王 林 王社江 王 飛 孫鐵成
(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司,215004,蘇州;2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,050043,石家莊∥第一作者,工程師)
隨著城市地下工程的發(fā)展,在地鐵工程建設(shè)中出現(xiàn)重疊隧道將不可避免。隧道施工過(guò)程也是地層應(yīng)力重新分布的動(dòng)態(tài)過(guò)程,上下重疊隧道因?qū)Φ貙訑_動(dòng)的不可控因素多而使其施工力學(xué)復(fù)雜,并且在其施工過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境影響較大[1-4]。在此類隧道掘進(jìn)過(guò)程中,影響建筑物安全的關(guān)鍵是針對(duì)隧道及周圍土體變形的精確控制。
針對(duì)重疊隧道施工順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及地表沉降變形的影響,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法,分析了位于砂卵石地層的成都地鐵 2號(hào)線重疊盾構(gòu)隧道的力學(xué)行為。文獻(xiàn)[6]采用三維彈塑性本構(gòu),利用通用有限元軟件建立了上海軌道交通3號(hào)線二期工程上、下行線近距離交疊區(qū)間隧道模型,模擬了 “先下后上”的盾構(gòu)推進(jìn)施工過(guò)程,得到交疊隧道土層位移以及地表沉降曲面在盾構(gòu)推進(jìn)中的發(fā)展變化規(guī)律。文獻(xiàn)[7]針對(duì)重疊隧道的不同施工順序及不同推進(jìn)速度,基于室內(nèi)模型試驗(yàn)研究分析了新建隧道掘進(jìn)施工對(duì)先建隧道縱向變位和附加內(nèi)力的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[8]為了研究重疊隧道的開(kāi)挖順序、空間位置關(guān)系、超前深孔注漿厚度等因素對(duì)地表變形特征的影響,依托北京地鐵盾構(gòu)隧道工程,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法開(kāi)展了諸多研究工作,并取得了具有工程指導(dǎo)意義的結(jié)論。為有效控制重疊盾構(gòu)隧道工程的地表沉降、隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移及其彎矩,目前的研究結(jié)果均表明“先下后上”開(kāi)挖方式優(yōu)于“先上后下”的開(kāi)挖方式[9-15]。
上述文獻(xiàn)研究均在先建隧道得到有效加固和支撐為假設(shè)的基礎(chǔ)上展開(kāi),如果先建隧道脫離該假設(shè),所得研究成果將極大削弱對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)意義。對(duì)先建隧道進(jìn)行有效的加固和支撐是研究重疊隧道力學(xué)和變形狀態(tài)的關(guān)鍵。本文以蘇州軌道交通3號(hào)線婁江大道站至跨陽(yáng)路站盾構(gòu)區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“婁跨區(qū)間”)重疊隧道為依托,對(duì)重疊隧道不同支撐體系方案進(jìn)行分析比選,并進(jìn)一步對(duì)輪式液壓臺(tái)車支撐效果進(jìn)行了深入分析,可為富水粉砂地層重疊隧道的設(shè)計(jì)與施工提供參考。
蘇州軌道交通3號(hào)線婁跨區(qū)間位于蘇州市工業(yè)園區(qū),區(qū)間隧道穿越婁江快速路星港街立交、滬寧城際鐵路及京滬普速鐵路等,采用盾構(gòu)法施工。由于部分區(qū)段受制于橋梁、周邊構(gòu)筑物樁基的影響,且跨陽(yáng)路站為3號(hào)線和8號(hào)線疊島式換乘站,因此在該區(qū)間局部段落采用了上下重疊的隧道布置方式。
婁跨區(qū)間右線起點(diǎn)里程為DK32+965.567,終點(diǎn)里程為DK34+271.305,含短鏈0.810 m,右線隧道長(zhǎng)1 305.921 m;左線起點(diǎn)里程為 DK32+965.567,終點(diǎn)里程為DK34+271.305,長(zhǎng)鏈47.642 m、短鏈0.810 m,左線隧道長(zhǎng)1 353.570 m。區(qū)間隧道縱坡呈V型,最大坡度26.377‰,最小坡度3.508‰。隧道埋深10.0~20.6 m。重疊段右線隧道DK34+139.911—DK34+271.305,長(zhǎng)度131.4 m,區(qū)間線路水平間距0.1~6.2 m,豎向凈距2.0~4.8 m,為小間距重疊隧道。
盾構(gòu)隧道管片外徑為6 200 mm,內(nèi)徑為5 500 mm,寬度為1 200 mm,每環(huán)由6塊管片構(gòu)成,錯(cuò)縫拼裝,襯砌環(huán)采用右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)直線的組合形式。
婁跨區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)土層是以軟塑狀為主的④1粉質(zhì)黏土層、④2粉砂夾粉土層、⑤1粉質(zhì)黏土層、⑥1黏土層以及⑥2粉質(zhì)黏土層,微承壓水水頭標(biāo)高2.31 m。婁跨區(qū)間隧道位置如圖1所示。
圖1 婁跨區(qū)間隧道位置示意Fig.1 Indication of Lou-Kua interval tunnel position
婁跨區(qū)間沿線主要下穿滬寧普速鐵路路基及滬寧城際高鐵蘇州東1號(hào)橋,下穿35 kV高壓鋼管塔及北新建材公司片區(qū)廠房。工程區(qū)間沿線道路地下管線密集,包括給水、雨水、污水、天然氣、電力電纜、路燈和通信等多種管線。
根據(jù)理論分析和以往數(shù)值模擬分析結(jié)論,重疊隧道在施工階段所面臨的主要矛盾是:在上行隧道施工過(guò)程中,如何減小盾體對(duì)下行隧道安全的影響。通過(guò)在下行隧道內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)而保證重疊隧道中下行隧道的安全。該臨時(shí)支撐體系需滿足以下要求:保證下行隧道安全承受因上行隧道施工而產(chǎn)生的環(huán)間剪力作用;提高下行盾構(gòu)隧道縱向剛度,有效控制下行隧道因上行隧道施工產(chǎn)生的變形;保證下行隧道一定范圍內(nèi)的支撐力。
根據(jù)對(duì)臨時(shí)支撐體系的要求,研究人員設(shè)計(jì)出諸多支撐方案。本文對(duì)臨時(shí)支撐體系方案進(jìn)行比較分析。
十字支撐的構(gòu)件包括鋼環(huán)、十字鋼支撐和4根縱向工字鋼。十字支撐位于管片環(huán)縫處,縱向鋼支撐分別在隧道的3點(diǎn)位、6點(diǎn)位、9點(diǎn)位和12點(diǎn)位沿隧道縱向布置,構(gòu)件間采用螺栓連接,形成整體支撐體系,如圖2所示。
圖2 十字支撐方案示意圖Fig.2 Diagram of cross supporting scheme
滿堂支架支撐方案主要由鋼管支架和鋼橫梁組成,具體形式如圖3所示。
圖3 滿堂支架支撐方案示意圖Fig.3 Diagram of full-hall supporting scheme
井字形支撐方案參考了穿行式隧道模板臺(tái)車的結(jié)構(gòu)原理。但井字支撐體系操作復(fù)雜,工序較多,且支撐向前倒運(yùn)的過(guò)程中存在卸力的問(wèn)題,不能滿足持續(xù)支撐的要求。該方案具體形式如圖4所示。
圖4 井字形支撐方案示意Fig.4 Diagram of grillage supporting scheme
門(mén)型支撐由工字鋼組成,為保證施工方便,鋼支架考慮分段加工,接頭采用M24螺栓連接;縱向鋼支架(每榀)間采用螺栓連接。該方案基本結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。
圖5 門(mén)式支撐方案示意圖Fig.5 Diagram of store supporting scheme
輪式液壓臺(tái)車由4節(jié)臺(tái)車組成,相鄰臺(tái)車間采用銷軸連接。每節(jié)臺(tái)車在隧道縱向方向每間隔750 mm設(shè)一道支撐,該支撐由5個(gè)輪式支撐組成(分別位于1點(diǎn)位、3點(diǎn)位、9點(diǎn)位、11點(diǎn)位和12點(diǎn)位),具體形式如圖6所示。臺(tái)車在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下可沿軌道行進(jìn),4節(jié)臺(tái)車長(zhǎng)度保證了隧道縱向一定范圍內(nèi)的支撐力。
圖6 輪式液壓臺(tái)車支撐方案示意圖
表1為重疊隧道施工中下行隧道支撐方案比較表。
表1 重疊隧道施工中下行隧道支撐方案比較表
經(jīng)過(guò)綜合比選,婁跨區(qū)間重疊段下行隧道支撐擬采用輪式液壓臺(tái)車支撐方案。
輪式液壓支撐分為4節(jié),每節(jié)5 m,臺(tái)車總長(zhǎng)20 m。臺(tái)車間設(shè)置頂推油缸,每個(gè)臺(tái)車設(shè)置4個(gè)支撐斷面。該斷面有5個(gè)支撐輪組,分別位于斷面的1點(diǎn)位、3點(diǎn)位、9點(diǎn)位、11點(diǎn)位和12點(diǎn)位。每個(gè)輪組包括2個(gè)聚氨酯橡膠鋼芯輪,由液壓油缸提供支撐力,最大可承受32 t的支撐力。橡膠鋼芯輪與管片接觸時(shí),由于橡膠的存在可以有效減小管片在支撐過(guò)程中的局部受力,從而管片得到最大程度的保護(hù)。
輪胎支撐臺(tái)車組裝、調(diào)試完成后進(jìn)行準(zhǔn)確定位。定位原則:支撐臺(tái)車前端超出上部隧道刀盤(pán)前方5 m,支撐臺(tái)車后方超出上部盾構(gòu)機(jī)盾尾5 m,就位完畢后根據(jù)荷載計(jì)算油缸壓力,調(diào)整各組油缸壓力,并根據(jù)實(shí)際情況不斷修正。
1) 對(duì)盾構(gòu)管片施加預(yù)頂力,保證支撐體系與管片緊密貼合,可避免因管片間相互錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的剪力對(duì)管片造成影響。
2) 可利用盾構(gòu)施工運(yùn)輸軌道自行行走,其移動(dòng)速度可控制在0~50 mm/min。能夠?qū)崿F(xiàn)與后施工隧道盾構(gòu)機(jī)同步前進(jìn)。
3) 在下行隧道影響范圍內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)支撐不卸力,在長(zhǎng)距離重疊隧道的施工過(guò)程中為其提供連續(xù)支撐力。
4) 提高下行盾構(gòu)管片整體縱向剛度,減小下行隧道豎向變形。
輪式液壓臺(tái)車可利用盾構(gòu)電瓶車軌道進(jìn)行移動(dòng),軌距中心970 mm,每節(jié)臺(tái)車組裝后利用電瓶車運(yùn)送至指定區(qū)域,待4節(jié)臺(tái)車到達(dá)指定區(qū)域后安裝,形成輪式液壓臺(tái)車。
上部盾構(gòu)機(jī)到達(dá)重疊段前,根據(jù)里程,在下行隧道盾構(gòu)管片4點(diǎn)位和8點(diǎn)位位置標(biāo)注里程,每隔1.2 m標(biāo)注一次,同時(shí)對(duì)全體作業(yè)人員做好技術(shù)交底工作。待臺(tái)車調(diào)試完成后,定位臺(tái)車位置。在上部盾構(gòu)掘進(jìn)半環(huán)或停機(jī)運(yùn)輸渣土的時(shí)間內(nèi),輪式液壓臺(tái)車無(wú)卸載頂推移動(dòng)。每次移動(dòng)距離為0.6 m或1.2 m。
上行隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,下行隧道管片結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)失穩(wěn)、管片變形過(guò)大、螺栓松動(dòng)或受力過(guò)大等問(wèn)題,須保證臺(tái)車在無(wú)卸載支撐條件下頂推前進(jìn)。頂推時(shí),若支撐輪遇到管片輕微錯(cuò)臺(tái)則會(huì)引起臺(tái)車行走阻力增大,但由于支撐輪是聚氨酯橡膠鋼芯輪結(jié)構(gòu),可以通過(guò)其外圍輕微變形,減少因錯(cuò)臺(tái)而增加的阻力。同時(shí),為了防止因阻力而導(dǎo)致的臺(tái)車向后移動(dòng),結(jié)合實(shí)際情況,在臺(tái)車行走輪和軌道間塞入木楔。
為保障盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中已建隧道的安全,在下行隧道區(qū)間監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)布設(shè)20個(gè)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)斷面。斷面間距為5環(huán)6 m,每個(gè)斷面布設(shè)4個(gè)迷你棱鏡結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中,拱底設(shè)置1個(gè)棱鏡,拱腰設(shè)置2個(gè)棱鏡,拱頂設(shè)置1個(gè)棱鏡。重疊段隧道掘進(jìn)過(guò)程中,盾構(gòu)要嚴(yán)格按照已制定的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)掘進(jìn)。在重疊段,平均每天掘進(jìn)5環(huán),共計(jì)20天順利完成重疊段隧道施工。部分測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示。
圖7 盾構(gòu)隧道重疊段變形及收斂變化趨勢(shì)Fig.7 Deformation of overlapping section of shield tunnel and convergence trend
隧道拱頂最大沉降累積變形為8.2 mm,拱底最大沉降累積變形為7.6 mm,最大水平收斂累積值為-9.2 mm,最大垂直收斂累積值為-8.6 mm,均小于設(shè)計(jì)規(guī)定的控制值±10 mm。盾構(gòu)隧道重疊段管片拼裝質(zhì)量良好,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。管片環(huán)向錯(cuò)臺(tái)5 mm,縱向錯(cuò)臺(tái)7 mm,滿足盾構(gòu)管片施工相關(guān)規(guī)范要求。該段盾構(gòu)段隧道軸線偏差及地表沉降曲線如圖8所示,其中地表沉降最大值為20 mm。
圖8 重疊段盾構(gòu)隧道軸線偏差及地表沉降曲線
輪式液壓臺(tái)車支撐體系可保證重疊盾構(gòu)隧道上行隧道施工時(shí)下行隧道管片的安全。該臺(tái)車可保證上行隧道施工過(guò)程中對(duì)下行隧道連續(xù)不間斷的支撐。不卸載的頂推移動(dòng)可保證臺(tái)車與上行隧道盾構(gòu)同步前進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果與監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,該支撐方式保證了下方隧道管片的安全,解決了其他支撐方案安裝及倒運(yùn)存在的問(wèn)題。該方案可縮短施工工期,保證安全施工,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。
液壓臺(tái)車為裝配式結(jié)構(gòu),在地面拼裝每節(jié)臺(tái)車,采用龍門(mén)吊下井,通過(guò)電瓶車運(yùn)輸至指定位置。待4節(jié)臺(tái)車均運(yùn)輸至指定位置后拼裝,機(jī)械化程度高。相比于其它臨時(shí)支撐方案,該方案施工速度快,節(jié)省工期。
但重疊隧道輪式液壓臺(tái)車支撐系統(tǒng)屬于新型特種設(shè)備,目前無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),設(shè)備進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收較為困難。如果施工單位采用該種設(shè)備進(jìn)行施工,可拆分部件逐個(gè)驗(yàn)收合格,最后等設(shè)備組裝完成后,施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)廠家四方聯(lián)合驗(yàn)收合格,可認(rèn)為設(shè)備驗(yàn)收合格。
輪組變形過(guò)大后會(huì)影響到臺(tái)車的移動(dòng),建議增加液壓臺(tái)車的應(yīng)力自動(dòng)補(bǔ)償識(shí)別系統(tǒng),且每個(gè)輪組前后并列增設(shè)兩個(gè)帶輪的可收縮支撐油缸,實(shí)現(xiàn)液壓臺(tái)車的自動(dòng)跨越移動(dòng)。