富水粉細砂層“先井后隧”施工技術研究

李自力 潘旭東 趙香萍 張志強 廖霖

摘 要：文章結合太原地鐵 2 號線南中環(huán)街站—學府街站區(qū)間盾構穿越中間風井工程實例，對“先井后隧”施工技術進行闡述，其中重點闡述導臺施工和盾構機進出洞工藝;采用 Flac3D 軟件對土壓平衡盾構穿越中間風井的支撐結構受力情況以及基坑周邊地表沉降進行數(shù)值模擬分析，結果表明，在 1 道混凝土支撐和 2 道鋼支撐的基礎上，盾構機過站時左右線洞門新增鋼支撐，可以有效地將基坑開挖以及盾構掘進過程中的基坑周邊地表沉降控制在允許范圍內，從而保證盾構安全、高效、經濟地通過中間風井。

關鍵詞：地鐵;盾構過站;先井后隧;施工技術

中圖分類號：U455.43

1 工程概況

太原地鐵2號線南中環(huán)街站—學府街站區(qū)間盾構施工穿越中間風井，該區(qū)間左右線總長均為888.607m，左右線間距14.2 m，最大坡度20.203‰，結構覆土約10.39～17.15 m。盾構自學府街站始發(fā)，到達中間風井，并由中間風井內二次始發(fā)，最后到達南中環(huán)街站接收端。中間風井圍護結構采用地連墻形式，風井南北方向長25.01 m，東西方向寬13.7 m，開挖深度20.344m，地連墻厚0.8 m，深度31.544 m（圖1）。

該風井涉及地層有雜填土、素填土、粉質黏土、細砂層、黏質粉土。雜填土與素填土位于地表，分布廣泛，富水性一般。粉質黏土分布不連續(xù)，富水性較差，滲透系數(shù)一般為0.01～0.1 m/天，屬弱透水層。黏質粉土多位于地下水位埋深以下，富水性一般，滲透系數(shù)一般為0.1～0.5 m/天，屬弱透水層。粉細砂分布不均，水平分布及厚度差異變化較大，但富水性較好，滲透系數(shù)一般為1.0～10 m/天，屬中等透水層。

2 盾構穿越風井施工

該風井施工中主要施工工序如下：地連墻施工（厚度0.8 m，深度31.544 m），開挖基坑同時架設支撐體系（1道混凝土支撐和2道鋼支撐），主體結構底板施工（C45、P10混凝土，厚度0.9 m），洞門范圍水平注漿加固，洞門破除，導臺結構施工，回填施工，增設鋼支撐，繼續(xù)回填，盾構機進站，盾構機出站，后期清理。

2.1 洞門水平加固

（1）加固范圍。風井里程端洞門需破除，背后采用水平注漿加固，加固范圍：沿隧道軸線方向為6 m，斷面范圍為洞門圈以外2.5 m。

（2）注漿孔布置。沿洞門圈周邊布設水平注漿孔2圈，外圈分布圓直徑為7 m，內圈分布圓直徑為6 m，布孔環(huán)向間距0.3 m;洞門圈中部水平注漿孔按矩陣式布設，間距0.6 m（圖2）。

2.2 混凝土導臺施工

為防止盾構過風井時盾構機出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象，該工程采取了混凝土導臺施工方案（圖3）。混凝土導臺的主要施工工序包括：測量放線，預埋鋼筋，綁扎導臺基礎鋼筋，安裝預埋鋼板，安裝模板支架，澆筑混凝土，并根據盾構機的接收姿態(tài)調整安裝軌道。風井底板結構完成后，在風井左右線底板施作混凝土導臺，導臺斜面與盾構機相切圓直徑為6 830 mm，導臺高度為1000mm，并在靠近結構側墻位置預留槽道，便于后期側墻模板施工;在左右線導臺之間澆筑300 mm厚混凝土，以保證導臺穩(wěn)定性;在導臺內側回填碎石以提高回填土底部承載力，碎石規(guī)格5～10 mm;在導臺中預埋用于固定鋼軌的鋼板，盾構接收前根據其姿態(tài)焊接鋼軌;在混凝土導臺上進行盾構接收、空推、始發(fā)等后續(xù)施工。

2.3 鋼支撐架設

為保證盾體過站時主體結構安全，在風井內需增設支撐，其中，左右線洞門外側1 m各增加4根，間隔45°布設（圖4）。新增加鋼支撐的預埋鋼板與地連墻主筋焊接，并打設膨脹螺栓進行固定。新增支撐前先進行土方回填，回填至支撐底部位置時，開始進行支撐架設。

2.4 回填施工

導臺施工及洞門破除完畢后，在導臺內側回填碎石以提高回填土底部承載力，防止盾構過站產生“栽頭”現(xiàn)象，碎石規(guī)格5～10 mm。碎石回填完成后，開始土方回填施工。為保證盾構穿越安全，回填高度與地下水位線平齊，在盾構穿越區(qū)回填土為塑性改良土（三七灰土），回填范圍為洞門破除范圍外擴2 m，其余部分回填普通素土，回填土均層層夯實（圖5）。

2.5 盾構機進站與出站

中間風井回填施工完成后，馬上開始盾構機過站。進站過程中，盾構機按不大于1 000 t的推力正常掘進和拼裝管片，做好管片背后注漿，當盾尾全部進入中間風井后停止推進，盾構機維持在保壓狀態(tài)，然后對中間風井到達端洞門后面6環(huán)以上管片進行二次注漿，在洞門位置將盾尾來水和結構外地下水與中間風井內部隔斷。通過盾構機刀盤位置出水情況和中間風井內管片吊裝孔判斷中間風井洞門封堵情況。當洞門位置封堵良好，沒有明顯滲水時，盾構機可以繼續(xù)推進至結構中央，若洞門封堵不嚴、有明顯滲水或涌水，則需繼續(xù)注漿處理，直至完全將洞門封堵嚴密。

在進出洞時，盾構機殼體與洞口之間會有環(huán)形空隙，泥水進入該空隙會對土壓平衡造成影響，進而影響盾構正常作業(yè)，為防止該情況出現(xiàn)，進站和出站分別進行二次封堵。盾構機到達二次始發(fā)端洞門后，檢查盾構機運行情況和注漿系統(tǒng)工作狀況，經檢查一切正常后開始出站。盾構機正常掘進推出端頭加固區(qū)，掘進至盾尾距始發(fā)端洞門約9 m后，盾構機暫停掘進。土倉滿倉的情況下對盾尾至始發(fā)端洞門間的6環(huán)管片（每環(huán)寬度1.2m）進行二次注漿，通過中間風井內部靠近始發(fā)端洞門的管片吊裝孔檢查始發(fā)端洞門封閉情況。在封堵良好無明顯滲水后盾構機繼續(xù)掘進，過站完成。

3 基坑支撐結構分析

3.1 回填施工前支撐結構分析

在開挖風井主體結構過程中，設有3道支撐結構：1道鋼筋混凝土支撐和2道800 mm（t = 16mm，材質Q235B）鋼管內支撐。土層開挖至鋼支撐預設深度下0.5m時，及時設置鋼支撐并加載支撐預加力。通過計算基坑底部以上的墻后水土壓力來確定支撐結構的受力情況，并通過Flac3D軟件對施工過程進行模擬，據此對基坑進行邊開挖邊支撐。

3.1.1 地連墻水土壓力分析

本文采用朗肯土壓力理論，對坑壁外側的水土壓力（即支撐結構受力）進行計算。根據有效應力原理，某一點的水土壓力σz、橫向主動土壓力Pa可通過下式計算得到：

式（1）～式（3）中，σ 'z為有效應力;Pw為靜水壓力;φ為土的內摩擦角;Ka為主動土壓力系數(shù);c為土的黏聚力。

將表1所示土層參數(shù)帶入式（1）～（3）即可可計算得到地連墻所受水土壓力。

3.1.2 支撐結構分析

以盾構機的推進方向為Y軸正方向，隧道原點指向地表方向為Z軸正方向，建立基坑及支撐結構數(shù)值模型（圖6）。模型尺寸為145.81m×135.3m×31.544m

（長×寬×高），模型內基坑尺寸為25.01m×13.7m×20.344m（長×寬×高），在Z = 17.82m、10.82m、5.02m

處分別采用梁單元建立3道支撐。模型邊界條件，在X = -60.8m和85.81 m處對X方向位移進行約束，在Y = -60 m和Y = 74.5m處對Y方向位移進行約束，在Z = -11.2 m處對Z方向位移進行約束。初始孔隙水壓力為按重力場梯度分布的靜水壓力，滲流模型為各項同性模型，除模型的上表面以外其他所有邊界為不透水邊界，開挖區(qū)域的孔隙水壓力為0，開挖單元設置為不透水模型。

基坑分步開挖與支護實際上是一個連續(xù)施工的過程，本文采用Flac3D對該基坑工程邊開挖邊支撐進行模擬，計算不同開挖階段支撐系統(tǒng)的受力情況以及相應位移情況。

（1）圖7為不同開挖階段的支撐結構變形云圖。其中，圖7a（階段1）、圖7b（階段2）、圖7c（階段3）分別為開挖至第1道支撐、第2道支撐、第3道支撐位置以下0.5 m并架設相應支撐時支撐結構的變形情況，圖7d（階段4）為開挖至基坑底部位置時支撐結構的變形情況。從圖7中可以看出，支撐結構的端頭位移明顯大于結構中部。開挖至第1道支撐結構時，4根斜撐與4根直撐產生的位移具有相同的規(guī)律，說明此階段基坑各側壁位移幾乎無差別;開挖至第2道支撐結構時，第2道支撐結構的位移明顯大于第1道支撐結構，而且斜撐的位移最大（依此類推），表明基坑深度越大，土體位移也相應增大，這可能是水土壓力隨著深度的增大而增加造成的，與前述水土壓力計算結果一致，說明數(shù)值模擬結果與實際情況相同。總體來看，該工程設置的支撐結構達到了開挖預期目的，即從開始開挖至基坑底部，支撐結構的位移非常小，可以忽略不計。

（2）圖8為不同開挖階段的支撐結構受力云圖。其中，圖8a（階段1）、圖8b（階段2）、圖8c（階段3）分別為開挖至第1道支撐、第2道支撐、第3道支撐位置以下0.5 m并架設相應支撐時支撐結構的受力情況，圖8d（階段4）為開挖至基坑底部位置時支撐結構的受力情況。從圖8可以看出，開挖至第1道支撐結構階段，其受力明顯較小，單根支撐最大受力為13.3 kN;開挖至9.5 m左右時架設第2道支撐，此時支撐結構受力最大，單根支撐最大受力24 kN;開挖至基坑底部時，各道支撐受力均勻，第2道支撐受力也減小，單根支撐最大受力475 N。

3.2 回填施工后盾構穿越風井時支撐結構分析

土壓平衡盾構機在掘進過程中，會給土體施加壓力，再加上土體原本承受的水土壓力，會增加盾構進出洞的風險。為實現(xiàn)盾構機安全進出洞并安全完成掘進，左右線洞門外側1 m各新增加4根（共計8根）鋼直撐，間隔45°布設，與基坑開挖過程的支撐結構有所區(qū)別。為檢驗此種設計的安全性，采用Flac3D建立模型對鋼支撐的受力和位移狀態(tài)進行分析，模型尺寸為85.01m×93.7 m×31.544 m（長×寬×高），模型中基坑尺寸為25.01 m×13.7 m×20.344 m（長×寬×高），新增加的鋼直撐分別在Z = 17.82 m、10.82 m處按梁單元考慮。模型邊界條件，在X = -30 m和55.01 m處對X 方向位移進行約束，在Y = -50 m和Y = 43.7 m處對Y 方向位移進行約束，在Z=-11.2 m處對Z方向位移進行約束（圖9）。初始孔隙水壓力為按重力場梯度分布的靜水壓力，滲流模型為各項同性模型，除模型的上表面以外，其他所有邊界為不透水邊界，開挖區(qū)域的孔隙水壓力為0，開挖的單元設置為不透水模型。

（1）從圖10支撐結構的Y軸受力分析結果可知，新增支撐與原第1道、第2道支撐相比，所受壓力較大。其中，圖10a與圖10b分別為位于左線洞口腰部的新增直撐、右線洞口腰部的新增直撐應力曲線，圖10c和圖10d分別為位于左線洞口頂部的新增直撐、右線洞口頂部的新增直撐應力曲線。從圖10中可以看到，支撐結構的兩端所受應力最大，結構中部所受應力較小。雖然不同支撐結構的受力大小變化趨勢相似，但由于支撐結構所處位置不同，所受應力也就有所差別。

（2）圖10a與圖10b中的支撐所處高度與角度相同，分別位于左右線洞口的腰部位置，圖中顯示的2處所受應力變化范圍相似，最大值介于290～330 kN之間，最小值介于218～220 kN之間;圖10c和圖10d表示的新增支撐位于洞口頂部，所受應力變化范圍最大值介于380～450 kN之間，最小值138 kN。

從以上模擬結果看出，盾構掘進階段與基坑開挖階段的支撐結構在掘進方向的位移相同，數(shù)值在毫米級別，支撐結構不會發(fā)生大變形，即該工程所確定的支護形式與上述相關支護參數(shù)達到了確保盾構順利穿越風井的目的。

4 地表沉降分析

圖11為基坑內部、外側地表在盾構掘進階段的沉降曲線，橫坐標為計算點位與模型最西側的距離，縱坐標為地表沉降值。其中，圖11a為模型中線位置由西至東地表沉降曲線，可見，基坑外西側在盾構機過風井的掘進階段地表沉降約為1.5 cm，基坑外東側沉降在0.5～1.0 cm范圍內，而基坑內部沉降超過4 cm，但基坑內部回填土體最終會被開挖，所以沉降數(shù)值并無意義。圖11b與圖11c分別為基坑外南北兩側地表沉降曲線，可見，基坑外側地表沉降數(shù)值在1 cm以內，甚至更小。表明此工程中，基坑外側地表模擬沉降最大值均在2 cm以內，“先井后隧”施工工藝有效地控制了地表沉降。

5 結論

（1）在“先井后隧”的施工方法中，混凝土導臺對盾構機安全通過風井結構有重要作用。

（2）基坑開挖階段的支撐結構（1道混凝土支撐與2道鋼支撐）與盾構掘進階段的支撐結構（混凝土支撐+鋼支撐+洞門周圍增設鋼支撐）受力與變形均滿足要求，有效保證了基坑內外水土壓力在盾構掘進過程中實現(xiàn)平衡，使盾構機順利通過中間風井。

（3）“先井后隧”施工方法可將基坑周邊地表沉降控制在2 cm以內，滿足有關標準要求。

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收稿日期 2019-10-08

責任編輯 朱開明