jié)構(gòu)物或上部地表變形產(chǎn)生影響。近年來，聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工越來越受到廣泛應(yīng)用，并得到廣泛關(guān)注。如尚忠升[3]探究寧波某聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工中土體凍脹和融沉機理，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)對施工中隧道變形進行分析，闡述跟蹤注漿的必要性。張毅豪[4]通過熱力耦合對某聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工中襯砌管片不同位置受周邊土性影響進行分析研究，表明土質(zhì)之間的融沉敏感度有較大差異。除此之外，陳軍浩等[5]，洪榮寶等[6]，陳冠任[7]還對聯(lián)絡(luò)通道施工中地表位移變化規(guī)律進行相應(yīng)分析或闡述。

綜上，雖然現(xiàn)階段聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工對盾構(gòu)隧道或地表變形影響已經(jīng)具有一部分相關(guān)研究，但總體還比較匱乏。因此，本文以穗莞深城際SZH-9標(biāo)機場北站-機場站橫通道工程作為背景，在凍結(jié)和開挖全過程中對同區(qū)間下3種聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)盾構(gòu)隧道及地表的變形監(jiān)測進行分析研究，獲得聯(lián)絡(luò)通道施工過程中周邊位移發(fā)展規(guī)律，以期為類似工程或進一步研究提供經(jīng)驗。

1 工程概況

在機場北站-機場站盾構(gòu)區(qū)間左線ZDK81+501.523(右線DK81+514.921)、左線ZDK81+995.918(右線DK82+009.316)和左線ZDK82+487.089(右線DK82+500.487)處，分別設(shè)置中心間距為20.502、20.502、17.531 m的11#橫通道、12#橫通道兼泵房和13#橫通道。11#、13#聯(lián)絡(luò)通道的暗埋段凈寬、凈高分別設(shè)計為3.2、4.4 m。12#聯(lián)絡(luò)通道暗埋段凈高、凈寬分別為4.4、3.8 m，泵房有效容積約為45.5 m3。通道襯砌結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式，其中用250 mm厚的C25噴射混凝土、工字鋼鋼架及鋼筋網(wǎng)組成初期支護，用350 mm厚C45P10混凝土組成二次襯砌。各聯(lián)絡(luò)通道平面所處位置見圖1。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道平面位置示意圖

11#橫通道自上而下地層分別為：粉質(zhì)黏土(5)1-3、花崗巖全風(fēng)化(11)7-1；12#橫通道自上而下地層為：粉質(zhì)黏土(5)1-3、花崗巖全風(fēng)化(11)7-1、花崗巖強風(fēng)化(11)7-2及花崗巖中風(fēng)化(11)7-3。

13#橫通道自上而下地層為：細砂(2)10-2、花崗巖全風(fēng)化(11)7-1。場地位于粉質(zhì)黏土、細砂土層及花崗巖全風(fēng)化層，穩(wěn)定性差。同時，根據(jù)勘察信息知，該地區(qū)處于海陸交互層沖積平原區(qū)，地下水豐富且埋藏較淺，水位穩(wěn)定在0.00～14.00 m，其補給形式主要依靠大氣降雨入滲或地表河流。

2 凍結(jié)加固及開挖構(gòu)筑設(shè)計施工

2.1 凍結(jié)施工設(shè)計

1)凍結(jié)帷幕及凍結(jié)孔。11#、13#橫通道凍結(jié)帷幕厚度均為不小于2.3 m，喇叭口不小于2 m，12#橫通道凍結(jié)帷幕為不小于2 m；凍結(jié)帷幕平均溫度設(shè)計為不高于-10℃(凍結(jié)壁與管片交界面平均溫度不高于-5℃)；-10℃對應(yīng)的凍土力學(xué)強度設(shè)計指標(biāo)為：單軸抗壓強度≥4.5 MPa，彎折抗拉強度≥2.3 MPa，抗剪強度≥1.8 MPa。凍結(jié)加固效果如圖2所示。

(a)11#、13#橫通道凍結(jié)帷幕

橫通道凍結(jié)孔的布置采用以上仰、水平、下俯三種角度從左、右線雙側(cè)打孔，11#橫通道共布置凍結(jié)孔84個，其中左線50個，右線34個。12#橫通道共布置凍結(jié)孔92個，其中左線58個，右線34個。13#橫通道共布置凍結(jié)孔84個，其中左線50個，右線34個。

2)積極凍結(jié)及維護凍結(jié)。11#、12#和13#橫通道設(shè)計積極凍結(jié)時間約45天并根據(jù)測溫情況決定是否延長凍結(jié)時間。要求鹽水單孔流量≥5 m3/h；要求積極凍結(jié)7d鹽水溫度降至-18℃以下；15 d降至-24℃以下；至開挖時降至-28℃以下，鹽水去、回路溫差≤2℃。當(dāng)鹽水流量、鹽水溫度不能滿足設(shè)計要求時，應(yīng)根據(jù)實際情況判斷是否延長積極凍結(jié)時間，使凍結(jié)壁規(guī)定溫度和厚度得到保證。由凍結(jié)設(shè)計可計算得不同聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)過程中所需冷量分別為11#橫通道：8.29×104kcal/h，12#橫通道：10.56×104kcal/h，13#：6.98×104kcal/h。因鋼管片和混凝土相比于土層散熱能力更強，因此，為了保證凍結(jié)帷幕與管片交界處的膠結(jié)強度，對管片表面采取保溫措施，防止冷量過度損失。

在積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實際測溫孔溫度變化來判斷凍結(jié)帷幕交圈與厚度發(fā)展情況，同時帷幕與隧道相接處也必須要對膠結(jié)情況進行分析判斷，當(dāng)溫度、凍結(jié)壁厚度及膠結(jié)皆滿足要求時，方可進入維護凍結(jié)/開挖階段。維護凍結(jié)期鹽水溫度≤-28℃，凍結(jié)時間持續(xù)至橫通道開挖與主體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束。

2.2 開挖構(gòu)筑施工設(shè)計

1)開挖順序及方式。開挖之前應(yīng)先根據(jù)測溫孔資料，卸壓孔壓力，探孔及鹽水去回路溫差等情況綜合考慮開挖條件是否已經(jīng)滿足，需具備和滿足設(shè)計要求條件后，方可開挖并進行相應(yīng)交底。各聯(lián)絡(luò)通道的施工順序為：先開挖一側(cè)導(dǎo)洞，再中間段，臨時支護后；回到出入口處對喇叭口進行開挖和支護，以及進行防水層、結(jié)構(gòu)層施工，然后對設(shè)有泵房的集水井進行土方開挖、臨時支護、防水層、結(jié)構(gòu)層施工，最后進行壁間、壁后充填注漿。

由于凍結(jié)帷幕的承載能力較大，因此，聯(lián)絡(luò)通道可對除側(cè)墻和拱頂部位外采用全斷面的開挖方法，開挖步距控制在500 mm左右，斷面超挖及中心線偏差分別不大于30 mm和20 mm。喇叭口開挖一段及時支護一段，按2.5～3 m一段進行噴漿。12#橫通道兼泵房在通道結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后強度達到65%方可開挖泵站。泵房采用平面一次開挖，開挖深度小于1.0 m，避免引起已完成的橫通道過大沉降。泵房開挖采取一架一噴方式，開挖一段及時架設(shè)鋼格柵，并進行噴漿支護。

2)融沉注漿。結(jié)構(gòu)層施工完成停機10～15 d，若在此期間地層沉降1 d超過0.5 mm或累計大于3 mm時應(yīng)采用融沉補償注漿，以此來對上部管線進行保護及減少隧道下沉。當(dāng)隆起≥3 mm時應(yīng)暫停注漿。在底板砂漿找平前，對結(jié)構(gòu)層進行注漿施工。施工時先通過試壓觀察注漿孔暢通及連接情況。注漿順序為先內(nèi)后外，先下后上，最后為頂部。凍結(jié)結(jié)束后的3～7 d內(nèi)，應(yīng)對凍結(jié)孔封堵和根據(jù)襯砌的混凝土強度大于60%指標(biāo)來進行襯砌壁后充填注漿。注漿壓力≤靜水壓力，一般為0.2～0.5 MPa，漿液采用1∶0.8～1單液水泥漿。注漿孔布置按約4 m長度布置1個注漿斷面，每個注漿斷面布置4個孔，即頂板1個孔，兩幫各1個孔，底板1個孔。

融沉注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：以沉降量進行控制，即在不注漿的情況下實測地層沉降持續(xù)一個月，每半月不大于1～1.5 mm，可停止融沉補償注漿。

3 位移監(jiān)測布置方案

因本工程的特殊性，監(jiān)測點布設(shè)不能影響機場正常使用。橫通道施工監(jiān)測結(jié)合區(qū)間正線及實際情況，其監(jiān)測項目主要為機場地表沉降、拱頂下沉、拱底隆起、凈收斂等，其中地面沉降監(jiān)測點分布如圖3所示，隧道沉降監(jiān)測點如圖4所示。隧道沉降測量時，為了使觀測點得到更好的保護和觀察，觀測點布設(shè)在襯砌環(huán)連接螺絲上，并以工作點對其進行觀測。水平凈空收斂觀測點、拱頂下沉觀測點則跟沉降點布設(shè)在同一斷面內(nèi)。

圖3 地表沉降隆起監(jiān)測點位圖

圖4 拱頂、拱底及收斂位移監(jiān)測點位圖

4 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)實測位移變形資料，以2018年2月13日12#聯(lián)絡(luò)通道開始積極凍結(jié)作為橫軸開始時間節(jié)點的第1天，另外兩個聯(lián)絡(luò)通道以其為時間基準(zhǔn)，從而可得到各聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)、維護凍結(jié)/開挖、融沉注漿/補漿的開始時間節(jié)點，如表1所示。根據(jù)前述，可得到不同聯(lián)絡(luò)通道縱斷面對應(yīng)下隧道和地表的位移隨時間變化關(guān)系，如圖5所示，其中圖5(d)為12#聯(lián)絡(luò)通道橫斷面的地表位移圖，圖中位移正值表示擴張/下沉，負值表示收斂/上浮。

表1 不同聯(lián)絡(luò)通道工況開始時間節(jié)點 單位：d

(a)11#隧道位移變形圖

(d)監(jiān)測橫斷面地表位移變化

通過圖5(a)～(c)可知，12#聯(lián)絡(luò)通道處盾構(gòu)隧道收斂為先隨著開挖逐漸增加，至施作拱頂模板時(119 d)凈收斂逐漸下降至0.5 mm，之后又由于開挖導(dǎo)致凈收斂逐漸增加，至二襯完成后(225 d)，在注漿階段凈收斂逐漸下降，說明通道開挖能導(dǎo)致隧道兩側(cè)擴張，而注漿能降低收斂值。13#聯(lián)絡(luò)通道在積極凍結(jié)期(101 d～146 d)凈收斂逐漸增加，當(dāng)處于維護凍結(jié)且架設(shè)預(yù)應(yīng)力支架時(147 d～175 d)，此時地層及隧道受到擾動程度下降，其所受到的彈性部分的變形逐漸恢復(fù)，使得收斂變形減小67%，而當(dāng)通道進入開挖階段時(176 d)，收斂則再次增大，至注漿階段(225 d)又再次增減小。同理，通過11#聯(lián)絡(luò)通道的凈收斂變化發(fā)現(xiàn)，同樣基本存在積極凍結(jié)和開挖階段收斂增加，而開挖準(zhǔn)備期和注漿階段收斂減小，即盾構(gòu)隧道在聯(lián)絡(luò)通道開挖全過程中，其凈收斂變形隨時間變化曲線近呈“M”型。

通過圖5中拱底變形曲線知，11#～13#聯(lián)絡(luò)通道對應(yīng)的盾構(gòu)隧道拱底在融沉注漿階段前(210 d)，拱底位移變形呈負增長趨勢，即拱底在該過程中持續(xù)隆起，而在注漿階段(210 d后)，拱底隆起卻逐漸變小。造成該現(xiàn)象的原因主要為：①跟施工過程中應(yīng)力傳遞與釋放有關(guān)，即凍結(jié)過程聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域的土體產(chǎn)生凍脹力并向盾構(gòu)隧道臨空界面?zhèn)鬟f，而盾構(gòu)隧道拱頂、拱底的凍結(jié)管布置密集，進一步增大凍脹力，使得隧道拱底、拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)受力變形增加；②開挖過程中，聯(lián)絡(luò)通道周邊土體受到一定程度擾動，土體完整性下降，使得盾構(gòu)隧道變形進一步增加。

通過圖5中拱頂變形曲線知，盾構(gòu)隧道拱頂變形趨勢與拱底基本一致，即在整個聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中，拱頂變形逐漸增大，而在注漿階段略微減小。兩者不同點為拱底變形在各聯(lián)絡(luò)通道之間數(shù)值差異較大，而拱頂變形量則相對集中，說明拱底相較于拱頂受外界因素改變而產(chǎn)生的波動較大。

通過圖5(d)可知，聯(lián)絡(luò)通道橫斷面對應(yīng)的地表沉降在開挖過程中符合peck變形曲線，即開挖中心對應(yīng)的地表沉降最大，離中心越遠，沉降越小。由中心曲線位移變化發(fā)現(xiàn)，隨著聯(lián)絡(luò)通道施工工況發(fā)展，地表最大沉降變形整體呈逐漸變小的趨勢，至260 d通道完工時地表下沉比71 d開挖階段時少0.75 mm，即43%，說明聯(lián)絡(luò)通道施工中采取融沉注漿對于地表變形的穩(wěn)定具有明顯的效果，并且能夠補償變形，使地表變形得到一定程度上的恢復(fù)。

5 結(jié) 論

本文以穗莞深城際SZH-9標(biāo)機場北站-機場站橫通道工程為背景，研究在凍結(jié)和開挖全過程中，同區(qū)間下3個聯(lián)絡(luò)通道處的盾構(gòu)管片及地表位移變形發(fā)展規(guī)律，得出主要結(jié)論如下。

1)盾構(gòu)隧道凈收斂在聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)和開挖時期擴張，而開挖準(zhǔn)備和注漿階段收斂值變小，使得凈收斂在施工過程中近呈“M”型變化。

2)受應(yīng)力傳遞及釋放影響，拱底、拱頂在注漿階段前的豎向變形隨施工工況逐漸增加，注漿階段位移則變小，并且拱底受外界改變而發(fā)生的波動較大。

3)聯(lián)絡(luò)通道施工中采取融沉注漿對于地表變形的穩(wěn)定具有明顯的效果，并且能夠補償變形，使地表變形得到一定程度上的恢復(fù)。

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