新暗挖工法“超前模筑初期支護法”研究

譚富圣，于鶴然

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司城交院，北京 100055)

1 概述

隨著我國社會經(jīng)濟的快速持續(xù)發(fā)展，新建暗挖工程下穿既有鐵路、公路、地鐵等工程的情況會越來越多，要求新建工程既要滿足現(xiàn)狀設施安全使用的要求，又要盡量淺埋，目前國內(nèi)現(xiàn)有成熟暗挖工法均存在地面沉降大、安全風險高、難于滿足上部重要設施變形要求等問題，或為滿足變形要求，需投入大量輔助工程及費用［1］，并且埋深越淺，上述問題越突出，因此找到一種既能在淺埋條件下安全實施，又能保證上部既有設施安全要求且造價適中的新暗挖工法需求強烈。

基于以上原因，在參考國外STS工法的基礎上，對沈陽某地鐵車站中部采用新暗挖工法“超前模筑初期支護法”實施。本暗挖工法具有施工過程安全度高、地面沉降小、適用范圍廣闊且造價適中的特點。特別適用于埋深淺、跨度大、地質(zhì)條件差的軟弱地層內(nèi)，可以很好地控制沉降。

2 工程概況及新暗挖工法簡介

沈陽地鐵10號線某地鐵車站位于一環(huán)主路下方某城市主干道交叉路口，10號線車站沿一環(huán)主路偏西側(cè)大致呈南北方向跨路口布置，車站為雙層三跨矩形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)島式站臺車站，有效站臺寬度13 m、長度118 m，標準段寬度21.7 m，車站主體總長225.95 m，結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度為4.0～4.2 m，底板埋深約17.65 m。車站采用兩端蓋挖中間新暗挖法施工，蓋挖支護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+軍用梁鋪蓋體系，新暗挖工法為平頂直墻結(jié)構(gòu)，先完成由相互連為一體的鋼管形成的初期支護，然后開挖土體并完成二襯。本車站與規(guī)劃遠期線地鐵車站換乘，遠期地鐵線從10號線車站下方穿越，10號線車站公共區(qū)設有換乘通道連接遠期地鐵車站。

本車站暗挖部位地質(zhì)情況從上到下依次為雜填土層①(厚度約3 m)、礫砂層③－4(厚度1～3 m)、圓礫層③－5(厚度6～9.3 m)、圓礫層④－5(厚度5～8 m)、礫砂層⑤－4(厚度2～4 m)、圓礫層⑤－5。暗挖結(jié)構(gòu)拱頂部分位于礫砂層③－4及圓礫層③－5，地下水位深度約為6.6～7.1 m，地下水均為潛水。具體地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 車站暗挖部位地質(zhì)縱斷面(單位:m)

本工程車站中部采用新暗挖工法主要基于以下幾個原因:(1)地面交通繁忙、地下管線改移困難且變形控制要求高;(2)車站盡量減少埋深為遠期地鐵線下穿創(chuàng)造條件;(3)為不降低車站使用功能暗挖段設計為雙層;(4)傳統(tǒng)暗挖工法采用平頂直墻結(jié)構(gòu)形式在埋深較淺條件下沉降變形大且風險高。

車站新暗挖工法主要是沿開挖輪廓先實施互相咬合并帶翼板的小直徑鋼管(為方便后期人工進入鋼管內(nèi)完成栓釘就位操作，直徑一般0.8 m)，并把各個獨立鋼管通過栓釘或鋼翼板連接并澆筑混凝土，形成整體的板結(jié)構(gòu)，在板結(jié)構(gòu)保護下開挖土體并設置臨時或永久支撐，最終澆筑完成二襯(臨時支撐拆除)。其最大的特點是采用連接為整體的管排結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)暗挖工法的超前支護及初期支護，傳統(tǒng)暗挖工法是邊開挖邊完成初期支護，超前支護剛度較低且整體性差，新暗挖工法是先形成初期支護且剛度大，變形控制效果好，對地層適應范圍更廣泛，本工法實施的關(guān)鍵在于控制施工過程鋼管施工精度，目前采用水平螺旋鉆工藝，現(xiàn)場實施誤差可以控制在8 mm以內(nèi)。本新工法與NTR工法［2-6］相比，鋼管直徑較小，因此在鋼管實施期間對地層擾動更小，同時無需在鋼管內(nèi)進行焊接等作業(yè)，因此工藝更簡單。新暗挖工法結(jié)構(gòu)橫斷面如圖2所示，初支新型結(jié)構(gòu)大樣如圖3所示。

圖2 新暗挖工法橫斷面(單位:mm)

3 新工法工序及模型計算

3.1 新工法工序介紹

第1步:首先在暗挖結(jié)構(gòu)兩側(cè)設置開挖工作井及接收工作井，工作井內(nèi)隨挖隨實施暗挖段頂部及側(cè)向鋼管，并挖除鋼管內(nèi)及鋼管間土體，本步驟關(guān)鍵是控制鋼管施工精度。

第2步:在鋼管內(nèi)安裝連接栓釘，栓釘安裝完成后，在鋼管兩端安裝封堵板，通過封堵板預留灌漿孔，向鋼管內(nèi)灌注混凝土。

第3步:臺階法開挖一側(cè)下導洞(Z1)并縱向貫穿后，臺階法開挖Z1導洞頂部Z2導洞，導洞采用格柵支護。第1～第3步施工如圖4所示。

圖4 新暗挖工法施工步驟1～步驟3

第4步:在Z1導洞內(nèi)分別施工防水板、底縱梁及部分底板，達到強度要求后在Z2導洞內(nèi)施做鋼管柱、頂縱梁及梁頂防水板。

第5步:重復第3、第4步工序，縱向先后開挖Z3、Z4導洞并施做內(nèi)部梁柱結(jié)構(gòu)及防水板，Z1、Z2導洞開挖過程中對與其相鄰的Z3、Z4導洞之間土體進行注漿加固處理。

第6步:破除上部導洞間格柵，鋪設防水層，施做中跨頂板。第4～第6步施工如圖5所示。

第7步:縱向分段開挖站廳層中板底以上土體，施做車站結(jié)構(gòu)邊跨處站廳層側(cè)墻防水層，施工中縱梁、中板及站廳層側(cè)墻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

第8步:待中板及站廳層側(cè)墻達到設計強度80%后，開挖中跨土體至底板底，施作封底結(jié)構(gòu)并拆除導洞部分結(jié)構(gòu)，施做底板防水層及澆筑底板，繼續(xù)開挖邊跨土體至底板底，施作封底結(jié)構(gòu)并拆除部分導洞結(jié)構(gòu)，施做底板防水層及澆筑底板剩余結(jié)構(gòu)。

第9步:施作剩余側(cè)墻及頂板防水層，澆筑側(cè)墻與頂板剩余結(jié)構(gòu)，最后施做內(nèi)部結(jié)構(gòu)。第7～第9步施工如圖6所示。

圖5 新暗挖工法施工步驟4～步驟6

圖6 新暗挖工法施工步驟7～步驟9

3.2 新工法計算模型及參數(shù)

為了預測新暗挖工法實施過程對地面沉降的控制效果及結(jié)構(gòu)受力，本處采用FLAC3D軟件建立三維“地層－結(jié)構(gòu)”的連續(xù)介質(zhì)模型進行分析。模型分析范圍為:水平方向－50～+50 m，縱向取1個柱間距9.75 m，重力方向43 m，共計33 856個單元，39 303個節(jié)點。模型上部為自由表面，施加20 kPa法向壓力模擬地表超載，側(cè)面和底面為法向位移約束邊界。計算時按自重應力場考慮。從上至下模型土層共計劃分為4層，三維數(shù)值模型見圖7，土層分層及網(wǎng)格劃分見圖8。

圖7 暗挖段三維數(shù)值模型

圖8 暗挖段模型土層劃分

土體及結(jié)構(gòu)等材料的力學參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查報告、相關(guān)工程經(jīng)驗及規(guī)范選取，具體取值見表1。

表1 各個土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

噴射混凝土采用殼單元模擬，立柱采用梁單元，其他部分均采用實體單元。巖土體、注漿區(qū)域采用摩爾庫倫模型模擬，混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性模型。

整個模型的計算過程嚴格按照前面3.1部分的施工步驟進行。第1步:地應力平衡計算;第2步:施做管幕;第3步:在管幕的支撐下開挖車站范圍內(nèi)右側(cè)下方導洞，洞壁采用格柵+噴射混凝土支護;第4步:開挖右側(cè)上方導洞，洞壁采用格柵+噴射混凝土支護;第5步:上下導洞之間人工挖孔樁實施，并施工底縱梁及部分底板、頂縱梁、鋼管柱;第6～第8步:在車站范圍左側(cè)重復第3～第5步工序;第9步:開挖站廳層中板底以上土體，施做車站結(jié)構(gòu)邊跨處站廳層側(cè)墻，施工中縱梁、中板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);第10步:開挖至底板底，施作封底結(jié)構(gòu)并拆除導洞部分結(jié)構(gòu)，澆筑底板。主要幾個施工步驟模型及沉降計算結(jié)果如圖9～圖17所示。

圖9 第4步后(右側(cè)上下導洞實施完成模型)

圖10 第4步完成后豎向沉降云圖

圖11 第8步后實施完成模型

圖12 第8步完成后豎向沉降云圖

圖13 第9步后實施完成模型

圖14 第9步完成后豎向沉降云圖

其中右側(cè)導洞施工完畢(第四步)后，管幕結(jié)構(gòu)頂部最大沉降3.05 mm，地表最大沉降2.35 mm，沉降云圖見圖10;左側(cè)導洞施工完畢后(第九步完成后)，管幕結(jié)構(gòu)頂部最大沉降4.35 mm，地表最大沉降4.07 mm，沉降云圖見圖12;站廳層中板底以上土體開挖完畢后，管幕結(jié)構(gòu)頂部最大沉降8.63 mm，地表最大沉降7.89 mm，沉降云圖見圖14;開挖至底板底后，管幕結(jié)構(gòu)頂部最大沉降10.69 mm，地表最大沉降10.23 mm，沉降云圖見圖16。幾個關(guān)鍵步驟施工完成后地面沉降曲線見圖17。從計算分析結(jié)果可以看出，采用新工法對控制地面沉降明顯有優(yōu)勢，根據(jù)以往經(jīng)驗，平頂直墻結(jié)構(gòu)在此種條件下，地面沉降一般達到40 mm以上［7-8］，本工法最大沉降僅10 mm左右，且施工過程安全度高。另外，由于本工法鋼管實施階段采用水平螺旋鉆工藝，管端無臨空面，鋼管吃土頂進，管外空隙可以及時填充膨潤土混合液，因此鋼管實施階段與普通工藝施工的管棚相比較，沉降量非常小，現(xiàn)場試驗監(jiān)測僅2 mm。

圖15 第10步后實施完成模型

圖16 第10步完成后豎向沉降云圖

圖17 施工過程各關(guān)鍵步驟地面沉降曲線

4 新工法新型構(gòu)件計算及模型試驗

本新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件是把單獨鋼管連為整體橫向受力，此種結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，構(gòu)件計算方法需要重新研究，通過理論計算及現(xiàn)場模型試驗對此種新型構(gòu)件進行分析并總結(jié)一些規(guī)律。

理論計算采用兩種模型，一個是新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型，內(nèi)灌C30混凝土，鋼管間采用φ32@200 mm三級鋼連接(鋼筋僅在管間連接，管內(nèi)不連續(xù)，與現(xiàn)場實施方式一致)，取雙6 m跨連續(xù)梁模型，支座簡支(下部的支座為了防止出現(xiàn)點支撐的應力集中，采用0.5 m寬鋼支座，與梁之間采用接觸單元分開)，寬度取1 m;另一個矩形截面普通鋼筋混凝土梁模型，梁高采用新型結(jié)構(gòu)鋼管間連接部位高度(0.69 m)，其余混凝土、配筋、跨度、支座等參數(shù)均同新型結(jié)構(gòu)［9，10］。兩個模型均加均布荷載，荷載由100 kPa逐漸增加，每次增加10 kPa，加載到200 kPa均載時兩者同時都出現(xiàn)了貫通的塑性區(qū)，如圖18、圖19所示?，F(xiàn)場試驗模型破裂狀態(tài)照片見圖20、圖21。

圖18 新型結(jié)構(gòu)連續(xù)梁模型塑性區(qū)貫通

圖19 普通連續(xù)梁模型塑性區(qū)貫通圖

圖20 現(xiàn)場試驗模型裂縫貫通照片

圖21 現(xiàn)場試驗模型最終破壞照片

從理論分析及現(xiàn)場試驗可以看出，新型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的薄弱點是2個鋼管之間的連接部位，無論采用鋼筋連接方式，還是采用焊接鋼板連接方式，最終都是在連接部位破壞，焊接鋼板連接首先是鋼材屈服，最終焊接連接部位破壞。理論分析表明，普通鋼筋混凝土梁與新型構(gòu)件梁相比，均布荷載加到200 kPa時，塑性區(qū)貫通，兩者塑性區(qū)分布規(guī)律基本一致，但普通梁范圍略大，等效構(gòu)件最大撓度 4.48 mm，比新型構(gòu)件大11.4%。現(xiàn)場試驗表明，即使塑性區(qū)貫通后，新型構(gòu)件仍然能夠繼續(xù)承受較大荷載，說明此種構(gòu)件比普通鋼筋混凝土構(gòu)件延性更好。以此推斷，作為隧道受力結(jié)構(gòu)，新型構(gòu)件在力學性能上要優(yōu)于等效厚度的鋼筋混凝土構(gòu)件，在考慮新型構(gòu)件設計參數(shù)時，連接鋼板及連接鋼筋可以等效為普通鋼筋混凝土構(gòu)件配筋，采用等截面鋼筋混凝土構(gòu)件的計算方法進行初步計算可行，且計算結(jié)果是偏于安全的。

5 結(jié)語

通過前面的分析可以看出，新暗挖工法具有地面沉降小、施工過程安全可靠、適應地層廣泛、結(jié)構(gòu)受力明確等優(yōu)點，同時由于新暗挖工法無需超前支護及超前注漿，沒有臨時隔墻及隔板等構(gòu)件，因此造價相比傳統(tǒng)暗挖工法基本相當，此外新暗挖工法可以大面積開挖，二襯施工縫更少，有利于提高工效及增強防水效果。

除了前面提到的優(yōu)點外，本新暗挖工法還需要在以下幾個方面進一步優(yōu)化和完善，使該工法能夠得到廣泛應用和推廣。

(1)新暗挖工法需特別注意施工過程對鋼管頂進精度控制，需要研究更為精確控制鋼管頂進的工藝及設備，提高機械化水平。

(2)鋼管間連接部分的施工質(zhì)量最為關(guān)鍵，需進一步研究連接部位原狀土挖除、混凝土澆筑的工藝，以確保新型構(gòu)件施工質(zhì)量。

(3)本新暗挖工法相比較NTR工法［11］，頂管施工期間沉降更小，且無需在管內(nèi)進行焊接、切割等作業(yè)，但仍然需要人工進入鋼管內(nèi)作業(yè)，初期支護結(jié)構(gòu)尺寸不是受力控制而是實施條件控制，需進一步研究無需人工進入鋼管內(nèi)作業(yè)工藝，如此可以使鋼管直徑進一步減少，施工更簡便且造價更有優(yōu)勢。

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