富水粉细砂层“先井后隧”施工技术研究

李自力 潘旭东 赵香萍 张志强 廖霖

摘 要：文章结合太原地铁 2 号线南中环街站—学府街站区间盾构穿越中间风井工程实例，对“先井后隧”施工技术进行阐述，其中重点阐述导台施工和盾构机进出洞工艺;采用 Flac3D 软件对土压平衡盾构穿越中间风井的支撑结构受力情况以及基坑周边地表沉降进行数值模拟分析，结果表明，在 1 道混凝土支撑和 2 道钢支撑的基础上，盾构机过站时左右线洞门新增钢支撑，可以有效地将基坑开挖以及盾构掘进过程中的基坑周边地表沉降控制在允许范围内，从而保证盾构安全、高效、经济地通过中间风井。

关键词：地铁;盾构过站;先井后隧;施工技术

中图分类号：U455.43

1 工程概况

太原地铁2号线南中环街站—学府街站区间盾构施工穿越中间风井，该区间左右线总长均为888.607m，左右线间距14.2 m，最大坡度20.203‰，结构覆土约10.39～17.15 m。盾构自学府街站始发，到达中间风井，并由中间风井内二次始发，最后到达南中环街站接收端。中间风井围护结构采用地连墙形式，风井南北方向长25.01 m，东西方向宽13.7 m，开挖深度20.344m，地连墙厚0.8 m，深度31.544 m（图1）。

该风井涉及地层有杂填土、素填土、粉质黏土、细砂层、黏质粉土。杂填土与素填土位于地表，分布广泛，富水性一般。粉质黏土分布不连续，富水性较差，渗透系数一般为0.01～0.1 m/天，属弱透水层。黏质粉土多位于地下水位埋深以下，富水性一般，渗透系数一般为0.1～0.5 m/天，属弱透水层。粉细砂分布不均，水平分布及厚度差异变化较大，但富水性较好，渗透系数一般为1.0～10 m/天，属中等透水层。

2 盾构穿越风井施工

该风井施工中主要施工工序如下：地连墙施工（厚度0.8 m，深度31.544 m），开挖基坑同时架设支撑体系（1道混凝土支撑和2道钢支撑），主体结构底板施工（C45、P10混凝土，厚度0.9 m），洞门范围水平注浆加固，洞门破除，导台结构施工，回填施工，增设钢支撑，继续回填，盾构机进站，盾构机出站，后期清理。

2.1 洞门水平加固

（1）加固范围。风井里程端洞门需破除，背后采用水平注浆加固，加固范围：沿隧道轴线方向为6 m，断面范围为洞门圈以外2.5 m。

（2）注浆孔布置。沿洞门圈周边布设水平注浆孔2圈，外圈分布圆直径为7 m，内圈分布圆直径为6 m，布孔环向间距0.3 m;洞门圈中部水平注浆孔按矩阵式布设，间距0.6 m（图2）。

2.2 混凝土导台施工

为防止盾构过风井时盾构机出现“栽头”现象，该工程采取了混凝土导台施工方案（图3）。混凝土导台的主要施工工序包括：测量放线，预埋钢筋，绑扎导台基础钢筋，安装预埋钢板，安装模板支架，浇筑混凝土，并根据盾构机的接收姿态调整安装轨道。风井底板结构完成后，在风井左右线底板施作混凝土导台，导台斜面与盾构机相切圆直径为6 830 mm，导台高度为1000mm，并在靠近结构侧墙位置预留槽道，便于后期侧墙模板施工;在左右线导台之间浇筑300 mm厚混凝土，以保证导台稳定性;在导台内侧回填碎石以提高回填土底部承载力，碎石规格5～10 mm;在导台中预埋用于固定钢轨的钢板，盾构接收前根据其姿态焊接钢轨;在混凝土導台上进行盾构接收、空推、始发等后续施工。

2.3 钢支撑架设

为保证盾体过站时主体结构安全，在风井内需增设支撑，其中，左右线洞门外侧1 m各增加4根，间隔45°布设（图4）。新增加钢支撑的预埋钢板与地连墙主筋焊接，并打设膨胀螺栓进行固定。新增支撑前先进行土方回填，回填至支撑底部位置时，开始进行支撑架设。

2.4 回填施工

导台施工及洞门破除完毕后，在导台内侧回填碎石以提高回填土底部承载力，防止盾构过站产生“栽头”现象，碎石规格5～10 mm。碎石回填完成后，开始土方回填施工。为保证盾构穿越安全，回填高度与地下水位线平齐，在盾构穿越区回填土为塑性改良土（三七灰土），回填范围为洞门破除范围外扩2 m，其余部分回填普通素土，回填土均层层夯实（图5）。

2.5 盾构机进站与出站

中间风井回填施工完成后，马上开始盾构机过站。进站过程中，盾构机按不大于1 000 t的推力正常掘进和拼装管片，做好管片背后注浆，当盾尾全部进入中间风井后停止推进，盾构机维持在保压状态，然后对中间风井到达端洞门后面6环以上管片进行二次注浆，在洞门位置将盾尾来水和结构外地下水与中间风井内部隔断。通过盾构机刀盘位置出水情况和中间风井内管片吊装孔判断中间风井洞门封堵情况。当洞门位置封堵良好，没有明显渗水时，盾构机可以继续推进至结构中央，若洞门封堵不严、有明显渗水或涌水，则需继续注浆处理，直至完全将洞门封堵严密。

在进出洞时，盾构机壳体与洞口之间会有环形空隙，泥水进入该空隙会对土压平衡造成影响，进而影响盾构正常作业，为防止该情况出现，进站和出站分别进行二次封堵。盾构机到达二次始发端洞门后，检查盾构机运行情况和注浆系统工作状况，经检查一切正常后开始出站。盾构机正常掘进推出端头加固区，掘进至盾尾距始发端洞门约9 m后，盾构机暂停掘进。土仓满仓的情况下对盾尾至始发端洞门间的6环管片（每环宽度1.2m）进行二次注浆，通过中间风井内部靠近始发端洞门的管片吊装孔检查始发端洞门封闭情况。在封堵良好无明显渗水后盾构机继续掘进，过站完成。

3 基坑支撑结构分析

3.1 回填施工前支撑结构分析

在开挖风井主体结构过程中，设有3道支撑结构：1道钢筋混凝土支撑和2道800 mm（t = 16mm，材质Q235B）钢管内支撑。土层开挖至钢支撑预设深度下0.5m时，及时设置钢支撑并加载支撑预加力。通过计算基坑底部以上的墙后水土压力来确定支撑结构的受力情况，并通过Flac3D软件对施工过程进行模拟，据此对基坑进行边开挖边支撑。

3.1.1 地连墙水土压力分析

本文采用朗肯土压力理论，对坑壁外侧的水土压力（即支撑结构受力）进行计算。根据有效应力原理，某一点的水土压力σz、横向主动土压力Pa可通过下式计算得到：

式（1）～式（3）中，σ 'z为有效应力;Pw为静水压力;φ为土的内摩擦角;Ka为主动土压力系数;c为土的黏聚力。

将表1所示土层参数带入式（1）～（3）即可可计算得到地连墙所受水土压力。

3.1.2 支撑结构分析

以盾构机的推进方向为Y轴正方向，隧道原点指向地表方向为Z轴正方向，建立基坑及支撑结构数值模型（图6）。模型尺寸为145.81m×135.3m×31.544m

（长×宽×高），模型内基坑尺寸为25.01m×13.7m×20.344m（长×宽×高），在Z = 17.82m、10.82m、5.02m

处分别采用梁单元建立3道支撑。模型边界条件，在X = -60.8m和85.81 m处对X方向位移进行约束，在Y = -60 m和Y = 74.5m处对Y方向位移进行约束，在Z = -11.2 m处对Z方向位移进行约束。初始孔隙水压力为按重力场梯度分布的静水压力，渗流模型为各项同性模型，除模型的上表面以外其他所有边界为不透水边界，开挖区域的孔隙水压力为0，开挖单元设置为不透水模型。

基坑分步开挖与支护实际上是一个连续施工的过程，本文采用Flac3D对该基坑工程边开挖边支撑进行模拟，计算不同开挖阶段支撑系统的受力情况以及相应位移情况。

（1）图7为不同开挖阶段的支撑结构变形云图。其中，图7a（阶段1）、图7b（阶段2）、图7c（阶段3）分别为开挖至第1道支撑、第2道支撑、第3道支撑位置以下0.5 m并架设相应支撑时支撑结构的变形情况，图7d（阶段4）为开挖至基坑底部位置时支撑结构的变形情况。从图7中可以看出，支撑结构的端头位移明显大于结构中部。开挖至第1道支撑结构时，4根斜撑与4根直撑产生的位移具有相同的规律，说明此阶段基坑各侧壁位移几乎无差别;开挖至第2道支撑结构时，第2道支撑结构的位移明显大于第1道支撑结构，而且斜撑的位移最大（依此类推），表明基坑深度越大，土体位移也相应增大，这可能是水土压力随着深度的增大而增加造成的，与前述水土压力计算结果一致，说明数值模拟结果与实际情况相同。总体来看，该工程设置的支撑结构达到了开挖预期目的，即从开始开挖至基坑底部，支撑结构的位移非常小，可以忽略不计。

（2）图8为不同开挖阶段的支撑结构受力云图。其中，图8a（阶段1）、图8b（阶段2）、图8c（阶段3）分别为开挖至第1道支撑、第2道支撑、第3道支撑位置以下0.5 m并架设相应支撑时支撑结构的受力情况，图8d（阶段4）为开挖至基坑底部位置时支撑结构的受力情况。从图8可以看出，开挖至第1道支撑结构阶段，其受力明显较小，单根支撑最大受力为13.3 kN;开挖至9.5 m左右时架设第2道支撑，此时支撑结构受力最大，单根支撑最大受力24 kN;开挖至基坑底部时，各道支撑受力均匀，第2道支撑受力也减小，单根支撑最大受力475 N。

3.2 回填施工后盾构穿越风井时支撑结构分析

土压平衡盾构机在掘进过程中，会给土体施加压力，再加上土体原本承受的水土压力，会增加盾构进出洞的风险。为实现盾构机安全进出洞并安全完成掘进，左右线洞门外侧1 m各新增加4根（共计8根）钢直撑，间隔45°布设，与基坑开挖过程的支撑结构有所区别。为检验此种设计的安全性，采用Flac3D建立模型对钢支撑的受力和位移状态进行分析，模型尺寸为85.01m×93.7 m×31.544 m（长×宽×高），模型中基坑尺寸为25.01 m×13.7 m×20.344 m（长×宽×高），新增加的钢直撑分别在Z = 17.82 m、10.82 m处按梁单元考虑。模型边界条件，在X = -30 m和55.01 m处对X 方向位移进行约束，在Y = -50 m和Y = 43.7 m处对Y 方向位移进行约束，在Z=-11.2 m处对Z方向位移进行约束（图9）。初始孔隙水压力为按重力场梯度分布的静水压力，渗流模型为各项同性模型，除模型的上表面以外，其他所有边界为不透水边界，开挖区域的孔隙水压力为0，开挖的单元设置为不透水模型。

（1）从图10支撑结构的Y轴受力分析结果可知，新增支撑与原第1道、第2道支撑相比，所受压力较大。其中，圖10a与图10b分别为位于左线洞口腰部的新增直撑、右线洞口腰部的新增直撑应力曲线，图10c和图10d分别为位于左线洞口顶部的新增直撑、右线洞口顶部的新增直撑应力曲线。从图10中可以看到，支撑结构的两端所受应力最大，结构中部所受应力较小。虽然不同支撑结构的受力大小变化趋势相似，但由于支撑结构所处位置不同，所受应力也就有所差别。

（2）图10a与图10b中的支撑所处高度与角度相同，分别位于左右线洞口的腰部位置，图中显示的2处所受应力变化范围相似，最大值介于290～330 kN之间，最小值介于218～220 kN之间;图10c和图10d表示的新增支撑位于洞口顶部，所受应力变化范围最大值介于380～450 kN之间，最小值138 kN。

从以上模拟结果看出，盾构掘进阶段与基坑开挖阶段的支撑结构在掘进方向的位移相同，数值在毫米级别，支撑结构不会发生大变形，即该工程所确定的支护形式与上述相关支护参数达到了确保盾构顺利穿越风井的目的。

4 地表沉降分析

图11为基坑内部、外侧地表在盾构掘进阶段的沉降曲线，横坐标为计算点位与模型最西侧的距离，纵坐标为地表沉降值。其中，图11a为模型中线位置由西至东地表沉降曲线，可见，基坑外西侧在盾构机过风井的掘进阶段地表沉降约为1.5 cm，基坑外东侧沉降在0.5～1.0 cm范围内，而基坑内部沉降超过4 cm，但基坑内部回填土体最终会被开挖，所以沉降数值并无意义。图11b与图11c分别为基坑外南北两侧地表沉降曲线，可见，基坑外侧地表沉降数值在1 cm以内，甚至更小。表明此工程中，基坑外侧地表模拟沉降最大值均在2 cm以内，“先井后隧”施工工艺有效地控制了地表沉降。

5 结论

（1）在“先井后隧”的施工方法中，混凝土导台对盾构机安全通过风井结构有重要作用。

（2）基坑开挖阶段的支撑结构（1道混凝土支撑与2道钢支撑）与盾构掘进阶段的支撑结构（混凝土支撑+钢支撑+洞门周围增设钢支撑）受力与变形均满足要求，有效保证了基坑内外水土压力在盾构掘进过程中实现平衡，使盾构机顺利通过中间风井。

（3）“先井后隧”施工方法可将基坑周边地表沉降控制在2 cm以内，满足有关标准要求。

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收稿日期 2019-10-08

责任编辑 朱开明