重慶地鐵人和站先隧后站明挖法分步施工技術研究

崔光耀,戴艾蒙,王明勝

(1.北方工業大學 土木工程學院,北京 100144;2.中鐵城市發展投資集團有限公司,四川 成都 610000)

0 引言

TBM(tunnel boring machine)法掘進隧道施工具有開挖快、安全、經濟、優質,有利于環境保護、降低勞動強度等優點,目前在城市地下軌道交通、上下水道及鐵路、公路、水利、電力通訊等工程中的應用越來越廣泛。在城市地下軌道交通施工中,由于車站設立較多,區間較短,一臺TBM多數情況下要施工兩個區間甚至更多,穿越車站必不可少。

傳統的吊裝方式和先隧后站法均適用于在車站主體結構未完成時的情況,而站內直接通過法則適用于車站主體結構已完成前的情況[1-4]。目前,主要研究方向有不同隧道開挖過站技術的研究[5-6],以及對雙護盾TBM地鐵工程的籌劃、適應性、設計應用等方面的研究[7-9],對單護盾TBM過站研究尚淺。TBM過站先隧后站的方法使得區間隧道的施工不會被車站的工期所影響,因此本文依托重慶地鐵五號線人和站,針對實際明挖車站施工,對TBM掘進過站技術進行研究。

1 工程概況

1.1 車站概況

人和車站位于金開大道西段,起訖里程、站尾里程為YDK16+320.801和YDK16+540.401,總長度219.60 m。人和站為明挖島式車站,結構標準段內輪廓凈寬20.70 m,凈高15.44 m。車站位于既有金開大道之下,該段周邊條件復雜,管線密布。車站頂板覆土厚度約為2.4～4.0 m。

1.2 支護結構

人和站的土體基坑進行先隧后站施工,采用“樁錨體系”垂直開挖支護方案。邊坡采用Φ1.0 m機械旋挖樁,樁心間距3 m,樁底嵌入坑底中風化巖層不小于3 m,樁頂設1.0 m×0.8 m鋼筋混泥土冠梁,樁間設擋土板,土層處擋土板厚0.3 m,巖層處擋土板厚0.15 m。樁身共設6道預應力錨索,錨索豎向間距3 m,鉆孔直徑200 mm,第一至第四道錨索錨固長度不小于10 m,第五、六道錨索錨固長度不小于6 m。詳見圖1所示。

圖1 施工斷面示意圖

2 計算概況

2.1 計算模型

為避免邊界效應的影響,計算模型左右水平計算范圍均取基坑跨度的2倍,垂直計算范圍向上取至自由地表,向下取基坑高度的2倍。上部為10 m厚的填土層,下部為砂質泥巖層,砂質泥巖與填土層的本構模型為摩爾-庫倫模型;支護使用彈性模型,錨索單元使用FLAC3D中專用于模擬錨索的cable單元。

根據以上資料建立FLAC3D模型,取縱向3排樁的長度建立模型,建立縱向(y方向)長9 m的三維模型,水平向(x方向)長140 m,豎向(z方向)高71.30 m;根據實際的錨索布置方式建立錨索模型,TBM隧道掘進穿越人和站的位置根據模型中車站的TBM軌道中心線的位置確定,共劃分為175 104個8節點單元,共有183 979個節點,詳見圖2所示。

圖2 計算模型圖

2.2 計算參數

材料參數根據地質勘探報告和車站設計資料選取,詳見表1所示。

表1 材料參數表

2.3 開挖工序

開挖步驟為:單護盾TBM采用循環開挖的方式,每掘進1.5 m便進行一環的管片支護,共開挖6環→基坑開挖1.5 m的深度到達樁頂設計標高,向土中打機械旋挖樁→逐層開挖基坑,每次開挖深度到1m時施做噴射混凝土面板,開挖深度達到錨索設計深度以下0.5 m時進行錨索施工,如此循環完成基坑開挖。具體施工步驟見表2所示。

表2 施工步驟示意表

3 計算結果分析

3.1 地表位移分析

在縱向(TBM掘進方向)3 m處是兩樁的中間部分,靠近樁的部位支護較弱,提取此截面上的地表沉降進行分析,位移曲線如圖3所示。

圖3 縱向3 m處地表沉降曲線

由圖3可以看出,TBM開挖后并未產生較大的地表沉降。隨著隧道基坑的開挖逐漸加大,拆除管片的工序6、工序7并沒產生較大的地表沉降,最大地表沉降為2.05 mm,符合本工程設計要求中(以下簡稱設計要求)地表沉降最大25 mm的控制標準。

3.2 樁頂位移分析

由于對稱性,可選擇左側一排的樁進行分析。左側一共3根樁,按縱向深度分別命名為樁位1、樁位2、樁位3,并將樁頂位移值匯于表3。

表3 樁頂位移表

由表3可以看出,隨著施工工序的進行,各樁頂的豎向位移與水平位移均逐漸增大,開挖與支護完成后,水平位移中1號樁較大,3號樁較小;豎向位移中3號樁較大,1號樁較小;最大水平位移為13.04 mm,最大豎向位移為1.89 mm, 滿足設計要求中拱頂水平位移25 mm,豎向位移10 mm的控制標準。

3.3 噴錨支護坡頂位移分析

由于對稱性,可選擇左側的噴錨支護坡頂進行分析,取縱向3 m、6 m處截面的坡頂位移值,見表4所示。

表4 坡頂位移表

由表4可以看出,隨著施工工序的進行,2個截面的噴錨支護的坡頂水平位移、豎向位移相差不大;并且隨著基坑的開挖,水平位移與豎向位移逐漸加大,最大的水平位移為13.57 mm,最大豎向位移1.77 mm。

3.4 坑底回彈分析

取3 m截面處與6 m截面處各工序的基坑底的位移,在工序6、工序7中由于正在拆除管片,故基坑底的長較短,回彈曲線如圖4所示。

圖4 坑底回彈曲線

由圖4可以看出,兩個截面處的坑底回彈是一致的,坑底的回彈在工序3安裝第一道錨索時達到最大值,最大值為7.68 mm,隨著施工工序的進行,坑底回彈沒有出現規律性,在拆除管片的工序6、工序7沒有對坑底回彈產生較大的影響,最大值滿足設計要求中坑底回彈的控制標準25 mm。

3.5 錨索軸力安全性分析

根據對稱性,選擇左側錨索的最大軸力進行分析。提取每一層錨索在不同工序下的最大軸力,繪制軸力曲線如圖5所示。

圖5 錨索最大軸力曲線

由圖5可以看出,隨著基坑開挖的進行,錨索最大的軸力逐漸上升,第一層錨索與第二層錨索的最大軸力相同,后面安裝的錨索最大軸力逐漸降低,最大軸力310 kN,小于設計要求中錨索軸力控制值400 kN。

3.6 管片位移分析

取左側管片的位移進行分析。在工序6拆除拱頂,工序7拆除兩側邊墻,管片位移見表5所示。

表5 管片變形表

由表5可以看出,隨著施工工序的進行,工序2在打下樁基后管片拱頂位移、仰拱位移基本沒變化,凈空收斂擴張略微增加。隨著施工工序的進行,拱頂上浮量、仰拱上浮量、凈空收斂量逐漸增加,最大的拱頂上浮2.34 mm,最大仰拱上浮3.51 mm,最大凈空收斂0.58 mm,該工程要求管片的變形控制在4 mm內,以上數值均滿足設計要求。

3.7 管片應力分析

管片的材料為C50混凝土,其抗壓強度設計值為23.10 MPa,抗拉強度設計值為1.89 MPa。提取左側管片的主應力的最大值(最大拉應力)和主應力的最小值(最大壓應力)進行分析,見表6所示。

表6 管片應力最值表

由表6可以看出,在打樁基后管片最大拉應力沒有變化。隨著車站基坑的開挖,管片最大拉應力逐漸上升,在第三層錨索安裝后管片最大拉應力達到最大值2.088 MPa,位于左側管片的右邊墻處和右側管片的左邊墻處,超過了管片的抗拉強度的設計值,管片可能被拉裂;在拆除管片時拉應力較大,可能會導致管片拆除困難,拆除管片危險性較大,管片拆除后最大拉應力逐漸降低。隨著施工開挖的進行,最大壓應力逐漸減小,未超過管片的抗壓強度設計值。

3.8 管片安全系數分析

取左側管片的內力計算管片的安全系數并進行分析,在工序6拆除拱頂,工序7拆除兩側邊墻,管片安全系數見表7所示。

表7 最小安全系數

由表7可以看出,左右邊墻的安全系數變化不明顯,一直處于較低的值。拱頂的最小安全系數,在工序2打樁后略微降低,工序3打第一層錨索后升高,工序4打第二層錨索后降低,工序5打第三層錨索后略微升高;仰拱的最小安全系數,在工序2打樁、工序3打第一層錨索后幾乎沒有變化,然后隨著基坑開挖的進行逐漸降低。安全系數最小值出現在左邊墻和右邊墻,最小值為3.4,與TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》中砌體結構的安全系數限值2.4相比較,該管片滿足規范要求。

4 結論

1)地表最大沉降為2.05 mm;支護結構中,樁頂的最大水平位移為13.04 mm,最大豎向位移為1.89 mm;錨噴支護坡頂的最大水平位移為13.57 mm,最大豎向位移1.77 mm;坑底的回彈最大值為7.68 mm;錨索最大軸力為310 kN。

2)管片結構中,拱頂最大上浮2.34 mm,仰拱最大上浮3.51 mm,最大凈空收斂0.58 mm;管片最大拉應力為2.088 MPa,最大壓應力為-2.428 MPa;安全系數最小值出現在邊墻處,最小值為3.4。以上位移值、內力值均滿足控制標準要求。

本文以重慶人和站先隧后站施工方法為研究對象,綜合論述了該方法的安全性,此方法應用于實際工程中將在提高施工效率的同時保證隧道的穩定性,為今后類似的TBM掘進過站施工提供參考。