地铁超深竖井及超小曲率半径隧道施工技术

刘兵科， 贺少辉， 贺家新， 郑金雷

(1.北京建工土木工程有限公司, 北京 100085； 2.北京交通大学土木建筑工程学院, 北京 100044)

在城市地铁建设中,竖井、马头门及横通道的施工是工程的关键一环。在建筑密集、管线复杂的城市中心地段,既有建构筑物对施工引起的地层变形极为敏感。因此,施工中必须根据工程的特点采取针对性的施工技术方案,减少施工引起的地层变形[1-4]。

研究人员依据具体的工程实施案例开展了相关研究。白铭海等[5]借助ABAQUS对地铁竖井转横通道施工的支护方案进行模拟,发现在马头门 4个角增设竖向格栅和在横通道布置超前小导管可以有效保证支护结构的安全与稳定。在深圳地铁怡景路站～黄贝岭站区间隧道的竖井及横通道施工过程中,蒋青青等[6]分析了地层沉降和洞内收敛等监测数据, 发现二重管注浆、中空锚杆注浆、大管棚支护及小导管注浆相结合的支护方法能有效控制地层变形,快速封闭支护结构能有效控制马头门洞内水平收敛。杨宏射[7]在青岛地铁延安三路站的马头门破除工程中,提出了“系统锚杆与钢架联体”的新支护方法,并在实际施工中取得了成功。对于北京地铁北京西客站区间隧道的竖井开挖及横通道施工,廖秋林等[8]应用FLAC3D对比分析了无收缩深孔注浆和超前小导管注浆两种支护方案的效果,结合施工实践,发现无收缩深孔注浆方案的地表沉降量是超前小导管支护方案地表沉降量的1/3～1/2。

在中国其他地铁工程中[9-11],其施工竖井的深度、马头门断面及埋深均较小且横通道均呈直线形,该工况下的施工难度和工程风险均较小。但是对于北京地铁3号线东四十条站工程,其3号竖井深度超过36 m,这在中国地铁工程中都是较为少见的。在该竖井底部破除一个断面高12.6 m、宽 4.6 m 的马头门,其井壁支护结构在破壁过程中会产生较大的不确定性。此外,由于场地限制原因,3号竖井横通道为曲率半径极小的曲线隧道且其拱顶覆土深达22 m,该深度下的竖向土压力及侧向土压力均较大,工程施工风险高。在借鉴以往地铁竖井工程经验的基础上,结合工程的特点选择了专门的施工技术方案,结合数值模拟和现场监测对地表沉降、井壁应力和变形规律进行了分析和总结,研究成果可为今后类似工程提供了一定的参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

图1 工程平面图Fig.1 Construction site layout

北京地铁2、3号线东四十条站车站均建成五十余年,2号线车站现正在运营中,3号线车站为预留车站位于2号线的下方,现今在预留车站两边侧下方改扩建新的车站结构。改扩建施工中需要在既有3号线车站的周边开挖4个施工竖井,其中3号竖井位于交通繁忙的工人体育场北路与东直门南大街交叉口的东北角,靠近保利大厦。如图1所示,3号竖井周边地层环境复杂,竖井与2号线车站东北出入口通道和3号线车站东北风道结构的最小水平距离分别为0.5 m和6.1 m,横通道距离预留3号线车站主体结构的最小水平距离为0.4 m。此外,施工影响范围内存在热力方沟、雨水方沟、中压煤气及上水管等多条构筑物和管线。这些既有的车站结构服役期均超过50 a,结构耐久性状态下降,抗变形能力差。以上这些因素均对施工引起的地层变形控制提出了极高的要求。

根据设计,3号竖井截面净空尺寸为7.8 m×4.5 m,深度为36.2 m。马头门位于竖井的西南侧边墙,其中,马头门高12.6 m、宽4.6 m。横通道为拱顶直墙结构,净高12 m、净宽4 m,其顶部覆土厚22 m。横通道总长34.3 m,由两段曲率半径为7 m的1/4圆弧段隧道和两段直线段隧道构成。

1.2 工程地质及水文地质情况

根据地勘资料,工程地质水文条件如图2所示,横通道主要底板位于⑩1粉质黏土层,土层较为软弱,抗变形能力较差。施工范围内观测到潜水层、层间水层和承压水层等三层地下水,含水层间由黏性隔水层隔开。其中,潜水层、层间水层和承压水层水位分别为-18.3～20.0、-25.0～26.60、34.7～36.7 m。此外,各土层物理力学参数及渗透系数如表1所示。

表1 土层力学参数及渗透系数

图2 地质及水文情况剖面图Fig.2 Geological and hydrological profile

2 工程难点

工程施工中的主要技术难点主要有以下三个方面。

(1)竖井深度较大,穿越多个含水地层,工程地质和水文地质条件差,竖井周边对地层变形十分敏感的建构筑物较多(商场、地铁出入口等),工程中地层变形的控制极为严格。

(2)马头门位置深度较大(拱顶覆土厚约 22 m),井壁支护结构需要破洞的面积大(高 12.6 m,宽4.6 m),占环向井壁面积的18.7%,其施工会对地层、 原有井壁结构造成较大的扰动,施工过程中井壁支护结构受力转换复杂,易造成工程事故。

(3)横通道隧道由两段直线段隧道与两段1/4圆弧段隧道构成,且两转弯段隧道的曲率半径均只有7 m,隧道的开挖前进方向、超前注浆效果及支护方式均为技术难题。

3 施工技术方案

3.1 施工降水

工程共设计272眼降水井,每眼降水井直径600 mm,深49 m,降水井之间距离为5～6 m。竖井施工前开展降水作业,将地下水位降至 -38 m处。

3.2 竖井开挖及马头门施工

工程采用了小进尺倒挂井壁法开挖竖井,相对于以往地铁竖井0.75～1 m的施工进尺[12-13],竖井工程施工进尺仅为0.5 m。

3.2.1 竖井施工

如图3所示,将竖井掌子面按Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ的顺序依次开挖。钢格栅主筋采用4根C25 mm钢筋,U型筋与Z型筋采用C12 mm钢筋,钢筋最外层钢筋保护层厚度均为30 mm。采用C20喷混凝土,支护厚度为300 mm。锚杆方向与水平的夹角为25°,长为3 m,锚杆间水平间距为1 m,呈梅花形布置。

如图3所示,滞后2个开挖循环在竖井长边架设型号为工25b的钢支撑,提高竖井支护结构的抗变形能力。如图4所示,在马头门拱顶以上2 m至洞底以下1.6 m范围内的竖井井壁设置双层 C22 mm@500 mm的竖向拉结筋,增强井壁结构竖向的抗变形能力。如图5所示,将马头门顶部以上的3个竖井开挖循环的进尺缩短至0.4 m,增强井壁结构环向的抗变形能力。

3.2.2 竖井封底施工

图3 竖井施工顺序Fig.3 The construction sequence of shaft

图4 马头门剖面示意图Fig.4 Cross section of tunnel portal

图5 马头门施工示意图Fig.5 The construction of the tunnel portal

竖井封底格栅主筋与竖井初支钢格栅参数相同,封底采用喷射C20喷混凝土,临时封底和永久封底分别厚300 mm和400 mm,钢筋最外层钢筋保护厚度为30 mm。

3.2.3 马头门施工

马头门位置的竖向土压力和侧向土压力均较大,工程采用分层法破除马头门,如图4所示,马头门被分为上、中、下三层,由上至下按顺序逐步施工。竖井开挖至每一层马头门仰拱下1.5 m处开始施作竖井临时封底,接着对马头门周边地层进行深孔注浆。上(中)层横通道开挖深度达到8～10 m后,才能破除中(下)层马头门。

3.3 曲形隧道施工

横通道对应马头门也分为上、中、下三层导洞分步开挖,相邻两层导洞的开挖步距保持在8 m以上,每层导洞采用两台阶法施工,台阶长度为3～5 m。横通道初支厚300 mm,喷混凝土标号为C20,钢格栅参数与竖井初支钢格栅相同,双排纵向连接筋选择C22 mm@1 000 mm,钢筋最外层保护厚度为30 mm。

通过割线分割的方式,将转弯段隧道中轴线在平面上分割成多等分长度为1 m的参照直线,依据参照直线的方位确定隧道前进及超前注浆的方向,注浆搭接长度为2 m。如图6所示,曲线段隧道的钢格栅选择通长钢格栅、截断钢格栅两种类型的钢格栅相间排布,解决曲线段隧道内外两侧的格栅排布不均的问题。横通道拱部和底部中轴线位置增设一道由6根C25 mm@150 mm钢筋组成的纵向加强梁(分两层布置,每层3根)。

4 数值分析

4.1 模型的建立

采用FLAC3D对施工方法进行模拟,分析竖井、马头门和曲线隧道施工对地层的影响。为避免边界效应,施工区边界到模型边界的距离应大于3倍的施工区跨径,因此模型尺寸设计为190 m×70 m×70 m。模型四周边界施加法向约束,底部施加固定约束,上部地表面为自由面,计算模型如图7所示。模型采用四面体单元划分网格,曲线隧道的网格划分沿隧道轴线拉伸,且为更准确计算其力学响应,进行了加密。

由于施工前进行了降水,因此建模计算时不考虑地下水的影响。地层采用实体单元模拟,假定地层为均匀介质,采用Mohr-Coulomb模型代表其力学行为。竖井初支采用实体单元模拟,且假定为均质弹性体。竖井钢支撑采用梁单元模拟。依据地质勘查资料,各层土体的力学参数如表1所示。深孔注浆加固通过提高加固区地层的土体参数来模拟,注浆后土层及支护构件的计算参数如表2所示。

图6 横通道钢格栅布置Fig.6 The layout of the reinforced bar in the cross channel

图7 计算模型Fig.7 Calculation model

4.2 地表沉降结果分析

根据模拟结果,工程施工结束后地表沉降分布如图8所示,其中L1、L2、L3和L4为4条分别为垂直于竖井井口四条边中点的地表沉降测线。

表2 模型结构计算参数

图8 地表竖向变形分布Fig.8 Distribution of ground deformation

由图8可知,地表沉降最大值出现在井口位置,最大沉降为22.7 mm。在距离井口5 m范围内地表沉降量增加较快,随着距离井口距离的继续增加,L2、L3、L4测线的沉降逐渐减少,当距离井口10 m位置时,地表沉降已经小于1 mm。位于横通道侧的L1测线,由于马头门破除和横通道施工的影响,在距离井口5～20 m范围内地表沉降基本维持在 7 mm。整体而言,施工方案在控制地层变形方面效果较好,施工引起的地表沉降影响范围基本控制井口范围5 m以内。

4.3 井壁支护结构应力及变形分析

马头门施工会在原竖井井壁结构上破洞,改变原竖井井壁结构的受力状态。通过分析模拟结过果发现,马头门破洞施工过程中,竖井井壁支护结构内的最大拉应力及剪应力均出现在马头门拱顶位置。在马头门拱顶位置设置应力监测点,记录不同施工阶段下马头门拱顶的应力情况,结果如图9所示。

如图9所示,随着破除马头门的进行,拱顶处井壁支护结构受到的拉应力和剪应力都呈递增趋势。下层马头门施工结束后拱顶处的拉应力和剪应力达到最大,分别为1.5 MPa和1.3 MPa,较马头门施工开始前分别增加了3.2倍和2.8倍,但均小于井壁结构的环向设计极限抗拉强度5.81 MPa及竖向设计极限抗拉强度2.92 MPa(根据井壁环向及竖向配筋率计算得出)。因此,可以认为施工方案中马头门施工是安全可行的。

此外,根据模拟结果,施工结束后竖井井壁水平变形云图如图10所示。

由图10可知,施工结束后竖井井壁的水平收敛变形主要集中在马头门顶部及底部,井壁其他部位的水平收敛变形则较小。井壁最大水平收敛变形出现在马头门拱顶位置,竖井单侧最大变形为 22.8 mm,小于设计变形30 mm。这说明施工方案在控制竖井井壁水平收敛方面是可行有效的。

图9 马头门施工过程中的井壁应力Fig.9 The stress of the shaft wall during the construction of the tunnel portal

图10 竖井井壁水平变形云图Fig.10 Horizontal deformation contour of the shaft

5 现场实测数据分析

5.1 地表沉降对比

分别选取L1测线和L2测线上到竖井井口边缘距离为3 m的两点D1和D2作为地表沉降监测点,将两个测点地表沉降的现场实测数据与数值模拟计算结果进行比对,结果如图11所示。

图11 地表沉降对比Fig.11 Comparison of surface settlement

由图11可知,两地表沉降监测点的现场实测数据和模拟结果变化趋势均呈现良好的一致性。在竖井开挖初期,实测和模拟均出现轻微的地层隆起现象,随着竖井开挖深度的增加,二者地表沉降的值也慢慢增大。当竖井施工至27 m时,由于竖井临时封底后马头门和横通道施工时间较长,地层长时间处于应力释放、固结蠕变状态,模拟结果和实测结果的地表沉降值均出现了突变式增加。

5.2 隧道拱顶下沉对比

在隧道的转弯段拱顶设置拱顶沉降监测点D3,将该测点拱顶沉降的现场实测数据与数值模拟计算结果进行比对,结果如图12所示；隧道稳定后,将实测和模拟两种情况下不同里程处隧道拱顶下沉值进行对比(以马头门处里程为0),结果如图13所示。

由图12可知,转弯处隧道拱顶下沉降监测点的现场实测数据和模拟结果吻合较好。实测和模拟的拱顶沉降速率均随着时间的增长而慢慢放缓,二者在隧道支护时间达到30 d后,隧道均达到稳定状态,隧道拱顶下沉量几乎不再变化。分析图13可知,无论是实测数据还是模拟结果,曲线段隧道(里程0～19 m)的拱顶下沉量均大于直线段隧道(二者拱顶下沉量相差4～6 mm),这也表明直线隧道支护结构的抗变形能力优于曲线隧道,因此在曲线隧道设计施工中,要加强其支护结构的强度。

图12 隧道转弯段拱顶沉降对比Fig.12 Comparison of the settlement of the arch in curved tunnel

图13 稳定状态隧道拱顶下沉对比Fig.13 Comparison of the settlement of the arch in steady state

6 结论

针对复杂城市环境下超深地铁竖井、深埋大断面马头门及超小曲率半径曲线隧道的施工,提出了专门的施工技术方案,运用FLAC3D对施工进行模拟,结合现场监测数据得出如下结论。

(1)数值模拟结果表明,施工技术方案对地表沉降控制效果较好,工程施工引起最大地表沉降量出现在竖井井口附近,最大值为22.7 mm。在距井口大于5 m的范围,地表沉降控制在7 mm以内。

(2)马头门破除施工中,竖井井壁应力最大值出现在马头门拱顶处,且该位置的拉应力和剪应力随着马头门破壁施工的进行而不断增加；井壁的水平收敛变形主要集中在马头门破除范围的顶部和底部,最大值出现在马头门的拱顶处；但在整个施工过程中,井壁支护结构的应力和变形均控制在设计规定范围内。

(3)曲线段隧道的拱顶下沉量大于直线段隧道,二者拱顶下沉量相差 4～6 mm,同等支护强度下直线段隧道支护结构的抗变形能力优于曲线段隧道。

(4)数值模拟结果与现场实测结果基本一致,采取的施工技术方案取得了良好的施工效果,可为今后类似工程的实施提供借鉴。