李悅,張啟瑞,譚建兵,李明宇*,朱康康,王增輝

(1 鄭州地鐵集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450000; 2 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450001; 3 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司,河北 廊坊 065000)

隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,地下空間得到空前開發(fā),管幕法由于地層適應(yīng)性強(qiáng)、對外界干擾小,且能有效控制地面變形,被廣泛使用于地鐵建設(shè)。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對管幕法施工研究手段多集中于室內(nèi)模型、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬、理論計算等方面。關(guān)永平等[1]結(jié)合沈陽某地鐵站管幕支護(hù)工程,通過6榀鋼管幕抗彎性能試驗研究管幕結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理和裂縫發(fā)展模式,對比分析了管間距離、管幕橫向連接形式和混凝土等級對結(jié)構(gòu)承載力的影響特征;俞蔡城[2]通過頂管始發(fā)和接收技術(shù)現(xiàn)場試驗,利用鋼套管接收裝置進(jìn)行密封試驗總結(jié)了大直徑長距離曲線管幕施工工藝,避免了富水軟土地區(qū)管幕施工中涌水、涌砂風(fēng)險;譚忠盛等[3]依托首都機(jī)場航站樓聯(lián)絡(luò)隧道工程,利用相似模型試驗對比了不同管幕直徑、管幕排列形式和開挖方法對地表和管幕沉降變形的影響,結(jié)果顯示“口”字排列管幕具有更好的控沉效果;謝雄耀等[4]通過在砂土地質(zhì)進(jìn)行重力場的非相似室內(nèi)模型試驗,研究了管幕結(jié)構(gòu)對于削弱周圍環(huán)境擾動影響維持隧道開挖面穩(wěn)定的作用,通過控制實驗結(jié)構(gòu)開挖面位移來模擬失穩(wěn)破壞全過程;肖冬冬[5]依托太原市迎澤大街穿越火車站通道工程,運用FLAC3 D對管幕不同頂入順序和切割順序下鋼管與主體結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及地層和既有結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律展開分析,并提出先下后上、左右同時、交替間隔的鋼管頂入順序;何超等[6]依托港珠澳大橋某全斷面支護(hù)管幕工程,運用土拱理論對管幕上部、中間、底部形成的鋼管間土拱進(jìn)行研究,建立對應(yīng)位置的理論土拱模型并進(jìn)行受力分析;楊仙等[7]太沙基土壓理論和極限平衡理論,構(gòu)建了管間拱頂垂直土壓力方法,分析了影響管間拱頂垂直土壓力的影響因素;胡向東等[8]基于港珠澳大橋拱北隧道工程實測數(shù)據(jù),利用單管公式計算管間凍土土厚,結(jié)果顯示管間凍土在施工允許的時間內(nèi)形成交圈并具有一定的水密性能,交圈后使用雙管公式計算管幕間凍土厚度,計算結(jié)果表明管間凍土形成不均勻,縱向形成中間好于兩端,橫向形成下部好于上部;王梅等[9]對3種典型的頂管施工方案進(jìn)行模型試驗,研究大直徑密排頂管之間的相互影響作用和頂管施工過程中的地表變形特征,并通過改進(jìn)Peck公式預(yù)測密排頂管群施工產(chǎn)生的地表沉降;劉奕暉等[10]通過引入開挖面前方的水頭分布擬合公式,提出了考慮滲流影響的管幕箱涵開挖面穩(wěn)定性極限平衡法,并對該極限平衡法進(jìn)行了算例和工程實例的有限元模擬驗證;何君佐等[11]依托于某大型“管幕-箱涵”工法頂進(jìn)穿越中環(huán)線工程項目,采用實時監(jiān)測手段對管幕群頂進(jìn)過程中各鋼管的姿態(tài)與變形分析,發(fā)現(xiàn)先施工頂管對后施工頂管存在約束和導(dǎo)向作用;李豪杰[12]采用工程類比法提出一種管幕施工下穿鐵路路基施工工法,主要涉及管幕施作、隧道開挖2個工藝,并通過實際監(jiān)測結(jié)果證明了該下穿施工工法具有安全實用性;張小偉等[13]采用數(shù)值模擬與實際工程對比的方式,以有限元結(jié)果為基準(zhǔn),分析了管幕施工對施工沉降的控制效果;王其升[14]基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對管幕法施工后階段的鋼管切割過程引起的鋼管以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了分析;Yang等[15]研究了管幕法施工的某地鐵站地表沉降監(jiān)測結(jié)果,分析了此工程中地表沉降產(chǎn)生的主要原因,并且鑒于頂管過程中由于反復(fù)擾動和“屏蔽效應(yīng)”,提出了預(yù)測頂管沉降的修正Peck公式進(jìn)行地表沉降預(yù)測;Zhang等[16]分析了在既有隧道以下施工地鐵車站的工程實例,利用FLAC3 D證明了采用注漿補(bǔ)償抬升地表沉降的實現(xiàn)效果。

本文依據(jù)鄭州地鐵4號線商都路車站工程實際情況,通過工程現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析,系統(tǒng)地揭示管幕施工和暗挖隧道CRD施工過程中管線、隧道和隧道周圍地層的變形規(guī)律,以及隧道內(nèi)型鋼支架結(jié)構(gòu)的受力特征,并驗證管幕+CRD法的安全性。

1 工程概況

商都路車站西側(cè)墻距建業(yè)置地廣場(4層、局部30層)地下室邊墻凈距9.8 m,距艾美酒店(高層25層)地下室凈距約13.3 m,東北側(cè)現(xiàn)狀為東易力天國院家具體驗館;西南側(cè)現(xiàn)狀為鄭州建材大世界東建材;東南側(cè)為紅星美凱龍家具廣場。商都路車站周邊建筑物如圖1所示。

圖1 商都路車站周邊建筑物平面布局

鄭州地鐵4號線商都路車站暗挖段頂板埋深約11.32 m,底板埋深約為18.16 m,正洞開挖跨度6.0 m,開挖高度7.15 m,左右線正洞凈間距10.995 m。暗挖段正交下穿內(nèi)徑2.6 m污水管,拱頂與污水管底板底間距約為0.8 m,采用管幕法+CRD法施工。

管幕法施工是將管幕鋼管直接作為螺旋鉆桿(螺旋鉆桿通過錐扣聯(lián)接,為中空結(jié)構(gòu))直徑的外套管,通過液壓泵站使頂管機(jī)動力頭旋轉(zhuǎn),并配以頂管機(jī)的油缸將工作鋼管頂入土體;施工時通過外套管與螺旋鉆桿之間的螺旋空間出土。管幕螺旋鉆桿如圖2所示。

圖2 管幕螺旋鉆桿圖

管幕施工單根鋼管總長度16.2 m,共計90根,每根鋼管分為6段,每段均為3 m進(jìn)行頂進(jìn)施工,總工程量為1 458 m。管幕斷面布置圖如圖3所示。管幕采用Q235熱軋無縫φ402×16 mm熱軋無縫鋼管,兩側(cè)焊接設(shè)置L75 mm×50 mm×8 mm角鋼鎖扣。管幕背部增加與管幕通長的φ42注漿管,在管幕施工完成后進(jìn)行管幕間注漿加固。

圖3 典型斷面

暗挖隧道開挖斷面尺寸為6 300 mm×7 150 mm,初期支護(hù)厚300 mm,二次襯砌頂板、底板厚度均為600 mm、側(cè)墻厚度500 mm,采用CRD法施工。暗挖段設(shè)計采用全斷面深孔注漿+管幕超前輔助措施,全斷面深孔注漿范圍拱頂及側(cè)墻初支以外1.5 m內(nèi);仰拱初支外3 m范圍內(nèi)。深孔注漿方式采用WSS無收縮后退式深孔注漿,注漿材料如下:頂部1.5 m范圍采用超細(xì)水泥漿,其他部位為水泥-水玻璃漿。

隧道開挖將商都路車站B區(qū)作為施工場地,由隧道南端開始向北獨頭開挖,先開挖右線,右線隧道完成后再開挖左線。開挖采用CRD法施工,新建隧道與既有結(jié)構(gòu)典型斷面及隧道開挖順序見圖3。

2 測點布置

2.1 地表沉降

商都路車站暗挖段施工監(jiān)測平面布置示意圖如圖4所示。地表沉降監(jiān)測點宜采用鉆孔方式埋設(shè),鉆孔直徑宜≥120 mm,螺紋鋼標(biāo)志點直徑宜為18～22 mm,底部將螺紋鋼標(biāo)志點用混凝土與周邊原狀土體固定,底端混凝土固結(jié)長度宜為100 mm,孔內(nèi)用中砂回填。

圖4 地表測點分布

地表沉降監(jiān)測點簡圖及埋設(shè)現(xiàn)場照片如圖5所示。監(jiān)測點位從暗挖左右線中線向兩邊3、5、5、8 m布設(shè),縱向間距4.6 m。根據(jù)設(shè)計圖紙及規(guī)范要求,商都路車站暗挖段共布地表沉降監(jiān)測點55個。

圖5 地表測點埋設(shè)

2.2 地下管線沉降

污水管線管頂豎向位移監(jiān)測點采用Φ32圓鋼埋設(shè)于管線頂部結(jié)構(gòu)上,Φ32圓鋼四周測斜管套用保護(hù),Φ32圓鋼底端宜采用混凝土與周邊土體固定,污水管線位移直接監(jiān)測點示意和現(xiàn)場施工照片如圖6所示,點位編號為G-1至G-15。

圖6 污水管線測點埋設(shè)

2.3 拱頂沉降

沿隧道方向在每個導(dǎo)洞頂部設(shè)拱頂沉降監(jiān)測點按4.6 m間距布設(shè)一個監(jiān)測斷面,共布置4個監(jiān)測斷面。拱頂沉降用反射片貼在結(jié)構(gòu)頂部中央。根據(jù)設(shè)計圖紙及規(guī)范要求,商都路車站暗挖段共布拱頂沉降監(jiān)測點24個。暗挖隧道斷面拱頂沉降測點(GC)布置如圖7所示。

圖7 新建隧道測點分布

2.4 凈空收斂

沿隧道方向在每個導(dǎo)洞側(cè)壁設(shè)凈空收斂監(jiān)測點按4.6 m間距布設(shè)一組監(jiān)測點,每組2個。監(jiān)測點埋設(shè)方式如下:凈空收斂采用反射片標(biāo)記在管片上作為監(jiān)測點,洞內(nèi)凈空收斂監(jiān)測點布設(shè)在隧道拱腰位置。根據(jù)設(shè)計圖紙及規(guī)范要求,商都路車站暗挖段共布凈空收斂監(jiān)測點32組。暗挖隧道凈空收斂測點(SL)布置如圖7所示。

2.5 中隔墻軸力

沿隧道方向在每個導(dǎo)洞中隔壁設(shè)軸力監(jiān)測點按4.6米間距布設(shè)一個監(jiān)測點斷面。監(jiān)測點埋設(shè)方式:軸力監(jiān)測采用表面應(yīng)變計焊接在導(dǎo)洞中隔壁型鋼上。根據(jù)設(shè)計圖紙及規(guī)范要求,商都路車站暗挖段共布設(shè)軸力監(jiān)測點16個。暗挖隧道軸力測點(ZL)布置如圖7所示。

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 管幕施工對地表和管線沉降的影響

管幕施工過程中地表和管線累計沉降曲線如圖8所示。從圖8可以看出:在隧道進(jìn)行第1次全斷面深孔注漿時,地表隆起的最大值為37.36 mm,最小值為4.9 mm。在隧道施工注漿完成地表沉降穩(wěn)定后,地表沉降累計平均值為15.98 mm。在管幕鋼管頂進(jìn)全過程,地表變形在距頂進(jìn)時呈沉降趨勢。隨著鋼管的頂進(jìn),污水管線上方各個測點沉降增大,左線管幕先進(jìn)行頂進(jìn)的過程中造成污水管線上方地表共計產(chǎn)生39.85 mm沉降,通過研究發(fā)現(xiàn)由于管幕施工開挖面滲水和注漿后漿液凝結(jié)導(dǎo)致了地層壓縮沉降,地表產(chǎn)生了16.82 mm的沉降。

圖8 管幕施工過程中地表和管線累計沉降

綜上,由左線管幕頂進(jìn)造成的地表沉降為23.03 mm,左線45根管幕鋼管頂進(jìn)造成的沉降均勻發(fā)展。由于施工技術(shù)的熟練,在右線管幕頂進(jìn)的過程中造成污水管線上方地表共計產(chǎn)生了30.76 mm沉降,并且由于注漿后漿液凝結(jié)導(dǎo)致地層收縮,地表產(chǎn)生15.46 mm沉降;由右線管幕頂進(jìn)造成的地表沉降為15.3 mm,并且右線45根管幕鋼管頂進(jìn)造成的沉降均勻發(fā)展。

3.2 注漿加固對地表和管線沉降的影響

結(jié)果(圖9)顯示:左線管幕進(jìn)行周邊補(bǔ)強(qiáng)注漿時,管線上方平均產(chǎn)生了8.9 mm隆起;左線管幕進(jìn)行周邊補(bǔ)強(qiáng)注漿時,管線上方平均產(chǎn)生了4.9 mm隆起。進(jìn)一步分析可知:在全斷面注漿階段,污水管線上方地表均產(chǎn)生了不同程度的隆起,最大隆起點位為G-8,隆起值約為31.11 mm,并且由于靠近兩側(cè)的點位距離全斷面注漿加固范圍較遠(yuǎn),受到的注漿抬升作用較小,隨著漿液的凝固和注漿壓力的撤除地表抬升效果很微弱,G-1點位產(chǎn)生了4.18 mm沉降。

圖9 全斷注漿污水管線上方地表沉降(2019年)

3.3 隧道開挖中地表和管線沉降規(guī)律

右線和左線隧道開挖過程中污水管線上方(進(jìn)洞4.6 m處監(jiān)測斷面)地表沉降隨時間的變化曲線(圖10)顯示:

圖10 左線(a)、右線(b)隧道開挖過程污水管線上方地表沉降(2019年)

(1)地表沉降隨著時間的變化曲線分為小沉降、急劇沉降、沉降轉(zhuǎn)緩慢、趨于穩(wěn)定四個階段,基本符合因隧道開挖產(chǎn)生的地表沉降規(guī)律。

(2)左線隧道和右線隧道正上方產(chǎn)生的地表沉降最大,左線開挖施工時右線隧道已經(jīng)開挖初期支護(hù)完成,沉降趨于穩(wěn)定,并且由于受到右線施工的沉降疊加影響,左線上方產(chǎn)生的沉降大于右線上方。

(3)右線隧道施工完成后,污水管線上方地表沉降最大增加了6.74 mm;左線隧道施工完成后,污水管線上方地表沉降最大增加了7.00 mm,比右線產(chǎn)生的最大沉降大3.86%。

(4)開挖面通過監(jiān)測斷面后,地表沉降變化速率變小,開挖階段左右線隧道地表沉降速率分別為1.06、0.54 mm/d。這是由于隨著開挖進(jìn)尺增加,開挖面的前移導(dǎo)致開挖影響區(qū)發(fā)生變化,同時初級支護(hù)已經(jīng)施作并發(fā)揮支護(hù)作用,支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)和圍巖共同承載。

(5)開挖通過監(jiān)測斷面時產(chǎn)生的沉降值最大。

3.4 隧道開挖中凈空收斂變形規(guī)律

圖11為左、右線隧道先后開挖各點位收斂變化曲線,可以看出:左線隧道和右線隧道的水平收斂值最大值集中在隧道內(nèi)側(cè)靠上部位監(jiān)測點。隨著開挖進(jìn)程的推進(jìn),大部分監(jiān)測點的收斂值會逐漸增大,但整體比較穩(wěn)定,收斂值沒有出現(xiàn)突變情況。右線、左線最大水平收斂分別為3.96、2.48 mm。

圖11 左右線隧道收斂變形(2019年)

3.5 隧道開挖中隔墻軸力變化規(guī)律

圖12為左、右線隧道先后開挖內(nèi)支撐軸力變形曲線,可以看出:鋼支撐在隧道開挖過程中受力十分穩(wěn)定,右線鋼支撐最大軸力僅為1.7 kN,變化量較小,且在左線經(jīng)過時所有點位軸力均未產(chǎn)生波動,表明在經(jīng)加固地層開挖隧道,先行線受后行線的擾動十分有限。最大軸力變化也僅為6.24 kN,較右線略大,表明先行線開挖對后行線所在地層產(chǎn)生的擾動較小。鋼支撐軸力在開挖過程中比較穩(wěn)定,左線和右線軸力值均在安全范圍內(nèi),表明管幕法施工對地層加固處理能很好保護(hù)新建隧道。

圖12 左右線鋼支撐軸力(2019年)

3.6 二次襯砌施工中地表和管線沉降規(guī)律

圖13為二襯布置期間污水管線上方地層沉降變化曲線,可以看出:二次襯砌施工期間污水管線上方地表變化量十分穩(wěn)定,其中沉降點位變化最大的是G-5(左線軸線上方),且僅有6.87 mm,占總變化量的36.4%,而G-11(右線軸線上方)最大變化量僅為0.39 mm,占總變化量的2.53%,并且對比左、右線點位變化量可知右線上方沉降要小于左線點位,表明先行線開挖對后行線隧道上方地層具有一定的擾動性;但從整體變化情況來看,地表變形比較穩(wěn)定,在正常范圍之內(nèi),沉降原因一方面來自初期支護(hù)剛度沒有完全達(dá)到完全穩(wěn)定,另一方面是二次襯砌施工時中隔墻拆除使得初支鋼架產(chǎn)生了微小變形進(jìn)而產(chǎn)生了一定的沉降。整體而言,管幕施工對隧道周圍地層加固能很大程度降低隧道開挖階段對地層的擾動,對控制地表沉降有十分重要的作用。

圖13 二次襯砌施工過程污水管線上方地表沉降

綜上所述可知:地表變形較大的地方在于管幕頂進(jìn)初期,隨著管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)的完成以及注漿加固等措施的有效開展,地表變形的趨勢逐漸穩(wěn)定,尤其是在管幕結(jié)構(gòu)施工完成后隨即進(jìn)行的開挖及二次襯砌施工造成的地表形態(tài)變化較小,這印證了管幕+CRD方法暗挖隧道的安全有效性。

4 結(jié)論

(1)在隧道開挖過程中,地表沉降隨著時間的變化曲線分為小沉降、急劇沉降、沉降轉(zhuǎn)緩慢、趨于穩(wěn)定4個階段,這與隧道開挖產(chǎn)生地表沉降規(guī)律基本一致。

(2)左線隧道和右線隧道正上方位置隨著開挖進(jìn)度推進(jìn)產(chǎn)生的地表沉降最大;由于受到右線線施工的沉降疊加影響,左線上方產(chǎn)生的沉降大于右線上方的;左線隧道施工完成后污水管線上方地表沉降最大值比右線施工期間產(chǎn)生的最大沉降增加值大3.86%。

(3)開挖面通過監(jiān)測斷面時產(chǎn)生的沉降值最大,通過監(jiān)測斷面后地表沉降變化速率變小;隨著開挖進(jìn)尺增加,開挖面的前移導(dǎo)致開挖影響區(qū)域同時發(fā)生變化;開挖階段左線平均沉降速率約為右線平均沉降速率的1/2。

(4)左線隧道和右線隧道的水平收斂最大值集中在隧道內(nèi)側(cè)靠上部位監(jiān)測點;對比豎向沉降與水平收斂變形值發(fā)現(xiàn)隧道變形以豎向變形為主。

(5)左線鋼支撐最大軸力變化約為6.24 kN,較右線略大,二次襯砌施工期間左、右線上方地表變形量分別占總變形量36.4%和2.53%,先行線開挖對后行線所在地層有一定擾動且影響較小,表明管幕法施工對控制沉降變形有明顯的作用。