大直径盾构先行条件下地铁风道加固技术研究_郑骐.pdf

盾构法以其显著的优势在国内外地铁区间隧道施工中得到了广泛的应用。目前，国内外大量学者主要聚焦于盾构穿越既有建（构）筑物的研究1，对于盾构穿越在施结构，尤其是大直径盾构穿越在施结构，国内外尚无工程案例可供借鉴。因此，笔者以北京地铁14号线高家园站大直径盾构先行穿越在施地铁风道，需要确保风道安全为前提，开展穿越前风道加固模型研究。收稿日期：2023-02-24作者简介：郑骐，男，高级工程师，硕士，主要从事轨道交通建设管理工作。引文格式：郑骐.大直径盾构先行条件下地铁风道加固技术研究 J.市政技术，2023，41（5）：149-155，163.（ZHENG Q.Research on reinforce-ment technologyof subwayair duct under large diameter shield crossing J.Journal of municipal technology，2023，41（5）：149-155，163.）文章编号：1009-7767（2023）05-0149-08第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.149Journal of Municipal Technology大直径盾构先行条件下地铁风道加固技术研究郑骐（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068）摘要：大直径盾构先行条件下穿越在施地铁风道在国内外工程建设中非常罕见，具有很大的独特性。基于围护结构桩取消条件下风道加固的特殊工况，通过建立 3 种承力结构的冠梁-支座模型，展开结构内力对比分析以及结构配筋分析。结果表明：冠梁最大弯矩均出现在两侧导洞内及冠梁跨中位置；中导洞内钻孔桩、冠梁以及冠梁上顶撑的设置对改善风道两侧小导洞内的冠梁受力状态作用不是很大。综合考虑安全性、可实施性，优选出最佳模型为边导洞与中导洞均增设钻孔桩的模型，并经过实践检验证明该风道加固技术具有一定的独创性和实用性，对类似工程具有较大的参考和借鉴意义。关键词：大直径盾构；在施地铁结构；风道加固中图分类号：U 231.4文献标志码：AResearch on Reinforcement Technology of Subway Air Duct UnderLarge Diameter Shield CrossingZheng Qi（Beijing Metro Construction Administration Co.，Ltd.，Beijing 100068，China）Abstract：Due to the fact that the large diameter shield tunneling is very rare in the construction of domestic and for鄄eign projects，it is great unique.Based on the special working condition of the air duct reinforcement under the con鄄dition that the retaining structure piles are canceled，structural internal force comparative analysis and structuralreinforcement analysis are carried out by establishing three bearing structure crown beam-support models.The resultsshow that the maximum bending moment of the crown beam occurs on both sides of the guide tunnel and the mid-spanposition of the crown beam；The setting of the bored pile in the middle guide tunnel and the crown beam and the topsupport on the crown beam dont significant improve the stress state of the crown beam in the small pilot tunnels onboth sides of the air duct.Considering the safety and enforceability，the best model is selected as the model with boredpiles added to the side pilot tunnel and the middle pilot tunnel，which has been tested in practice.Because of certainoriginality and practicability，the technology has great reference and reference significance for similar projects.Keywords：large diameter shield；metro structure in construction；air duct reinforcementJournal of Municipal Technology第41卷1工程概况北京地铁14号线高家园站为站台、站厅分离布置车站。站台为地下单层侧式站台，站厅和附属用房外挂，采用3层单跨钢筋混凝土矩形框架结构；车站主体结构利用大直径盾构隧道结构扩挖形成。工程当时施工条件为：大直径盾构机已经到达将台站，根据测算，盾构机大约在7月到达高家园站1号风道，而高家园站1号风道正采用洞桩法进行施工，施工节点为导洞开挖和导洞内钻孔桩施工。为确保盾构机顺利穿越正在施工的风道，必须完成风道扣拱、洞门加固以及凿除盾构穿越位置的钻孔桩后方可穿越。风道施工步序如图1所示；风道与大直径盾构隧道位置关系如图2、3所示。由于国内采用大直径盾构隧道作为区间结构的工程案例较少2-3，同时还穿越正在施工中的风道，在国内外工程建设中实属罕见，不仅工程施工风险高，对施工过程中风道拱顶结构力学影响较大，而且国内外没有可参考的相关资料4-7。因此，针对该工程的特殊工况，在分析各种利弊的情况下，开展了3种大直径盾构穿越在施地铁风道加固模型的研究，并针对加固模型中的关键承力结构展开对比分析，在此基础上提出大直径盾构穿越在施地铁风道加固优化模型，以期为该工程和今后类似大直径盾构穿越在施地铁风道加固工程提供参考和指导。2工程地质条件高家园站1号风道顶部埋深为8.9 m，桩底埋深为40 m，地下水位为6.6 m，穿越地层主要为粉土填土层、粉质黏土层、粉细砂层、中粗砂层和卵石圆砾层，主要施工位置在粉土填土层和粉质黏土层。3围护结构桩取消条件下的风道加固技术基于上述工程背景，笔者提出了风道加固模型的总原则：为减少盾构穿越风道对风道结构稳定性和受力的影响，不施作盾构穿越风道位置的钻孔桩，让盾构机直接穿越。但是当盾构机穿越后，增大了导洞内冠梁的跨图1风道施工步序示意图Fig.1 Construction sequence of air duct图2风道与大直径盾构隧道平面位置关系图Fig.2 Plane position of air duct and large diameter shield tunnel图3风道与大直径盾构隧道剖面位置关系图Fig.3 Section position of air duct and large diameter shield tunnel150第5期度，使其跨度由原来的两桩间距1.2 m变为12 m，盾构穿越风道位置的地层压力和结构自重将全部由两侧导洞内的冠梁以及冠梁两端的钻孔桩承担。经初步计算表明：冠梁两端的钻孔桩承载力满足要求，但冠梁弯矩很大，可见盾构穿越风道位置不施作钻孔桩并让盾构机直接穿越的做法风险很大。因此，若盾构直接穿越风道，则需要对穿越部位进行相应的加固处理，依据工程实际情况，设计出了3种大直径盾构穿越在施地铁风道加固模型。3.1加固模型1在盾构穿越风道位置的两侧导洞内各增加1根钻孔桩，并将两侧导洞内的冠梁加宽；在中导洞内盾构穿越位置的两侧各增加2根钻孔桩，并施作冠梁，冠梁上设置钢支撑顶在风道的拱部。加固模型1如图4所示。a）平面图b）三维模型图5加固模型2Fig.5 Reinforcement model IIa）平面图b）三维模型图4加固模型1Fig.4 Reinforcement model I3.2加固模型2在中导洞内盾构穿越位置的两侧各增加2根钻孔桩，并施作冠梁，冠梁上设置钢支撑顶在风道的拱部。加固模型2如图5所示。3.3加固模型3在盾构穿越风道位置的两侧导洞内各增加1根钻孔桩，并将两侧导洞内的冠梁加宽。加固模型3如图6所示。郑骐：大直径盾构先行条件下地铁风道加固技术研究151Journal of Municipal Technology第41卷4计算模型及参数4.1冠梁-支座模型的提出研究之初对三维地层结构模型展开分析，三维模型如图7所示。采用三维地层结构模型完成加固模型1的初步计算后发现：结构变形主要集中于顶部冠梁区域，而钻孔桩和桩顶基本无变形。因此，实际分析时应重点分析顶部冠梁的承载性能如何，按不利影响考虑，重点突出冠梁的影响，忽略顶部初支的有利影响，将冠梁下的桩简化为固端支座来处理，采用二维板单元模型，从而建立简化的冠梁-支座模型，如图8所示。a）平面图b）三维模型图6加固模型3Fig.6 Reinforcement model IIIa）底视图b）正视图c）斜视图图7三维模型不同视角图（加固模型1）Fig.7 3D models from different perspectives（reinforcement model I）冠梁-支座模型包含冠梁板壳单元和图8未显示的初支板壳单元，初支板壳单元叠合设置于冠梁板壳单元上。由此将空间三维实体问题转化为三维板壳问题展开研究。4.2模型参数三维板壳模型中冠梁板厚1 m，采用C40混凝土，荷载包括土层重和结构自重。混凝土材料参数见表1，地层参数见表2。152第5期名称性质弹性模量/GPa泊松比重度/（kN/m3）本构模型混凝土 各向同性32.50.225弹性表1混凝土材料参数Tab.1 Concrete material parameters地层名称厚度/m弹性模量/MPa泊松比容重/（kN/m3）黏聚力/kPa内摩擦角/（）模型类型粉土填土粉土1粉质黏土3粉细砂粉质黏土4粉质黏土1中粗砂卵石圆砾1.103.904.006.308.6010.003.505.053.08.67.425.012.517.440.065.00.300.300.310.290.290.300.260.2616.66019.40419.60019.79619.79620.38420.09020.5808203003545001025183023184250摩尔-库伦摩尔-库伦摩尔-库伦摩尔-库伦摩尔-库伦摩尔-库伦摩尔-库伦摩尔-库伦表2地层参数Tab.2 Stratum parameters5计算结果与分析5.1冠梁弯矩对比分析3种加固模型冠梁弯矩云图对比如图9所示，3种加固模型冠梁弯矩图对比如图10所示。由图9、10可知：总体上3种加固模型均是冠梁中部弯矩最大，与跨度直接相关；冠梁加宽模型对弯矩减小有利；加固模型1冠梁最大弯矩为1533kNm，加固模型2冠梁最大弯矩为1665kNm，加固模型3冠梁最大弯矩为1 465 kNm，加固模型1最优。a）加固模型1b）加固模型2c）加固模型3图9冠梁弯矩云图对比Fig.9 Comparison of crown beam bending momenta）加固模型1b）加固模型2c）加固模型3图10冠梁弯矩图对比（kNm）Fig.10 Comparison of bending moment diagram of crown beam图8冠梁-支座模型Fig.8 Crown beam-support model郑骐：大直径盾构先行条件下地铁风道加固技术研究153Journal of Municipal Technology第41卷模型部位监测点弯矩/（kNm）实测值剪力/kN实测值模拟计算值加固模型1加固模型2冠梁2冠梁3冠梁1冠梁2支座1跨中支座2支座1跨中支座2支座1跨中支座2支座1跨中支座2支座1跨中12121212121212121212121212121 2354911 5441 0111 2516801 2216051 4369321 1726553172133212352781951 1751 0851 5891 2231 2201 1131 2019251 6771 1025 2011 1205453205 0401 2005 3221 2545903355 2401 2001 2456804203311 3326683 5601 0443022893 6771 5003 7421 0212261255 3941 3496703535 3941 3495 3941 3496703535 3941 3491 2538855732941 2538853 7251 3623252293 7251 3623 7251 362325229模拟计算值1 1445861 4359841 1445861 1445861 4359841 1445862831922591972831921 2579431 5899981 2579431 2579431 589998冠梁类型冠梁1表3实测值与模拟计算值对比Tab.3 Comparison of monitoring data and simulationcalculation data5.2冠梁剪力对比分析3种加固模型冠梁剪力云图对比如图11所示。由图11可知：总体上3种加固模型剪力均是冠梁端部最大；冠梁加宽模型对剪力减小有利；加固模型1冠梁最大剪力为5 394 kN，加固模型2冠梁最大剪力为3 725 kN，加固模型3冠梁最大剪力为4 271 kN，模型1最优。5.3实测值与模拟计算值对比分析为验证模型模拟的准确性，冠梁施工时在其支座、跨中位置安装弦式钢筋套筒应力计进行实际监测，加固模型1、2、3分别设置18、18、12个监测点，监测点布置如图12所示。盾构穿越前采取应力初始值，最后取最不利条件下内力值，目的是通过测量盾构穿越后冠梁截面主筋应力来推算对应截面的弯矩和剪力。实测值与模拟计算值对比见表3。c）加固模型3图11冠梁剪力云图对比Fig.11 Comparison of crown beam sheara）加固模型1b）加固模型2图12监测点布置图Fig.12 Monitoring site layout154第5期模型配筋配筋率/%加固模型1加固模型2加固模型31728112817280.630.840.63表4配筋结果对比Tab.4 Comparison of reinforcement results由表3可知，弯矩、剪力的实测值与模拟计算值基本吻合，表明模型模拟具有较高的准确性。5.43种加固模型冠梁配筋结果对比根据3种加固模型的内力结果展开配筋验算，结果见表4。由表4可知，虽然加固模型1和加固模型3两者内力略有差异，但配筋一致，两种模型均可行。考虑到结构的稳定性，综合优选加固模型1。实际施工中采用了加固模型1，整个施工过程基本平稳，大直径盾构机安全顺利穿越了在施地铁风道。现场施工过程如图13所示。6结论在工期紧张、条件苛刻、安全要求高的条件下，大直径盾构先行穿越在施地铁风道，且洞口位置不施作钻孔桩，风险较大。针对该问题提出3种风道加固技术，分别建立模型，展开冠梁-支座模型内力对比分析以及配筋验算分析，得出如下结论：1）各加固模型下冠梁最大弯矩均出现在两侧导洞内，具体数值如下：加固模型1冠梁最大弯矩为1 533 kNm，最大剪力为5 394 kN；加固模型2冠梁最大弯矩为1 665 kNm，最大剪力为3 725 kN；加固模型3冠梁最大弯矩为1 465 kNm，最大剪力为4 271 kN。2）通过对比加固模型1和加固模型3显示，中导洞内钻孔桩、冠梁以及冠梁上顶撑的设置对改善风道两侧小导洞内的冠梁受力状态作用不是很大。虽然加固模型1的冠梁最大剪力比加固模型3的冠梁最大剪力要大，但前者冠梁的截面积大，因此前者冠梁的剪应力要比后者小。3）从冠梁受力状态及配筋结果来看，3种加固模型都是可行的。从安全性角度考虑，优先推荐加固模型1。4）通过实践检验，证明了加固模型1的加固技术是成功的，具有一定的独创性和实用价值。参考文献1苏东，王得胜，幸智军，等.机场线盾构隧道下穿桥梁接近施工沉降控制J.施工技术，2008，37（9）：67-68.（SU D，WANGD S，XING Z J，et al.Settlement control of tunnel constructiondown-traversing adja-cent bridgeJ.Construction technology，2008，37（9）：67-68.）2何川，丁建隆，李围.配合盾构法修建地铁车站的技术模型J.西南交通大学学报，2005，40（3）：293-297.（HE C，DING J L，LI W.Technical schemes for metro station construction based onshield methodJ.Journal of Southwest Jiaotong University，2005，40（3）：293-297.）3张新金.盾构法与浅埋暗挖法结合建造地铁车站关键技术研究（下转第 163 页）模型冠梁类型部位监测点弯矩/（kNm）实测值剪力/kN实测值模拟计算值加固模型3冠梁3冠梁1冠梁2支座2支座1跨中支座2支座1跨中支座2支座1跨中支座2121212121212121212121 1658902121894953022311901 0898431 4626651 0658751 0888741 4606551 1028553 4571 2301 0207863232898975354 1251 3743352944 0991 2584 0981 2583202544 1441 3233 7251 3629316354563899316354 0101 2024343424 0101 2024 0101 2024343424 0101 202模拟计算值1 2579432101965156252101961 1829861 5656931 1829861 1829861 5656931 182986续表图13现场施工照图Fig.13 Construction pictures on site郑骐：大直径盾构先行条件下地铁风道加固技术研究155第5期同工况下基坑开挖引起的管廊结构受力特征进行分析可知，随着基坑的逐步开挖和支撑结构的实施，管廊结构受力逐步增大。基坑施工前，管廊结构轴力、剪力和弯矩最大值分别为571.8、143.0 kN/m和260.5 kNm/m；基坑施工完成后，管廊结构轴力、剪力 和弯矩最大 值分别 为572.3、143.2 kN/m和273.2 kNm/m。基坑施工后管廊结构轴力、剪力和弯矩最大值增加比率分别为0.09%、0.14%、4.88%，说明管廊结构受力变化较小，配筋合理，满足管廊结构安全使用要求。5结语该工程周边环境较复杂，淤泥质软土深厚，地下水丰富，场地地貌单元属长江冲积一级阶地，地质条件较差，综合采用围护桩内支撑TRD水泥土连续墙止水帷幕形式，有效控制了基坑开挖对综合管廊的影响。有限元计算结果表明：邻近综合管廊侧基坑围护结构最大水平位移、竖向位移值分别为29.28、-11.65 mm；基坑开挖引起的管廊结构最大水平位移、竖向位移值分别为9.27、-8.99 mm；基坑施工完成后，管廊结构轴力、剪力和弯矩最大值分别为572.3、143.2kN/m和273.2kNm/m，相比基坑施工前，管廊结构轴力、剪力和弯矩最大值增加比率分别为0.09%、0.14%、4.88%，管廊结构受力变化较小，计算结果均在安全控制标准范围以内。可见，该项目基坑施工对综合管廊的安全影响可控，在正常施工条件下，现有基坑支护设计方案可行。鉴于该项目场地存在深厚的承压含水层且渗透系数大，基坑采用TRD水泥土连续墙止水帷幕方式，因此建议基坑开挖前进行坑内外联通抽水试验，确保止水帷幕成墙后方可进行基坑开挖，必要时对TRD工法墙进行注浆加固补强；基坑施工期间，应加强对基坑自身以及管廊结构实时监测，采用信息化施工，以确保综合管廊的稳定与运营安全。参考文献1周丁恒，周春锋，李凤岭，等.软土地区临近地铁深基坑施工控制及监测J.铁道建筑技术，2019（4）：103-108.（ZHOU DH，ZHOU C F，LI F L，et al.Controlling and monitoring on con-structing soft-soil deep foundation pit adjacent to metro lineJ.Railway construction technology，2019（4）：103-108.）2林鼎宗，蔡奇鹏，黄翀，等.基坑开挖对邻近双舱综合管廊影响的三维数值分析J/OL.2023-01-30.https：/ D Z，CAIQ P，HUANG C，et al.Three-dimensional numerical analysis ofthe effect of excavation on adjacent double-compartment utilitytunnelJ/OL.2023-01-30.https：/ J，LYU L，KANG X L，et al.A brief analysis of the coordinated constructionscheme of urban comprehensive pipe gallery and metro areaJ.Journal of municipal technology，2021，39（9）：128-135.）4杨善统，陈娜，陈飞宇，等.深基坑模型试验相似材料研究J.铁道建筑，2015（9）：78-81.（YANG S T，CHEN N，CHEN F Y，et al.Research on similar materials used in model test for deepfoundation pitJ.Railway engineering，2015（9）：78-81.）5胡建林，孙利成，崔宏环，等.基于修正摩尔库伦模型的深基坑变形数值分析J.科学技术与工程，2021，21（18）：7717-7723.（HU J L，SUN L C，CUI H H，et al.Numerical analysis of deepfoundation pit deformation based on modified Mohr-CoulombmodelJ.Science technology and engineering，2021，21（18）：7717-7723.）（上接第 155 页）D.北京：北京交通大学，2010.（ZHANG X J.Study on keytechnologies of the metro station constructed by shield tunnelingmethod combined with mining methodD.Beijing：Beijing Jiao-tong University，2010.）4张新金，刘维宁，路美丽，等.北京地铁盾构法施工问题及解决模型J.土木工程学报，2008，41（10）：93-99.（ZHANG X J，LIU W N，LU M L，et al.Problems and solutions of shield tunnel-ing 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