李 洋，程 鵬，李 鵬，王 寧，羅長明，畢程程

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司地下空間設(shè)計研究院，河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著我國城市地鐵的發(fā)展，地鐵建設(shè)面臨的問題已經(jīng)由最初的相對簡單的邊界條件向復(fù)雜、多變的建設(shè)條件轉(zhuǎn)變，具體表現(xiàn)在地鐵建設(shè)多受場地范圍內(nèi)建筑物，道路范圍內(nèi)立交、管線制約，無法采用常規(guī)的明挖法施工。針對當(dāng)前復(fù)雜多樣的地鐵建設(shè)條件，本文結(jié)合廣州某地鐵車站論述采用曲線管幕施工暗挖地鐵車站的可行性。

管幕工法起源于日本[1]，目前該工法在日本的應(yīng)用最為廣泛，經(jīng)過多年的發(fā)展，日本在裝備研發(fā)與施工工藝方面積累了豐富的經(jīng)驗。曲線管幕的管徑一般為300～600 mm，多采用鋼管，根據(jù)直徑及地層不同，采用不同的頂進(jìn)設(shè)備。曲線管幕各鋼管之間通常不相連，管幕施工完成后采用注漿或冷凍法進(jìn)行管節(jié)間止水。日本鹿島建設(shè)公司在東京中央環(huán)線施工中，使用了φ845 mm 泥水平衡式曲線管幕機(jī)，曲線半徑為8 m，長約10 m，支護(hù)區(qū)段長440 m；熊谷組機(jī)動建設(shè)工業(yè)株式會社開發(fā)了“MAGALUFU”工法，使用了矩形曲線管幕設(shè)備。

國內(nèi)早期有相關(guān)學(xué)者對國外管幕工法進(jìn)行了介紹[2-3]，并在新建蘭新第2雙線高速鐵路西寧隧道施工中得到應(yīng)用，保證了隧道施工安全，有效控制了高速公路沉降[4]。近年來，國內(nèi)港珠澳大橋拱北隧道口岸段首次采用了曲線管幕配合凍結(jié)止水的施工方案[5-7]。以拱北隧道為依托，國內(nèi)學(xué)者李志宏等[8]通過模型試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等手段對曲線頂管管幕間相互影響進(jìn)行了研究，分析了管節(jié)對土體的累積擾動、土體應(yīng)變以及管土接觸壓力、軌跡影響等規(guī)律特征；史培新等[9]研究了長距離大直徑曲線管幕的施工頂力，總結(jié)出曲線頂管頂力的主要組成及影響因素；李博等[10]重點研究了富水軟土長距離非鎖口曲線管幕工程施工風(fēng)險，建立了基于層次分析法的風(fēng)險模糊評估方法和標(biāo)準(zhǔn)；俞蔡城[11]研究了長距離大直徑曲線管幕群頂管力的預(yù)測和控制，及其施工產(chǎn)生的地表變形，并提出相應(yīng)的地表變形控制措施；湯淵[12]對地鐵車站使用曲線頂管的非開挖施工技術(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，研究了開挖方案可能引起的地層響應(yīng)，預(yù)測了施工過程中襯砌結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。

綜上所述，直線管幕技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但曲線管幕存在直徑偏小、施工姿態(tài)不易控制等問題[13-14]，國內(nèi)除港珠澳大橋拱北隧道以外，鮮有其他工程成功應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者近年來對曲線管幕的研究多為施工過程的風(fēng)險控制或施工頂力的確定等方面的闡述，且大部分基于拱北隧道工程[15-17]。城市地鐵車站作為地下工程的重要組成部分，應(yīng)對曲線管幕在地鐵車站中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。因此，本文依托廣州地鐵某暗挖車站項目，根據(jù)項目特點，論述曲線管幕建設(shè)地鐵車站的可行性，并重點分析曲線管幕設(shè)計及施工過程中的重難點。

1 工程概況

1.1 項目背景

廣州地鐵某暗挖車站沿城市主干路鋪設(shè)，原車站設(shè)計方案受制于道路上方立交橋的影響，采用分離側(cè)式站臺。因地面無交通疏解條件，站臺層采用暗挖法施工，覆蓋厚度9.8 m。站廳外掛設(shè)置在站臺層南北兩側(cè)，明挖法施工，通過6條暗挖通道與暗挖站臺相連。車站布置如圖1和圖2所示。南北站廳地下1層設(shè)置暗挖通道相連，通過暗挖2條通道與既有地鐵線站廳進(jìn)行換乘。車站共設(shè)置4個出入口，4個風(fēng)亭組，車站全長201 m。其中：車站北站廳長144.7 m、寬19.1～21.1 m，外包高度18.39 m；南站廳長111.2 m、寬20.7～39.8 m，外包高度19.15 m。暗挖站臺斷面寬10.7 m、高9.85 m，單洞長度為201 m，采用108管棚和超前小導(dǎo)管支護(hù)。

圖1 車站總平面圖

圖2 車站三維模型圖

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報告，場地范圍內(nèi)地層為〈4N-2〉可塑狀粉質(zhì)黏土、〈5N-1〉碎屑巖殘積土(主要為可塑狀粉質(zhì)黏土)、〈5N-2〉碎屑巖殘積土(主要為硬塑狀粉質(zhì)黏土層)、〈6〉全風(fēng)化粉砂巖、含礫砂巖、〈7-1〉強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、含礫砂巖層。地質(zhì)縱斷面圖如圖3所示。地下水為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水，與地表水整體性存在水力聯(lián)系，具有同一自由水面，水位高度可按地表以下1 m考慮。

圖3 地質(zhì)縱斷面圖

暗挖站臺所在地層主要為〈5N-2〉碎屑巖殘積土(主要為硬塑狀粉質(zhì)黏土層)、〈6〉全風(fēng)化粉砂巖、含礫砂巖、〈7-1〉強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、含礫砂巖層(強(qiáng)度1.7 MPa)、部分〈8-3〉中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(強(qiáng)度7.46～7.99 MPa)。

1.3 工程難點分析

原設(shè)計方案的實施有以下幾個難點：

1)本方案可以實施的前提是明挖站廳作為暗挖站臺的施工豎井。為保證施工進(jìn)度，考慮設(shè)置3個豎井來增加工作面，需要拆除約25 040 m2的建筑物，拆遷量大，拆遷難度高，直接影響工程進(jìn)度。

2)暗挖站臺橫斷面如圖4所示，車站暗挖站臺隧道及橫通道斷面大，覆土淺(站臺隧道覆土9.8 m，橫通道覆土5.6 m)，施工風(fēng)險極高。

圖4 暗挖站臺橫斷面圖(單位：mm)

3)車站位于東風(fēng)西路主干道，道路上方管線密布，周邊建筑密集，隧道及基坑開挖對周邊建筑物及管線影響較大，安全風(fēng)險高。

根據(jù)現(xiàn)場情況，車站周邊房屋拆遷困難，暗挖斷面頂部存在砂層，車站實施困難，成為制約全線工期的關(guān)鍵因素。

2 研究方案

2.1 設(shè)計方案

對原方案進(jìn)行研究后，考慮采用先隧后站的方案。利用該站前、后車站作為盾構(gòu)始發(fā)與接收場地，區(qū)間隧道先采用盾構(gòu)掘進(jìn)貫通，再在車站里程范圍內(nèi)的隧道內(nèi)施工曲線管幕，在曲線管幕的保護(hù)下開挖土體，施工二次襯砌，形成暗挖地鐵車站。

因道路兩側(cè)房屋拆遷困難，無法保證既有工期，可盾構(gòu)先行過站，避免在車站范圍內(nèi)圍擋占地；再在盾構(gòu)隧道內(nèi)施作曲線管幕，作為開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)；然后開挖土體，施工站臺層；待后期道路兩側(cè)的建筑物拆遷完畢后，明挖施工站廳，聯(lián)通站臺層。站臺層斷面如圖5所示。

圖5 站臺層斷面圖(單位：mm)

2.2 施工原理

曲線管幕借鑒了傳統(tǒng)暗挖法的思想，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其施工組織應(yīng)以施工的安全性和設(shè)計的合理性為目的。曲線管幕施工布置如圖6所示。首先，施工2條先行導(dǎo)洞；然后，在一側(cè)導(dǎo)洞向另一側(cè)導(dǎo)洞始發(fā)曲線管幕設(shè)備，進(jìn)行管幕施工，形成初期支護(hù)；最后，在管幕支護(hù)下開挖導(dǎo)洞間土體，完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工。

圖6 曲線管幕施工布置

曲線管幕施工工序如圖7所示。1)采用盾構(gòu)開挖導(dǎo)洞，先行過站，在先行導(dǎo)洞內(nèi)鋪設(shè)組合式襯砌。2)在始發(fā)導(dǎo)洞內(nèi)安裝曲線管幕始發(fā)設(shè)備。3)在掘進(jìn)開始前測量初始管節(jié)端點的坐標(biāo)，進(jìn)行定位，確保掘進(jìn)位置準(zhǔn)確。4)始發(fā)曲線管幕設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)，并逐一拼裝管幕管節(jié)，在接收導(dǎo)洞完成結(jié)構(gòu)。5)依次完成曲線管幕施工，形成拱結(jié)構(gòu)超前支護(hù)。6)在曲線管幕支護(hù)下開挖先行導(dǎo)洞間土體，形成中心開挖區(qū)。7)拆除拱結(jié)構(gòu)下方的組合式襯砌，連通先行導(dǎo)洞和中心開挖區(qū)。8)在開挖完成的地下空間內(nèi)施作二次襯砌結(jié)構(gòu)和主體梁柱結(jié)構(gòu)，完成車站結(jié)構(gòu)施工。

(a)工序1 (b)工序2

3 關(guān)鍵技術(shù)

針對曲線管幕施工過程中面臨的主要難題進(jìn)行研究和探索：

1)曲線管幕機(jī)載荷分布特性及力學(xué)傳遞規(guī)律不明，設(shè)計缺乏理論依據(jù)。曲線頂進(jìn)作業(yè)狀態(tài)下，管幕機(jī)承受的地層水土壓力是一個隨設(shè)計軸線動態(tài)變化的過程，受力狀況復(fù)雜多變。

2)曲線管幕機(jī)內(nèi)部空間狹小，結(jié)構(gòu)非常緊湊，設(shè)計約束條件多，設(shè)計難度大，推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置困難，提供的頂推力受限。

3)鋼管節(jié)管徑小，剛度小，易變形。管幕施工軸線控制精度要求高；狹小空間條件下，傳統(tǒng)導(dǎo)向系統(tǒng)安裝與檢測困難、成本高，經(jīng)濟(jì)緊湊型新型導(dǎo)向系統(tǒng)的開發(fā)是關(guān)鍵。

4)施工過程中，曲線管幕管節(jié)分別獨立頂進(jìn)，之間存在間隙，在地下水豐富的地層中，須考慮相應(yīng)的防水措施。

5)暗挖地下工程通常位于無法開挖區(qū)域，且需嚴(yán)格控制施工過程對周圍地層的影響，因此，地層變形情況是評價項目成功與否的重要標(biāo)準(zhǔn)。曲線管幕需進(jìn)行多次頂進(jìn)施工，且受頂進(jìn)方向影響，可能會對結(jié)構(gòu)覆土產(chǎn)生多次擾動。

3.1 設(shè)備選型

3.1.1 主機(jī)及刀盤設(shè)計

由于曲線管幕施工作業(yè)空間受限，因此，設(shè)備整體尺寸較小，每一部分結(jié)構(gòu)都受到很大的空間限制，對主機(jī)的集成化設(shè)計要求高。曲線管幕機(jī)主機(jī)如圖8所示。主機(jī)部分主要由開挖刀盤、驅(qū)動、殼體、進(jìn)(排)漿通道等組成。刀盤由3個小刀盤組成，既可以圍繞小刀盤的中心軸做自轉(zhuǎn)運動，又可以圍繞設(shè)備的總體中心軸線做公轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)圓形斷面開挖，如圖9所示。當(dāng)3個刀盤旋轉(zhuǎn)到一定位置時(軸線夾角為120°)，刀盤可回縮到盾體內(nèi)部，從設(shè)備后部拆卸撤出，以便設(shè)備安拆和更換刀頭。為實現(xiàn)刀盤的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)功能，驅(qū)動部分采用行星輪式結(jié)構(gòu)，太陽輪和殼體連接固定，3個小刀盤和行星輪在同一根輸出軸上和行星架相連，圍繞太陽輪做公轉(zhuǎn)運動。為給設(shè)備提供足夠大的動力，同時縮小占用空間，驅(qū)動采用低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)。由于設(shè)備是泥水循環(huán)出渣，進(jìn)漿管以不同的角度布置在殼體周邊，對刀盤切削下來的土體進(jìn)行改良，驅(qū)動結(jié)構(gòu)部分和馬達(dá)均為中間空心結(jié)構(gòu)，將其作為泥水循環(huán)系統(tǒng)的排漿通道。

圖8 曲線管幕機(jī)主機(jī)

(a)刀盤布置

3.1.2 頂推裝置設(shè)計

頂推裝置既要為機(jī)頭和后續(xù)鋼管節(jié)提供向前頂進(jìn)的足夠大的頂推力，又要限制其頂進(jìn)過程中的曲率半徑。曲線管幕機(jī)頂推裝置主要由頂推支架、工作平臺、爬梯、管節(jié)限位裝置、抱緊裝置、頂推油缸等組成，如圖10所示。頂推支架與既有結(jié)構(gòu)可靠連接，頂部承載平臺上安裝頂推油缸，頂推油缸的活塞桿桿端連接抱緊裝置，抱緊裝置既可以抱緊鋼管節(jié)，也可以松開留出間隙。抱緊裝置抱緊后，在頂推油缸的推動下靠摩擦力帶動鋼管節(jié)向下移動。管節(jié)限位裝置用來防止推進(jìn)過程中鋼管節(jié)軸線與理論軸線產(chǎn)生較大偏差。

圖10 頂推裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 設(shè)備頂推力計算

3.2.1 曲線管幕力學(xué)模型

曲線頂管與常規(guī)直線頂管相比，多了1個沿徑向的分力，如圖11所示，此分力會作為土體抗力施加在管節(jié)上，增加曲線管節(jié)的摩阻力。取曲線管節(jié)任意時刻頂推力進(jìn)行分析。

圖11 管節(jié)受力模型

當(dāng)設(shè)備勻速掘進(jìn)時，根據(jù)力系平衡，可得頂推力

N=N0+Nf。

(1)

式中：N0為掌子面的端阻力，kN；Nf為管節(jié)周邊的摩阻力，kN。

掌子面的端阻力N0比較容易確定，其值為頂管中心位置的被動土壓力與刀盤面積的乘積，即：

(2)

其中，

Kp=tan2(45+φ/2)。

(3)

式(2)—(3)中：r0為管節(jié)外半徑，m；γ為管節(jié)上覆土體的加權(quán)平均容重，kN/m3；h為管節(jié)覆土，m；Kp為被動土壓力系數(shù)；c為土體的黏聚力，kPa；φ為土體的摩擦角，(°)。

3.2.2 曲線管幕摩擦力計算

曲線管幕管節(jié)在頂進(jìn)過程中管壁受到的摩阻力較復(fù)雜。理想狀態(tài)下，管節(jié)頂推過程中推力控制較好，如圖12所示，管壁所受摩阻力僅由管頂、管側(cè)、管底土體的靜止土壓力q1、q2、q3產(chǎn)生。最不利狀態(tài)下，頂推過程對土體擾動較大，管頂擠壓土體產(chǎn)生土體抗力q4，在計算最大頂推力時應(yīng)予以考慮。

圖12 荷載計算模型

管頂范圍圍巖荷載引起的摩阻力

(4)

管側(cè)范圍圍巖荷載引起的摩阻力

(5)

管底范圍圍巖荷載引起的摩阻力

(6)

式(4)—(6)中：μ為土體與管節(jié)之間的動摩擦因數(shù)；θ為曲線管幕頂進(jìn)弧長所對應(yīng)的圓心角。

曲線管節(jié)在頂進(jìn)過程中，因為頂推力沿管節(jié)的徑向分力會使土體產(chǎn)生相應(yīng)的土體抗力，其作用范圍為管節(jié)背部90°范圍內(nèi)，管節(jié)受到的土體抗力產(chǎn)生的摩阻力為f4。

(7)

近似地，可取q1=q3=γh為管節(jié)中心所受到的土壓力，管節(jié)所受到的側(cè)土壓力q2=K0q1=K0γh(K0為靜止土壓力系數(shù)，可取為1-sinφ)。管節(jié)在頂進(jìn)過程中，單位長度管壁受到的最小摩阻力

(8)

單位長度管壁受到的最大摩阻力

(9)

在曲線管幕掘進(jìn)過程中，最關(guān)心的是最大頂推力，設(shè)備的推進(jìn)系統(tǒng)需要與最大頂推力進(jìn)行匹配。根據(jù)庫侖土壓力理論，土體所能提供的最大土抗力為被動土壓力。

(10)

將q1、q2、q3及式(10)代入式(8)和式(9)中，得到單位長度土抗力提供的最大摩阻力

(11)

在實際頂進(jìn)過程中，周圍土體對管節(jié)的作用力并不全為被動破壞狀態(tài)。根據(jù)曲線管幕現(xiàn)場實際測量結(jié)果，其值比靜止土壓力偏大，土體作用在管節(jié)上的作用力最小的情形為按靜止土壓力考慮，此種情況單位長度管壁受到的最小摩阻力

Nf=μπr0[γh(1+K0)]=μπr0γh(2-sinφ)。

(12)

將式(11)和式(12)代入式(2)，得：

μπr0γh(2-sinφ)。

(13)

(14)

3.2.3 曲線管幕頂推力計算

根據(jù)《盾構(gòu)隧道工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，對于覆蓋層厚度不大于2倍隧道外徑的淺埋隧道，豎向地層壓力應(yīng)按全土柱質(zhì)量計算；對于覆蓋層厚度大于2倍隧道外徑的深埋隧道，豎向地層壓力宜計算土體卸載拱作用的影響。由于曲線管幕管節(jié)通常較小，管節(jié)外直徑R0一般為1 m左右，管節(jié)埋深基本全部大于2R0，因此，采用太沙基公式來計算松弛土壓力。

(15)

其中，

(16)

式(15)和式(16)中：σv為隧道頂部土壓力；B1為隧道開挖影響寬度的一半；γ1、γ2為隧道上覆各地層土體容重；c1、c2為隧道上覆各地層土體黏聚力；φ1、φ2為隧道上覆各地層土體內(nèi)摩擦角；K為通過試驗確定的常數(shù)，通常取1；H1、H2為隧道上覆各地層厚度；p0為地表均布荷載；R0為管節(jié)外直徑。

取q1=q3=γh=σv，并代入式(13)和式(14)，得：

(17)

(18)

式(17)和式(18)即為曲線管幕頂進(jìn)過程中管節(jié)單位長度的頂推力范圍。沿曲線頂進(jìn)的路徑積分，即可得到總頂推力。

3.3 曲線頂管姿態(tài)與軸線控制

曲線管幕施工主要依靠糾偏系統(tǒng)和始發(fā)導(dǎo)向環(huán)控制設(shè)備姿態(tài)。

3.3.1 糾偏系統(tǒng)設(shè)計

糾偏系統(tǒng)由主機(jī)過渡法蘭、前盾、尾盾、鉸接油缸、尾盾過渡法蘭以及附件組成，4根油缸呈象限布置，兩兩組合共分為4組。沿掘進(jìn)方向上部2根是第1組，右側(cè)2根是第2組，下側(cè)2根是第3組，左部2根是第4組。施工過程中，通過4組油缸的伸縮控制設(shè)備姿態(tài)，進(jìn)行掘進(jìn)方向的糾偏。設(shè)備糾偏系統(tǒng)如圖13所示。

圖13 設(shè)備糾偏系統(tǒng)

3.3.2 始發(fā)導(dǎo)向環(huán)設(shè)計

在曲線管幕頂進(jìn)洞門位置和需頂進(jìn)管節(jié)尾部設(shè)置導(dǎo)向環(huán)，控制管節(jié)姿態(tài)，并在導(dǎo)向環(huán)內(nèi)側(cè)增加導(dǎo)向滾輪，減小管節(jié)與導(dǎo)向環(huán)的摩擦力。管節(jié)導(dǎo)向環(huán)如圖14所示。

圖14 管節(jié)導(dǎo)向環(huán)

導(dǎo)向系統(tǒng)利用激光發(fā)射管發(fā)出的平行結(jié)構(gòu)光測量方位角及俯仰角。由于管節(jié)為曲線，為避免光線被遮擋，實際施工過程中采用的是激光靶鏈的導(dǎo)向系統(tǒng)，布置形式如圖15所示。因激光源的坐標(biāo)已知，發(fā)射的激光被安裝在管節(jié)上的激光靶接收后，可通過角度換算得到該點坐標(biāo)。激光靶鏈就是各個激光靶通過接收及發(fā)射激光，推算安裝在機(jī)頭位置的坐標(biāo)。角度測量試驗證明，該激光靶與平行光的測角系統(tǒng)精度可達(dá)到0.5 mm/m。

圖15 導(dǎo)向系統(tǒng)布置形式

具體計算步驟如下：

1)在掘進(jìn)開始前測量初始管節(jié)端點的坐標(biāo)，以建立管幕機(jī)曲線頂管理想軌跡的方程。

2)在每段管節(jié)的端點處安裝激光發(fā)射器及激光靶，構(gòu)成激光靶鏈。

3)利用激光靶測得的光斑坐標(biāo)變化量來計算相鄰管節(jié)端點相對于理想位置的角度偏移量及坐標(biāo)偏移量。

4)結(jié)合獲得的角度偏移量及坐標(biāo)偏移量，并根據(jù)管節(jié)的形狀，對步驟3)中的管節(jié)端點位置進(jìn)行修正。

5)自最后一段管節(jié)端點的坐標(biāo)開始，重復(fù)步驟3)及步驟4)，直至計算至所述管幕機(jī)先導(dǎo)管的實際位置。

6)掘進(jìn)過程中不斷推進(jìn)并安裝新的管節(jié)，用安裝于地面的平行光管來測量當(dāng)前最后一段管節(jié)的末端坐標(biāo)變動，接著重復(fù)步驟3)、4)、5)，以更新此時的先導(dǎo)管頭部的實際坐標(biāo)。

3.4 管幕間止水措施

為防止地下水對曲線管幕施工的影響，曲線管幕止水措施主要采用2種方法：一種是管與管之間止水；另一種是管節(jié)接頭密封止水。

在曲線管幕管節(jié)上設(shè)置注漿管，利用預(yù)埋注漿導(dǎo)管在鋼管接頭處注入止水劑，使?jié){液沿縱向流動并充滿管節(jié)之間的間隙，防止開挖時地下水滲入管幕內(nèi)。當(dāng)?shù)叵滤枯^大時，可以輔以冷凍法。采用冷凍法時，施工完成的曲線管幕可以充當(dāng)冷卻管，對地層進(jìn)行凍結(jié)，起到止水作用。

直線頂進(jìn)施工中，管節(jié)與管節(jié)接頭多采用焊接形式。在曲線頂進(jìn)施工中，焊接形式轉(zhuǎn)彎靈活性不強(qiáng)，精度低，不適用于曲線頂管。因此，設(shè)計了一種承插式管幕接頭結(jié)構(gòu)，在曲線管幕承插管末端的外周面上設(shè)置環(huán)形臺階，環(huán)形臺階形成密封圈槽，在密封圈槽內(nèi)設(shè)管節(jié)密封圈，如圖16所示。用于固定鎖止環(huán)的螺栓的頭部設(shè)有螺栓密封圈，螺栓密封圈用于與鎖止環(huán)上供螺栓穿過的沉孔底面密封配合，以進(jìn)一步保證管節(jié)連接部位的密封性能。

圖16 管幕快速接頭示意圖

3.5 地層影響分析

暗挖施工對地層的擾動很大，但是采用曲線管幕是先支護(hù)后開挖，對土體的擾動很小，可通過數(shù)值模擬對地層的影響進(jìn)行分析。

3.5.1 計算模型參數(shù)

根據(jù)項目的地質(zhì)詳勘報告和工程條件建立數(shù)值模型?？紤]模型邊界效應(yīng)的影響，模型X方向?qū)?10 m、Y方向長50 m、Z方向高30 m。地層主要為〈4N-2〉可塑狀粉質(zhì)黏土、〈5N-2〉碎屑巖殘積土、〈6〉全風(fēng)化粉砂巖、〈7-1〉強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。地質(zhì)參數(shù)如表1所示。整體模型如圖17所示。

表1 地質(zhì)參數(shù)

圖17 地層模型網(wǎng)格劃分

曲線管幕選用Q235鋼管，采用板單元模擬。主隧道盾構(gòu)管片混凝土強(qiáng)度等級為C50，曲線管幕填充混凝土、二次襯砌結(jié)構(gòu)、底板、頂縱梁、底縱梁、結(jié)構(gòu)柱混凝土強(qiáng)度等級為C35，采用實體單元模擬。結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。車站結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分如圖18所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖18 車站結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分

3.5.2 施工步驟模擬

曲線管幕施工地鐵車站步驟如下：

1)在既有盾構(gòu)隧道內(nèi)依次頂進(jìn)頂部和底部曲線管幕鋼管節(jié)。

2)每一節(jié)鋼管節(jié)頂進(jìn)完成后在管節(jié)內(nèi)部填充C35混凝土。

3)頂部和底部曲線管幕全部施工完成后，在管幕的支護(hù)下開挖2條既有盾構(gòu)隧道之間的土體，為簡化施工工序，降低計算工作量，中間土體為全斷面開挖，開挖進(jìn)尺為5 m。

4)在既有盾構(gòu)隧道內(nèi)施工頂縱梁、底縱梁和結(jié)構(gòu)柱。

5)拆除開挖空間與盾構(gòu)隧道之間的管片，施工車站底板，完成車站主體結(jié)構(gòu)施工。

3.5.3 計算結(jié)果分析

通過對曲線管幕施工地鐵車站工序的模擬，對各工序完成后的地層變形計算結(jié)果進(jìn)行分析。

1)曲線管幕施工完成。如圖19所示，曲線管幕鋼管依次頂進(jìn)，鋼管內(nèi)填充混凝土后，地表呈現(xiàn)沉降狀態(tài)，最大沉降值為7.2 mm，沉降槽寬度為42 m，影響范圍約為1倍車站結(jié)構(gòu)寬度。

圖19 曲線管幕施工地表沉降(單位：mm)

2)隧道間土體開挖完成。如圖20所示，隧道間土體開挖后，地表呈現(xiàn)沉降狀態(tài)，在曲線管幕支護(hù)下，僅開挖部分上方覆土沉降值有增大，最大沉降值為21.34 mm，沉降槽影響范圍變化不大。

圖20 隧道間土體開挖地表沉降(單位：mm)

3)頂(底)縱梁、結(jié)構(gòu)柱施工完成。如圖21所示，受施工影響，地表沉降略有增加，影響區(qū)域位于開挖部分上方，最大沉降值為22.99 mm，沉降槽影響范圍變化不大。

圖21 頂(底)縱梁、結(jié)構(gòu)柱施工地表沉降(單位：mm)

4)管片拆除完成。如圖22所示，隧道與開挖部分管片拆除完成后，地表沉降明顯增加，影響區(qū)域位于開挖部分上方，最大沉降值為24.89 mm，沉降槽影響范圍變化不大。

圖22 管片拆除后地表沉降(單位：mm)

通過統(tǒng)計各施工工序地表沉降計算結(jié)果，得到如圖23所示的地表沉降曲線。由圖23可以看出：采用曲線管幕施工地鐵車站過程中，土體開挖對地表影響較大，地表沉降增加量為14.1 mm，累計最大沉降值為24.89 mm，優(yōu)于傳統(tǒng)暗挖法施工地表沉降控制值(監(jiān)測等級1級：40～60 mm)；與傳統(tǒng)暗挖法相比，在曲線管幕支護(hù)下施工，沉降槽范圍僅約為1倍車站結(jié)構(gòu)寬度，大幅縮小了地表土體的影響范圍。

圖23 地表沉降曲線

4 設(shè)備功能性試驗

4.1 試驗概況

曲線管節(jié)直徑為406 mm、曲率半徑為7 500 mm，主要由主機(jī)、頂推裝置、鋼管節(jié)、導(dǎo)向系統(tǒng)、輔助設(shè)備等組成。為降低試驗費用，在地面模擬曲線管幕機(jī)的曲線掘進(jìn)、排渣、管節(jié)頂進(jìn)等工況?，F(xiàn)場試驗如圖24和圖25所示。

圖24 曲線管幕設(shè)備示意圖

圖25 曲線管幕頂管機(jī)

在管節(jié)頂部和底部設(shè)置土壓傳感器，內(nèi)側(cè)為第1組，外側(cè)為第2組，測點布置及土壓力計安裝如圖26和圖27所示，實時檢測掘進(jìn)過程中管節(jié)所承受的土壓，傳感器隨著管節(jié)不斷前進(jìn)，最終得到設(shè)計軸線上土壓力的變化曲線。在推進(jìn)油缸上設(shè)置壓力傳感器，實時檢測掘進(jìn)過程中的頂推力，最終得到頂推力隨推進(jìn)距離的變化曲線。

圖26 土壓力測點布置(單位：mm)

圖27 土壓力計安裝

4.2 試驗結(jié)果統(tǒng)計分析

監(jiān)測結(jié)果如表3和表4所示。

表3 土壓力統(tǒng)計

表4 頂推力統(tǒng)計

試驗曲線管幕頂管機(jī)外徑為410 mm，鋼管直徑為406 mm，鋼管壁厚為16 mm，試驗段主要在〈4N-2〉粉質(zhì)黏土、〈5N-2〉碎屑巖殘積土中掘進(jìn)，摩擦因數(shù)取μ=0.15，地質(zhì)參數(shù)如表1所示。將以上參數(shù)代入式(17)和式(18)，得到頂推力計算統(tǒng)計表如表5所示。

表5 頂推力計算統(tǒng)計表

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，曲線管幕試驗過程中各個監(jiān)測點頂推力實測值均位于各監(jiān)測點頂推力計算理論值[Nmin，Nmax]區(qū)間。根據(jù)曲線管幕現(xiàn)場試驗結(jié)果，理論最大頂推力、理論最小頂推力、實際頂推力三者之間的關(guān)系如圖28所示。

圖28 頂推力關(guān)系曲線

以上結(jié)果證明，通過式(17)和式(18)的理論計算，能夠確定曲線管幕施工過程中的頂推力變化范圍，得到的頂推力可以滿足曲線管幕施工要求，可為今后同類工程項目曲線管幕頂推力設(shè)計提供參考。

5 結(jié)論與討論

本文針對廣州地鐵某暗挖車站，首先，設(shè)計了先隧后站的施工方案；然后，討論了設(shè)備選型并進(jìn)行設(shè)備頂推力計算，進(jìn)而分析介紹曲線頂管姿態(tài)與軸線控制方法；最后，采用數(shù)值模擬對曲線管幕施工過程進(jìn)行計算，并與現(xiàn)場試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。主要得出以下結(jié)論。

1)先隧后站的施工方案通過盾構(gòu)先行過站，再在盾構(gòu)隧道內(nèi)施作曲線管幕作為開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)，然后開挖土體、施工站臺層，避免了車站范圍內(nèi)長期圍擋占地，縮短了工期。

2)通過對單個管節(jié)進(jìn)行受力分析，考慮掌子面阻力和摩阻力，計算獲得曲線頂管的頂推力。與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比，表明頂推力實測值均位于各監(jiān)測點頂推力計算理論值[Nmin，Nmax]區(qū)間，驗證了頂推力計算公式的準(zhǔn)確性，可為后續(xù)類似項目提供參考。

3)通過糾偏系統(tǒng)和始發(fā)導(dǎo)向環(huán)控制設(shè)備姿態(tài)，導(dǎo)向系統(tǒng)利用激光發(fā)射管發(fā)出的平行結(jié)構(gòu)光測量方位角及俯仰角。實際施工過程中，采用激光靶鏈的導(dǎo)向系統(tǒng)，避免光線被曲線管線遮擋。經(jīng)角度測量試驗證明，該激光靶與平行光的測角系統(tǒng)精度可達(dá)到0.5 mm/m。

4)對曲線管幕施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析曲線管幕頂進(jìn)過程中周圍土體的受力情況，分析結(jié)果表明曲線管幕對地層的影響是可控的。

本文論述的曲線管幕技術(shù)相比于傳統(tǒng)管幕轉(zhuǎn)彎半徑小，頂進(jìn)方向由水平頂進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏虾拖蛳马斶M(jìn)，且頂進(jìn)次數(shù)更多，具有管幕受力情況更為復(fù)雜，導(dǎo)向、姿態(tài)控制困難，結(jié)構(gòu)上方覆土受擾動次數(shù)多等特點，因此，通過理論分析和現(xiàn)場試驗對以上問題進(jìn)行了研究和探討。但由于試驗項目數(shù)量和特點所限，針對曲線管幕施工大跨度地下空間技術(shù)還缺乏深入研究。今后將會針對不同地質(zhì)條件下曲線管幕施作不同建筑結(jié)構(gòu)形式大跨地下空間項目的結(jié)構(gòu)受力情況、施工關(guān)鍵技術(shù)、地層影響規(guī)律進(jìn)行研究。