盾构隧道上方明挖地铁连通道的施工措施分析

盾构隧道上方明挖地铁连通道的施工措施分析

发表时间：2020-03-23T07:28:47.515Z 来源：《建筑细部》2019年第20期作者：马晶晶

[导读] 郑州市轨道交通3号线一期工程中州大道站外挂4号线商都路站换乘通道设置于通泰路站～中州大道站盾构区间隧道上方，通道基底距隧道顶最小6.585m，开挖范围地层以黏质粉土为主，基底下存在较厚的有机质粉质黏土层。

马晶晶

中铁第六勘察设计院集团有限公司隧道设计分公司天津 300133

摘要：郑州市轨道交通3号线一期工程中州大道站外挂4号线商都路站换乘通道设置于通泰路站～中州大道站盾构区间隧道上方，通道基底距隧道顶最小6.585m，开挖范围地层以黏质粉土为主，基底下存在较厚的有机质粉质黏土层。经过理论分析和计算，采用坑内被动土体加固可减短明挖结构支护桩长及减小基坑开挖对下方隧道的影响。

关键词：盾构隧道，明挖基坑，搅拌桩加固

地铁施工受管线迁改、建构筑物拆迁及交通疏解等诸多因素影响，同时在施工过程中也受到开挖地层、环境管控及原材料采购等因素影响；使得车站施工与区间隧道掘进先后顺序可能变化。本文以郑州市轨道交通3号线一期工程通泰路站～中州大道站区间先期施工，其上方中州大道站外挂4号线商都路站换乘通道后期施工为例进行分析，结合工程实例对盾构隧道上方明挖地铁连通道的施工进行分析研究，为此类工程提供参考。

1 工程概况

1.1 简介

郑州市轨道交通3号线一期工程中州大道站位于郑汴路和中州大道交叉口西侧，与在建4号线商都路站“L”型换乘；在中州大道东端商都路站设置连接南北厅的换乘通道，通道上跨中州大道站南侧埋深8m的DN2600mm混凝土污水管。换乘通道与3号线中州大道站同期施做，两者未设置变形缝。

图1 车站平面布置图

根据原设计方案，中州大道站东盾构井施工完成后施做东侧换乘通道，

而后完成下方通泰路站～中州大道站区间盾构掘进。由于种种原因导致通泰路站～中州大道站区间盾构到达加固区时车站主体结构正在施工顶板，如车站施工单位先行施工东端换乘通道，则盾构停机时间将达4个月。考虑地下三层富水砂层条件下停机风险较大，且影响后续区间的施工，经车站施工方、区间施工方及业主单位协商，拟先完成盾构区间掘进，后施工上方换乘通道。

图2 换乘通道与区间隧道相对位置关系图区间隧道采用1.5m环宽、DN6200mm（壁厚350mm）管径的钢筋混凝土管片错缝拼装。区间隧道已施工完成，对换乘通道支护及开挖影响进行分析。

1.2 工程地质及水文条件

拟建场地地貌单元地貌单元为黄河冲洪积平原（A区）。根据岩土的时代成因、地层岩性及工程特性，本场地勘探揭露深度范围内地层岩性主要为人工填土、粉土、粉质黏土、粉砂、细砂等，各层土物理力学参数如下表：表1 岩土物理力学参数表

勘察期间，场地内各勘探孔中地下水水位埋深约8.4～9.0m，水位标高为83.95～84.36m，地下水水位高差约0.5m，年变幅约1～2m，近3～5年最高水位埋深约4.8m，标高约88.5m。

2 地层加固方案

基底下方存在较厚的②22F有机质粉质黏土层及②23F有机质粉质黏土层，勘察资料显示土层呈软塑状，具有压缩性高、强度低，长期动载作用下易蠕变等特性。考虑以下方面：1）外挂换乘通道与三层车站间未设置变形缝，长期动载左右下有机质粉质黏土层易蠕变发生不均匀沉降，造成结构拉裂；2）由于区间隧道已施工，支护桩无法贯穿隧道伸入地层深处；3）基坑开挖过程中可能会造成区间隧道隆起；故对基底进行裙边加固。

图3 基底加固平面布置图

加固采用Ф850@600mm三轴搅拌桩施工，宽度从支护结构边向基坑内3.45m，加固深度为4.5m。

3 计算分析

3.1 计算模型

运用有限元分析软件MIDAS GTS对换乘通道及下方区间隧道建立数值模型，见图3。为减小边界约束对计算结果的影响，使计算内容更符合实际工况，建模范围垂直区间隧道方向结构边缘各取30m，沿区间隧道方向取30m，竖向高度根据实际埋深选取。在实体模型计算中，采用位移边界条件，模型顶面为自由边界，底部进行竖向约束，其他面为法向约束。

围护结构竖向采用两道钢支撑，支撑采用弹簧模拟，刚度根据材料性质进行输入。区间隧道结构采用板单元模拟。围护与土体间设置界面单元用来模拟结构与土的相互作用。土体材料模型运用摩尔一库仑模型。

图4 计算模型

3.2 计算分析

分别对原状土及加固后土体进行开挖模拟。加固后土体粘聚力取40kPa，内摩擦角取值不小于原状土。施工工况如下：

1）激活土层，初始地应力生成，位移清零；2）激活车站、区间结构单元，钝化车站区间内土体，位移清零；3）激活围护桩；4）开挖至第一道支撑下；5）激活冠梁、第一道钢支撑；6）开挖至第二道支撑下；7）激活钢腰梁、第二道钢支撑；8）开挖至坑底。

土体加固模型在上述2、3步间插入土体加固施工阶段。

图5 未加固开挖至基底隧道竖向位移

图6土体加固后开挖至基底隧道竖向位移

根据计算工况，原状土施工条件下，管片竖向位移15.4mm，裙边加固后，管片竖向位移9.57mm。

图7 区间顶、底竖向位移

由上述对比分析可知，对坑内基底裙边加固后，管片竖向及水平位移明显减小，可以确保明挖基坑及盾构区间隧道的安全。

4 工程过程控制

4.1 基坑支护

根据86年市政施工中资料记载，本场地长期为鱼塘。现土体含水量较大，压缩模量较小，土层土质较软，结合车站施工情况本场地浅部土层土质较软、降水较为困难、施工容易对土体进行扰动。本工程南侧临近DN2600mm污水管，为减少施工对污水管的影响，以及避免后期污水管破裂造成基坑灌水，考虑在支护桩外侧设置单排Ф850@600mm三轴搅拌桩止水。施工过程中应控制好泥浆比重及粘度，以保证钻孔施工质量，防止塌孔，必要时增设钢护筒。

4.2 地基加固

在基底裙边加固施工前，现场复测下方区间隧道的顶标高；同时提前探明隧道周边及污水管周边是否存在空洞，如有应提前进行填充处理。

搅拌桩施工前应针对现场拟处理的地层，选择合适的固化剂、外掺剂及其掺量，现场试验满足设计要求后方可实施。搅拌桩水泥掺量不宜小于360kg/m3，水泥土加固体的28天龄期无侧限抗压强度不宜低于0.8MPa。

4.3 基坑开挖及结构施做

基坑开挖施工过程要点：1）基坑开挖施工遵循“分区、分块、分层、对称、限时”的原则，充分利用土体的“时空效应”，控制基坑变形[1]；2）开挖前提前降水，降水深度要进行控制，降至基底以下0.5m即可；3）减少结构分段数量，以便于结构尽快施做；4）严格按设计要求工序施做，严禁超挖；5）在封底后的逆工况下，可根据监测情况及时反压底板[2]。

4.4 监测量控

工程监测数据为分析和预测工程结构和周边环境的安全状态及其发展趋势，实施信息化施工等提供资料。本工程监测包含连通道基坑监测及隧道安全监测。主要监测项目包含：地表沉降、管线沉降、支护结构顶部水平位移、支护结构顶部竖向位移、支护桩体水平位移、地下水位、管片结构竖向位移、管片结构水平位移、管片结构净空收敛等。

4.5 风险控制

1）施工组织：从管理方面控制风险，合理安排工筹，选择对地层影响小的机具设备，统筹计划开挖及回筑的每一道工况，缩短基坑开挖时间及减少基底暴露的时间；2）应急抢险：当由于开挖卸载不对称导致土压不平衡引起隧道偏转时，应立即在隧道抬升侧实施反压，及时纠偏[2]；可采用预制混凝土块等进行堆载；3）对基坑开挖范围内下方的管片采用槽钢进行整体拉结，以提高隧道整体变形能力。

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