王 飛 鄭余朝 羅川疆

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，610031，成都；3. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都//第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

地鐵隧道長(zhǎng)度超過(guò)一定距離時(shí)，往往在線路中部設(shè)置豎井，以兼顧輔助施工、聯(lián)絡(luò)通道、運(yùn)營(yíng)通風(fēng)及防災(zāi)救援等功能；特別是采用盾構(gòu)法施工的隧道，設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井、接收井、檢修井和通風(fēng)豎井已十分普遍[1-2]。

本文以蘭州地鐵黃河岸灘豎井工程為依托，針對(duì)黃河上游段巨厚狀強(qiáng)透水大顆粒砂卵石地層，進(jìn)行深大豎井不同結(jié)構(gòu)方案的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和結(jié)構(gòu)受力特征分析，選取最優(yōu)的結(jié)構(gòu)支護(hù)體系；并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比，確保工程順利建成，豐富強(qiáng)透水砂卵石地層深大豎井的修建技術(shù)。

1 工程概況

蘭州地鐵1號(hào)線奧體中心站—世紀(jì)大道站區(qū)間(以下簡(jiǎn)為“奧—世區(qū)間”)隧道下穿黃河(見(jiàn)圖1)。岸灘豎井深度達(dá)45.5 m，平面尺寸為33 m×21 m，且井位臨近黃河，具有較大的施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。

奧—世區(qū)間下穿黃河隧道的岸灘豎井位于蘭州市七里河斷陷盆地內(nèi)。其下為巨厚狀砂卵石地層，地下水埋深5～8 m。場(chǎng)地自上而下依次為第四系全新統(tǒng)雜填土(Q4ml)、黃土狀土、中砂、2～10 mm卵石，第四系下更新統(tǒng)3～11 mm卵石(該層厚200～300 m)。地層中，粒徑大于200 mm的漂石及粒徑大于20 mm的卵石含量平均占64.53%，一般卵石粒徑為20～60 mm，最大卵石粒徑為650 mm。卵石層膠結(jié)體隨機(jī)分布，泥質(zhì)膠結(jié)為主，中粗砂充填其中?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)通過(guò)對(duì)卵石進(jìn)行篩分發(fā)現(xiàn)，粒徑50 mm以下的卵石占68%，粒徑為50～150 mm的卵石占25%，粒徑150 mm以上的卵石占7%。

圖1 蘭州地鐵1號(hào)線與黃河位置關(guān)系圖

經(jīng)分析，奧—世區(qū)間豎井工程施工難點(diǎn)如下：

(1)豎井平面尺寸大(33 m×21 m)，開挖深度深(45.5 m)，砂卵石地層滲透系數(shù)大(62 m/d)，因此開挖過(guò)程易出現(xiàn)涌水涌砂、坑底隆起及地面沉降過(guò)大等情況，從而引起圍護(hù)和主體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

(2)豎井與黃河水平距離為100 m，且地層滲透系數(shù)大，受黃河水補(bǔ)給迅速。因此，豎井實(shí)施過(guò)程中需控制基坑降水及堵水，以有效緩解外界高水頭的不利影響。

(3)豎井地質(zhì)條件較差，需要安全有效的實(shí)施結(jié)構(gòu)體系并確保質(zhì)量。

目前，在武漢、南京、上海等地區(qū)，超深基坑普遍采用“落地式止水帷幕”，將隔水帷幕嵌入基巖或相對(duì)不透水層中；部分超深基坑采用“懸掛式止水帷幕+管井降水”，其基坑深度多為20～30 m。本工程為在巨厚狀強(qiáng)透水大顆粒砂卵石地層中開挖深度超過(guò)45 m的深基坑，無(wú)法采用“落地式止水帷幕”，且其止水措施具有較高的實(shí)施難度[3-9]。

2 豎井工法及結(jié)構(gòu)型式

2.1 豎井工法和支護(hù)體系

豎井通常有順作法、逆作法，以及特殊情況下的“逆作法+止水帷幕”等施工方法。施工前，先對(duì)豎井的地質(zhì)條件、水文條件、實(shí)施難度、基坑穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及降水隔水措施等進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)GB 50652—2011《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》，采用基于信心指數(shù)的專家調(diào)查法和模糊層次綜合評(píng)估方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模糊層次綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，“逆作法+止水帷幕”的施工方法存在中風(fēng)險(xiǎn)，一般無(wú)需采取風(fēng)險(xiǎn)處理措施，但應(yīng)予以監(jiān)測(cè)。因此，本豎井采用逆作法施工，其主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，外圍采用素混凝土地下連續(xù)墻，并結(jié)合地層注漿及區(qū)域降水等措施。

2.2 豎井結(jié)構(gòu)型式

基于隧道地層地質(zhì)條件，為最大限度避免左、右線隧道在施工及運(yùn)營(yíng)階段的相互影響，兩線隧道結(jié)構(gòu)凈距按不小于2倍洞徑(洞徑為6.2 m)控制，線間距為18～20 m。

為滿足盾構(gòu)施工期間進(jìn)井接收、拆解吊出等需求，兼顧運(yùn)營(yíng)期間聯(lián)絡(luò)通道及通風(fēng)排煙等功能，豎井長(zhǎng)邊及深度應(yīng)能涵蓋左、右線隧道，短邊結(jié)合豎井使用功能及設(shè)備擺放布置，采用五層框架結(jié)構(gòu)、懸掛式隔水帷幕的逆作法復(fù)合墻體系。豎井整體結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖2。

3 降水及阻隔水措施對(duì)豎井結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析

豎井地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，毗鄰黃河，水位較高，砂卵石地層滲透系數(shù)大，有必要模擬計(jì)算多種降水和阻隔水措施工況并綜合比較。按逆作法實(shí)施條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況擬定4種工況(見(jiàn)表2)。

經(jīng)綜合分析，豎井施工采用坑內(nèi)+坑外聯(lián)合降水方式，其降水井位布置如圖3所示。

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)

豎井空間尺寸為33.0 m×21.0 m×45.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，止水帷幕尺寸為46.0 m×34.4 m×51.1 m(長(zhǎng)×寬×高)。按照豎井實(shí)際尺寸建模，土體邊界的長(zhǎng)、寬、高分別為150 m、100 m和120 m。土體模型采用實(shí)體單元?？紤]地下水滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合，地下水按等向流體考慮。初始地下水位線位于地面下約10.4 m。模型四周施加相同的透水邊界，底面和側(cè)面施加法向位移約束。有限元計(jì)算模型如圖4所示。

a) 橫剖面圖b) 縱剖面圖

c) 平面圖

工況施工措施一無(wú)輔助工法,坑底注漿,井內(nèi)抽水二井外降水10 m,坑底注漿,井內(nèi)抽水三井外降水20 m,坑底注漿,井內(nèi)抽水四外圍懸掛止水帷幕,豎井端頭和坑底注漿,帷幕外圍降水20 m,井內(nèi)抽水

圖3 降水井位布置平面圖

a) 整體模型b) 豎井結(jié)構(gòu)模型

圖4 豎井結(jié)構(gòu)及土體的有限元計(jì)算模型

3.2 施工步驟模擬

豎井按逆作法施工，首先，施作外側(cè)素混凝土連續(xù)墻和內(nèi)側(cè)豎井結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻；然后，豎井外側(cè)降水至設(shè)計(jì)深度，逐步開挖并施作主體結(jié)構(gòu)各層的縱梁、橫梁、柱和側(cè)墻，直至底部封底；最后，澆筑各層樓板并回填覆土。在初始階段降水和每次開挖井內(nèi)降水后，均進(jìn)行滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合平衡計(jì)算。各工況具體施工的計(jì)算模擬見(jiàn)表3。

3.3 連續(xù)墻水平位移

以工況一為例，計(jì)算各階段連續(xù)墻水平位移(見(jiàn)圖5)。根據(jù)表3，計(jì)算節(jié)點(diǎn)1為開挖至負(fù)一層，計(jì)算節(jié)點(diǎn)2為開挖至負(fù)三層，計(jì)算節(jié)點(diǎn)3為開挖至負(fù)五層，計(jì)算節(jié)點(diǎn)4為豎井回填。

圖5 工況一各開挖階段連續(xù)墻水平位移

隨著豎井不斷向下開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻外側(cè)承受的主動(dòng)土壓力越來(lái)越大，連續(xù)墻逐漸向坑內(nèi)傾斜，水平位移也越來(lái)越大。在計(jì)算節(jié)點(diǎn)1～3中，連續(xù)墻最大水平位移均出現(xiàn)在開挖處附近。在計(jì)算節(jié)點(diǎn)3中，連續(xù)墻最大水平位移發(fā)生在負(fù)五層。計(jì)算節(jié)點(diǎn)3和4的水平位移變化曲線基本重合，表明連續(xù)墻水平位移在基坑開挖完畢(計(jì)算節(jié)點(diǎn)3)之后已經(jīng)基本穩(wěn)定，回填豎井頂部土體和施作井內(nèi)各層中板不影響連續(xù)墻的水平位移。

表3 不同工況下的模擬計(jì)算表

4種工況下的連續(xù)墻最大水平位移統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。4種工況的降水和阻隔水策略不同，計(jì)算的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移差別很大。這表明不同的降水及堵水方式改變了基坑原有的水土壓力分布狀態(tài)，從而改變了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和位移。

表4 連續(xù)墻各工況最大水平位移表

工況四在工程前期施做了外圍止水帷幕，并采用端頭加固止水、坑底注漿和井內(nèi)抽水等組合措施，極大改善了連續(xù)墻受力狀態(tài)，使其水平位移最小，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)更加安全。

3.4 連續(xù)墻彎矩

由工況一的連續(xù)墻彎矩曲線(見(jiàn)圖6)可知，連續(xù)墻豎向彎矩呈現(xiàn)中間大兩頭小的分布態(tài)勢(shì)。隨著井內(nèi)土體開挖，連續(xù)墻受到的土壓力越來(lái)越大，所受彎矩也不斷增加。最大內(nèi)力作用點(diǎn)隨開挖深度沿墻體深度方向移動(dòng)。彎矩在負(fù)四層—負(fù)五層處達(dá)到最大值(1 155 kNm)。在連續(xù)墻底部嵌固端，彎矩逐漸減小至趨近于零。井內(nèi)各層橫縱梁起到了支撐作用，避免了豎井開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力過(guò)大。各工況連續(xù)墻彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

a) 各階段連續(xù)墻彎矩圖b) 連續(xù)墻彎矩包絡(luò)圖

注：內(nèi)側(cè)受拉為正

圖6 工況一的連續(xù)墻彎矩曲線圖

表5 各工況連續(xù)墻彎矩計(jì)算表

4種工況因降水及阻隔水策略不同，圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向彎矩計(jì)算值差別很大。這表明不同的降水及堵水方式改變了基坑原有的水土壓力分布狀態(tài)，進(jìn)而影響了結(jié)構(gòu)受力。井外降水后，基坑部分孔隙水壓力減小，而土體總應(yīng)力不變，則土體的有效應(yīng)力增加，土體強(qiáng)度增加，從而使圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的水壓力減小，總體側(cè)壓力減小。隨著降水深度增大(工況一—工況三)，連續(xù)墻最大豎向彎矩減小，尤其是上部彎矩減小明顯。工況四于工程前期施作外圍素混凝土連續(xù)墻止水帷幕，并在端頭加固止水和坑底注漿，極大改善了連續(xù)墻受力狀態(tài)，故其連續(xù)墻計(jì)算彎矩最小，結(jié)構(gòu)更加安全。

3.5 主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻彎矩計(jì)算

當(dāng)豎井采用逆作法實(shí)施時(shí)，受空間作用影響，側(cè)墻會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向的彎矩：豎向彎矩和橫向彎矩。對(duì)各工況側(cè)墻的長(zhǎng)邊彎矩進(jìn)行計(jì)算。考慮到各層側(cè)墻的厚度差異和施做時(shí)序，計(jì)算負(fù)一層、負(fù)三層(負(fù)二層和負(fù)三層墻體厚度一樣)、負(fù)四層及負(fù)五層側(cè)墻中部橫向彎矩。側(cè)墻豎向彎矩選自側(cè)墻跨中位置，計(jì)算截面分布見(jiàn)圖7。

圖7 側(cè)墻彎矩示意圖

以工況一為例計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可知，隨著豎井土體逐步開挖，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻不斷施作并逐漸參與承擔(dān)荷載。由于連續(xù)墻的墻體分幅之間存在接頭，故其力學(xué)效應(yīng)主要體現(xiàn)在豎向彎矩。從計(jì)算結(jié)果看，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻為雙向板，其豎向彎矩較大，側(cè)墻橫向彎矩隨著墻體深度的增加而增加，并在負(fù)四層和負(fù)五層達(dá)到最大；主體側(cè)墻存在相對(duì)滯后施作特性，其豎向彎矩最大值發(fā)生在負(fù)四層。

a) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)1側(cè)墻豎向彎矩b) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)1側(cè)墻橫向彎矩c) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)2側(cè)墻豎向彎矩d) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)2側(cè)墻橫向彎矩e) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)3側(cè)墻豎向彎矩f) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)3側(cè)墻橫向彎矩g) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)4側(cè)墻豎向彎矩h) 計(jì)算節(jié)點(diǎn)4側(cè)墻橫向彎矩

注：內(nèi)側(cè)受拉為正

圖8 工況一下的主體側(cè)墻彎矩

各工況下的彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。豎井地下連續(xù)墻承擔(dān)了較大的豎向彎矩；主體側(cè)墻承擔(dān)了較大的橫向彎矩。4種工況的降水及阻隔水策略不同，計(jì)算的主體側(cè)墻豎向彎矩差異很大。這表明不同的降水及堵水方式改變了坑外水土壓力分布狀態(tài)，進(jìn)而改變了側(cè)墻受力。隨著井外降水深度增加，側(cè)墻橫、豎向彎矩減小，在采用外周帷幕止水和基底注漿加固后，橫向彎矩進(jìn)一步減小。

表6 主體側(cè)墻各工況彎矩計(jì)算表

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

奧—世區(qū)間豎井從2015年7月2日開始進(jìn)行地下連續(xù)墻內(nèi)力監(jiān)測(cè)[10-11]，至2016年3月2日結(jié)束，歷時(shí)240 d。測(cè)點(diǎn)分別布置于地下連續(xù)墻頂部以下5.0～55.0 m處，間隔5 m布置1處。選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)QL02、QL05的數(shù)據(jù)，繪出地下連續(xù)墻實(shí)測(cè)內(nèi)力曲線與計(jì)算內(nèi)力曲線(如圖9所示)。

a) 開挖至負(fù)一層(計(jì)算節(jié)點(diǎn)一)b) 開挖至負(fù)三層(計(jì)算節(jié)點(diǎn)二)c) 開挖至負(fù)五層(計(jì)算節(jié)點(diǎn)三)

圖9 不同階段地連墻內(nèi)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由圖9可見(jiàn)，當(dāng)豎井開挖至負(fù)一層、負(fù)三層和負(fù)五層底板時(shí)，地下連續(xù)墻的彎距計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本相符，且負(fù)一層至負(fù)三層的內(nèi)力在開挖前四層時(shí)基本保持穩(wěn)定，最大正彎矩出現(xiàn)在-40.0 m附近(即負(fù)五層側(cè)墻中部位置)。當(dāng)豎井開挖至負(fù)五層時(shí)，實(shí)測(cè)彎矩比計(jì)算彎矩要大些。經(jīng)分析，模擬計(jì)算中，降水及地層注漿加固等措施的計(jì)算參數(shù)選得偏于理想化，而在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)操作中很難實(shí)現(xiàn)完全理想化，尤其在高水壓強(qiáng)透水的砂卵石地層，降水及注漿加固的效果會(huì)打折扣，很難形成理想的均質(zhì)完整加固區(qū)域。

豎井實(shí)際配筋按平面應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，其設(shè)計(jì)內(nèi)力大于三維數(shù)值分析值和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值，故工程安全有保證。

5 結(jié)論

(1)蘭州地鐵區(qū)間隧道下穿黃河岸灘的深豎井位于巨厚狀強(qiáng)透水的砂卵石地層，毗鄰黃河。豎井平面尺寸33 m×21 m，井深45.5 m。惡劣的建設(shè)環(huán)境罕遇，具有較大的實(shí)施難度和工程風(fēng)險(xiǎn)。

(2)位于巨厚狀強(qiáng)透水大顆粒砂卵石地層的深大豎井工程，采用了懸掛式隔水帷幕，以整體逆作、分層順筑施工，并采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系，有效確保了工程安全修建。

(3)針對(duì)豎井不同的降水及阻隔水措施，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻及主體側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，提出了“豎井主體地下連續(xù)墻+外圍地下連續(xù)墻+地層注漿+區(qū)域降水”的組合支護(hù)體系。

(4)對(duì)地下連續(xù)墻及主體側(cè)墻的位移和彎矩進(jìn)行計(jì)算分析，在設(shè)置多道隔水帷幕并采取有效降水及基底注漿加固等措施后，墻體結(jié)構(gòu)受力性能明顯改善，確保了施工期間及建成運(yùn)營(yíng)的安全。

(5)計(jì)算分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的總體規(guī)律基本相符，因?qū)嶋H降水及地層注漿加固效果與計(jì)算選取參數(shù)的差異，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)彎矩相比計(jì)算值略大，但仍在工程設(shè)計(jì)安全范圍內(nèi)。