王迎新
(中國中鐵六局集團(tuán)有限公司,北京100000)
由于城市設(shè)施的配套性,盾構(gòu)法施工所需的工作井多位于城市道路、綠化帶或住宅商業(yè)區(qū)。進(jìn)行盾構(gòu)工作井施工時(shí),必須進(jìn)行必要的拆遷、占地審批、管線遷改工作。而這些工作往往耗時(shí)長,很多情況下會(huì)成為制約工期的主要因素之一,這種現(xiàn)象在大中城市尤為明顯。為了避免工作井前期工作占用盾構(gòu)掘進(jìn)工期,保證洞通節(jié)點(diǎn)及人員設(shè)備力量的節(jié)約,這時(shí)往往需要進(jìn)行先隧后井施工,即盾構(gòu)先行掘進(jìn)通過,后進(jìn)行工作井施工。先行施工盾構(gòu)隧道后進(jìn)行工作井施工時(shí),由于工序逆做,會(huì)遇到止水帷幕無法封閉、隧道上方圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度過低易失穩(wěn)、基坑開挖時(shí)隧道上方土方卸荷造成隧道上浮等一系列技術(shù)問題。為了從根本上解決這些問題,結(jié)合長沙市軌道交通5 號線人民路交叉節(jié)點(diǎn)工程實(shí)際案例,通過“1234”法,即“1 個(gè)加強(qiáng)”“2 個(gè)注漿”“3 個(gè)固定”“4 個(gè)措施”,有效解決了砂卵石層中先隧后井施工時(shí)遇到的帷幕不能封閉、圍護(hù)樁樁嵌固深度過淺、基坑開挖卸荷管片上浮的問題。
高橋北站—芙蓉區(qū)政府站盾構(gòu)區(qū)間下穿人民路處規(guī)劃有下穿隧道1 條,節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)設(shè)置雙向4 車道,中間采用中隔墻分開。人民路下穿隧道節(jié)點(diǎn)平面尺寸30.4 m×22.4 m,本處節(jié)點(diǎn)跨越5 號線及后期規(guī)劃的6 號線其上下位置關(guān)系是:人民路下穿隧道、5 號線、6 號線,5 號線區(qū)間隧道與下穿隧道凈距約1.2 m。
該區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)拱頂?shù)貙又饕獮榛炷谅访妫?-2)和雜填土(1-2);洞身地層主要為粉質(zhì)黏土(2-1),粉細(xì)砂(2-3);結(jié)構(gòu)底板處地層主要為卵石(2-7)。本區(qū)間場地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件均中等復(fù)雜。地下水類型主要為第四系松散層中的孔隙水,含水層厚度在1.8~5.6 m,以卵石為主,局部為粉細(xì)砂和圓礫。
由于5 號線盾構(gòu)隧道下穿人民路交叉節(jié)點(diǎn)基坑,若采用常規(guī)工藝先施工工作井,待交叉節(jié)點(diǎn)隧道主體結(jié)構(gòu)施工完成且達(dá)到抗浮要求后再進(jìn)行盾構(gòu)下穿。此方法雖然安全系數(shù)高、施工方便,但由于人民路交叉節(jié)點(diǎn)位于長沙市萬家麗路與人民東路2 條主干道交叉口位置,如圖1 所示節(jié)點(diǎn)不遠(yuǎn)處還有繞城高架出入口,為長沙市城區(qū)主要交通擁堵點(diǎn)之一。節(jié)點(diǎn)基坑剛好位于交叉路口中央,圍擋封閉后會(huì)對原本就擁堵的交通雪上加霜,加之基坑范圍內(nèi)還有1 條現(xiàn)狀污水管涵。在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)施工前必須進(jìn)行占地審批管線改遷以及后續(xù)的基坑開挖、結(jié)構(gòu)施工,盾構(gòu)需停機(jī)待工長達(dá)18 個(gè)月之久。盾構(gòu)長時(shí)間停機(jī)在造成費(fèi)用巨大浪費(fèi)的同時(shí)還極具安全隱患。
圖1 人民路交叉節(jié)點(diǎn)位置示意圖
采取先隧道下穿后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)施工后,可以在保證隧道洞通節(jié)點(diǎn)的同時(shí)極大地節(jié)約資源。但是,由于5 號線隧道距離節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)底板距離過近,如圖2 所示盾構(gòu)先行通過后再進(jìn)行節(jié)點(diǎn)施工時(shí)會(huì)遇到以下困難:
1)盾構(gòu)隧道正上方的圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度短為吊腳樁;
2)盾構(gòu)隧道正上方止水帷幕無法滲入止水層,基坑止水效果難易保證;
3)由于后期節(jié)點(diǎn)基坑的土方開挖卸荷,處于富水砂卵石層的盾構(gòu)隧道如何控制其上浮。
圖2 人民路交叉節(jié)點(diǎn)剖面圖
通過對工期、成本、安全等方面的綜合考慮,最終人民路節(jié)點(diǎn)采取先隧后井的逆做工序進(jìn)行。通過制定“1234”法,即“1個(gè)加強(qiáng)”“2 個(gè)注漿”“3 個(gè)固定”“4 個(gè)措施”最終成功、順利地完成了人民路節(jié)點(diǎn)的施工作業(yè)。
結(jié)合人民路節(jié)點(diǎn)工程的周邊環(huán)境和工程特點(diǎn),并結(jié)合國內(nèi)相關(guān)成功施工案例進(jìn)行探討分析,現(xiàn)對人民路節(jié)點(diǎn)工程提出先隧后井的施工方案,即盾構(gòu)隧道先行通過后再進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)的施工,先隧后井施工方案主要有以下重點(diǎn)和難點(diǎn):
1)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的保障及有效的截排水措施;
2)如何控制開挖過程中的管片上浮,保障成型隧道的質(zhì)量。
針對以上2 個(gè)重難點(diǎn),制定了“1234”法予以解決應(yīng)對。
盾構(gòu)隧道先行施工,后進(jìn)行圍護(hù)樁施工則基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式為長短樁結(jié)合,隧道正上方的圍護(hù)樁為短樁,短樁樁底標(biāo)高按照依照設(shè)計(jì)圖紙按管片外徑進(jìn)行弧形布置。為保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,除頂部冠梁外,在后期開挖施工過程中加設(shè)2 道加強(qiáng)梁,第一道環(huán)梁中線位置為深度4.6 m 處,第二道環(huán)梁中線位置為深度6.6 m 處。2 道加強(qiáng)環(huán)梁結(jié)合頂部冠梁形成了“鎖頭、掐尾、箍腰”之勢將隧道范圍內(nèi)的短圍護(hù)樁與其周圍長圍護(hù)樁連接成整體。
“2 個(gè)注漿”的具體內(nèi)容為:
1)洞內(nèi)環(huán)向注漿止洞門。隧道洞門處的止水采取洞內(nèi)環(huán)向注漿的方式,在基坑開挖前,由隧道內(nèi)管片向外注漿,注漿加固范圍為管片上部范圍外3.0 m,注漿范圍延伸至洞門短樁處基坑外10 m。洞內(nèi)徑向注漿既能阻隔地下水,又能加固洞門短樁處土體,保證基坑的整體穩(wěn)定性。
2)滿堂袖閥管注漿封基底。除了隧道內(nèi)的洞內(nèi)徑向注漿,地面上還同時(shí)對基底進(jìn)行滿堂袖閥管注漿的方式進(jìn)行基底加固,加固厚度為2.5 m。袖閥管注漿加固封底在阻隔了地下水,防止地下水滲流影響基坑的穩(wěn)定性,進(jìn)一步提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與基坑的安全的同時(shí)還穩(wěn)固了管片。
“3 個(gè)固定”的具體內(nèi)容為:
1)錨索固定短樁。在基坑的開挖過程中,為了保證基坑的穩(wěn)定性,加設(shè)了2 道加強(qiáng)環(huán)梁。但環(huán)梁的約束效應(yīng)有滯后性,即環(huán)梁的約束需在其施工完成并等強(qiáng)到設(shè)計(jì)要求后才能形成有效約束力。故而在第一道加強(qiáng)環(huán)梁施工等強(qiáng)完成繼續(xù)向下開挖到第二道加強(qiáng)環(huán)梁形成約束前是本工程中的最危險(xiǎn)工況,因?yàn)榇藭r(shí)短樁下部無支撐結(jié)構(gòu),從而容易發(fā)生較大位移變形,威脅工程安全。
為了保證最危險(xiǎn)工況過程中短樁的穩(wěn)定性,在第一道加強(qiáng)環(huán)梁完成后的基坑開挖過程至施作底部加強(qiáng)環(huán)梁前,項(xiàng)目部在短樁處施作2 道錨索,從而保證短樁的穩(wěn)定性,確保短樁的位移及變形滿足規(guī)范及施工需求,保障安全。
2)板錨固定管片。土體卸荷時(shí)土體應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)瞬時(shí)彈性變化,在開挖到基坑底后,立即在管片上方施作板錨結(jié)構(gòu),將土體殘余應(yīng)力作用在壓板上,從而使坑底土體受到約束,減小土體的回彈位移,因此,該方法可以有效控制基坑開挖后的土體回彈及隧道管片上浮位移。
3)抗拔樁固定底板。為了保證節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)的軌道在鋪裝完成后在進(jìn)行二次結(jié)構(gòu)施工過程中隧道不上浮。在基坑范圍內(nèi)設(shè)置12 根抗拔樁,樁徑1 m,樁長10 m,樁底約在隧道底標(biāo)高下2 m 位置,抗拔樁與圍護(hù)樁同期施工。
設(shè)置抗拔樁的作用主要有2 點(diǎn):(1)抗拔樁在施工完成以后對基底有約束作用,限制了基底隆起與隧道上??;(2)抗拔樁后期與底板連成整體,從而使底板盡早具備抗浮能力??商崆斑M(jìn)行鋪軌作業(yè),從而不會(huì)滯后軌通節(jié)點(diǎn)要求??拱螛逗笃谶€可以作為基礎(chǔ)樁,將節(jié)點(diǎn)荷載卸于基巖上,降低隧道上部荷載,保證隧道安全。
對于控制管片上浮,采取了如下4 個(gè)措施:
1)隧道內(nèi)支撐加強(qiáng)管片?;娱_挖前,在基坑范圍內(nèi)以及兩邊各延伸10 環(huán)管片內(nèi)架設(shè)雙拼的I25c@1 200 mm 工字鋼作為臨時(shí)支撐,并縱向拉緊,防止管片開裂、變形。
2)基坑內(nèi)降水保開挖。在基坑外四角及盾構(gòu)隧道兩側(cè)位置施打φ76 mm 測水孔,用以監(jiān)測地下水位。由于基坑內(nèi)部進(jìn)行了滿堂袖閥管注漿加固,圍護(hù)樁間有旋噴止水,洞門處有環(huán)向注漿,從而基坑內(nèi)外的地下水完全阻隔,從測水孔中觀測地下水,視地下水情況進(jìn)行井內(nèi)疏干。從而保證基坑開挖過程中不受地下水的影響,無水作業(yè),便捷施工的同時(shí)保證基坑安全。
3)洞內(nèi)配重阻上浮。在基坑開挖卸荷過程中,逐步在隧道內(nèi)進(jìn)行加載配重,以平衡卸載的載荷,防止管片上浮。施工期間加強(qiáng)對管片的監(jiān)測,出現(xiàn)異常,立即停止施工,分析原因,采取措施后方可繼續(xù)進(jìn)行開挖。
4)分層開挖減變形。根據(jù)時(shí)空效應(yīng)原理,分層開挖可以減小由于土體一次卸荷引起的土體回彈位移,而且可以降低對土體的擾動(dòng),從而減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基底的變形。開挖采用1∶1.5放坡開挖,開挖至基坑底部0.3 m 厚人工清除,由人工清底開挖至要求標(biāo)高,嚴(yán)防超挖。
由于人民路節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)到5 號線、6 號線互相上下穿,進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需考慮各結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系。常規(guī)CAD制圖的二維三視圖已不能滿足其設(shè)計(jì)深度,為了保證后期圍護(hù)樁、盾構(gòu)隧道不互相侵線從而造成后期的施工干擾,節(jié)點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前必須利用BIM 技術(shù)進(jìn)行三維模擬,對其各構(gòu)件的位置關(guān)系進(jìn)行三維碰撞檢測。
BIM 模擬出最佳圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式以后,需要對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性驗(yàn)算。利用理正深基坑、同濟(jì)啟明星等專業(yè)基坑設(shè)計(jì)軟件對圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行單元及有限元整體驗(yàn)算。
開挖至4.4 m 施作第一道連接加強(qiáng)環(huán)梁之前,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小,最大變形量為6.84 mm。
施作第一道連接加強(qiáng)環(huán)梁及第一道內(nèi)撐之后,繼續(xù)開挖至施作第二道連接加強(qiáng)環(huán)梁之前,若不施工錨索,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大位置在短圍護(hù)樁底,最大變形量為13.18 mm,在洞門短樁處施作錨索以后,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形顯著降低,最大變形量為10.42 mm,短樁變形為4~7 mm。
施作第二道連接加強(qiáng)環(huán)梁及第二道內(nèi)撐之后,開挖至基坑底位置,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大位置在基坑長邊中心位置,最大變形量為8.18 mm,在可控范圍內(nèi)。
圍護(hù)樁彎矩最大值為439.1 kN·m,隧道頂短圍護(hù)樁底部彎矩較小,計(jì)算配筋合理。
環(huán)梁彎矩最大值為1 080 kN·m,位于第一道連接加強(qiáng)環(huán)梁四角與第二道連接梁中部,隧道頂短圍護(hù)樁范圍彎矩較小。
為了限制管片上浮,在管片頂部采取了板錨抗浮裝置。隧道受到的上浮力極限狀態(tài)為隧道整體侵入水中所受到的浮力。隧道外徑6 m,管片環(huán)寬1.5 m。每環(huán)管片上均設(shè)置1 道板錨抗浮。故而驗(yàn)算時(shí)取一環(huán)管片與一道板錨進(jìn)行驗(yàn)算,分別驗(yàn)算錨桿與壓板的穩(wěn)定情況。
一環(huán)管片所用C50 混凝土8.05 m3,鋼筋與管片螺栓等總計(jì)1.5 t?;炷林囟热?0 kN/m3,所以,一環(huán)管片自重為8.05×20÷10+1.5=17.6 t。由于管片全部浸入水中,由阿基米德定律求得管片受到得浮力為3.14×32×1.5=42.39 t。則管片所受到的上浮力為42.39-17.6=24.79 t。
1 個(gè)板錨抗浮裝置設(shè)置有4 根錨桿,則每根板錨的所承擔(dān)的荷載為 24.79÷4=6.2 t,即 62 kN。參照 GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》)中9.6.5,9.6.6 中的相關(guān)要求對錨桿進(jìn)行計(jì)算。
1)錨桿鋼筋拉斷驗(yàn)算
板錨裝置錨桿采用φ22 mmHRB400 級鋼筋,強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 360 N/mm2,φ22 mm 鋼筋界面面積為 380.1 mm2。由《設(shè)計(jì)規(guī)范》公式9.6.5 計(jì)算錨桿鋼筋截面面積A ≥1.35×62×1 000(/1×360)=232.5 mm2,即錨桿鋼筋截面面積必須大于或等于232.5 mm2,φ22 mm 鋼筋截面面積 380.1 mm2,安全系數(shù) 1.6,滿足要求。
2)錨固體拉出破壞(錨桿錨固長度)驗(yàn)算
抗浮錨桿錨固段處于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中,鉆孔直徑120 mm,錨固長度8 m。由地勘報(bào)告給出的參數(shù)可知中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與錨固體極限摩擦阻力標(biāo)準(zhǔn)值為250 kPa。
由《設(shè)計(jì)規(guī)范》公式9.6.6 計(jì)算錨桿錨固長度Ln≥1.6×62/(3.14×0.12×250)=1.05 m,即錨桿錨固段長度大于或等于1.05 m即可,方案采用的8 m 長錨桿安全系數(shù)7.6,滿足要求。
3)錨桿鋼筋拉出破壞驗(yàn)算
本工程采用的藥包砂漿強(qiáng)度等級C25,其鋼筋與砂漿界面的黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按經(jīng)驗(yàn)取2.1 MPa,依照公式Tx=πDLBτg驗(yàn)算錨桿鋼筋會(huì)不會(huì)發(fā)生拉出破壞(其中,D 為鋼筋直徑;τg為鋼筋與砂漿界面的黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Tx為錨桿鋼筋與土層相交的受拉力),帶入數(shù)據(jù):LB=1.35×62 kN/(3.14×22 mm×2.1 N/mm2)=576.45 mm,即錨固長度LB大于0.576 45 m 時(shí),錨桿不會(huì)發(fā)生拉出破壞,實(shí)際施工采取的錨桿錨固長度8 m,安全系數(shù)13,滿足要求。
8.1.1 橋下樁施工
橋下范圍內(nèi)的樁采用SWDM15HL 履帶式旋挖鉆機(jī),具有5 997 mm 超低工作凈空施工的能力,180 kN·m 的超大動(dòng)力頭扭矩。其外形尺寸滿足橋下凈空9 m 的施工凈空作業(yè)條件,其動(dòng)力頭扭矩可在強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中進(jìn)行施工。滿足圍護(hù)樁樁徑800 mm,樁深14.8 m 的施工需要。
8.1.2 隧道上方短樁及兩側(cè)樁施工
盾構(gòu)隧道成型穩(wěn)定以后,確定節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)每一環(huán)管片的實(shí)際中線位置、邊線位置、隧道外徑頂標(biāo)高等數(shù)據(jù)。保證相關(guān)數(shù)據(jù)的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。
在施工前在鉆桿上標(biāo)示出長度,在施工過程中采取一鏟一測量的原則??咨畹臏y量以丈量鉆桿長度為主,測繩輔助驗(yàn)證。
洞門兩側(cè)樁在定位時(shí)適當(dāng)外放,保證圍護(hù)樁與管片的凈空距離。每完成一鏟挖掘測一次垂直度,軟硬巖層交界面時(shí)控制速度及壓力等保證管片安全。
止水帷幕施工中,應(yīng)采取以下措施:(1)旋噴樁施工前進(jìn)行試樁,尋求最佳施工參數(shù);(2)在旋噴樁施工過程中,隨著地層的加深適當(dāng)提高旋噴壓力增加漿液噴射量以及調(diào)整速度;(3)旋噴樁施工完成到達(dá)齡期以后,及時(shí)對成樁效果進(jìn)行檢驗(yàn),對成樁效果不佳處進(jìn)行深孔補(bǔ)注漿,保證止水帷幕的止水效果;(4)提前在隧道上方短樁處打設(shè)注漿管,后期基坑開挖時(shí)進(jìn)行注漿堵水作業(yè)。
滿堂袖閥管注漿應(yīng)采取以下措施:(1)區(qū)分盾構(gòu)隧道區(qū)域與正常區(qū)域,防止打孔深度超標(biāo),破壞管片;(2)在施工盾構(gòu)區(qū)域袖閥管時(shí)降低鉆進(jìn)速度,勤量鉆桿長度,嚴(yán)防鉆孔過深;(3)隧道區(qū)域袖閥管施工時(shí)適當(dāng)減小注漿壓力,防止?jié){壓對成型隧道的影響;(4)注漿效果檢測:加固體抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa,滲透系數(shù) 1×10-5cm/s。
通過采取“1234 法”,成功地完成了人民路節(jié)點(diǎn)的施工作業(yè),使盾構(gòu)隧道按期完成洞通節(jié)點(diǎn)。并在節(jié)點(diǎn)基坑開挖過程中隧道上浮可控,也未對后期軌道鋪設(shè)產(chǎn)生影響,極大地節(jié)約了人力、機(jī)械及工期,得到了業(yè)主及各方的一致好評。
“1234”法在先隧后井施工中能起到了良好的效果,能有效解決基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、止水帷幕漏水等難題。為以后類似工程提供了寶貴的成功經(jīng)驗(yàn)。