根据隧道使用功能以及防灾疏散要求,在相邻盾构隧道中间设置联络通道具有联通、排水及防火等作用
[1-2]。目前联络通道施工常采用盾构法
[3]、爆破法
[4]、顶管法
[5]、冻结法
[6]等施工方法。冻结法因其安全性高、封水性强、灵活度高以及环境影响小等优点,被广泛应用于富水地区联络通道的修建过程中
[7-10]。
对于上下重叠隧道的联络通道,目前的传统施工方案包括盾构穿越明挖联络通道竖井
[11]和暗挖竖向联络通道
[12]。众多学者对相关联络通道展开研究。袁华崧等
[13]提出上下错位异形联络通道的暗挖施工方法,并对其温度及位移场变化规律进行了研究;黄浩斌
[14]依托武汉地铁7号线异型联络通道,总结了其冻结施工过程中隧道、联络通道、冻结壁、竖井等受力变形规律;王庆礼
[15]依托哈尔滨地铁三号线重叠隧道区间C形联络通道,阐述了暗挖联络通道的施工工序;杜一鸣
[16]以上海重叠盾构区间为背景,提出了暗挖竖向联络通道以及盾构穿越明挖竖井的施工方法。重叠隧道暗挖竖向联络通道方案施工难度高、施工风险大,而明挖联络通道竖井方案易受场地条件限制。因此,现提出一种新型外挂式联络通道,即在上下行隧道中分别向同一侧修建联络通道,分别与明挖竖井进行连接。工程中的外挂式联络通道为国内外首例,其设计与施工技术具有重要的创新意义,突破了传统技术的局限,克服了已有重贴隧道联络通道方案施工难度高、易受场地条件限制等多项技术难题,对提高工程整体安全性和施工效率具有重要作用。
现依托天津市地铁10号微山路—财经大学站区间重叠隧道3#外挂式联络通道的修建工程,通过技术方案分析与现场实测研究,对该新型联络通道关键技术及其应用效果进行介绍,对施工过程的环境影响,包括联络通道中轴线地表沉降、重叠隧道等相关结构的变形规律进行总结,以期为今后外挂式联络通道的修建提供理论指导和工程借鉴,助力未来密集城区地下空间开发。
1 工程概况
天津地铁10号线微山路站—财经大学站区间总长1 431 m,线路自微山路站延伸而出,经平行段、过渡段之后右线隧道上扬、左线隧道下压,逐渐形成完全上下重叠的位置关系,重叠约1 065 m后进入财经大学站。区间设置新型外挂式联络通道。上、下洞隧道通过水平冻结暗挖的方式分别与已施工完成的竖井连接,3#左、右线联络通道为上下重叠。外挂联络通道竖井采用明挖法,联络通道采用冻结法加固土体,矿山法暗挖施工。竖井主体为现浇混凝土框架结构,框架结构高16.300 m(顶板顶至底板底),竖井基坑长13.4 m,宽6.7 m,深约23.36 m。竖井底板厚度为1 100 mm,左线连络通道处内衬墙厚度为1 000 mm,右线连络通道处内衬墙厚度为800 mm。3#联络通道左、右线中心里程为右DK20+658.000,左线标准段覆土厚度为18.660 m,右线标准段覆土厚度为8.853 m,联络通道左右线盾构中心线间距为9.807 m。3#联络通道位置如
图1所示。
该工程施工深度范围内的土层从上到下依次是:①杂填土;④2粉质黏土;⑥9淤泥质粉质黏土;⑥3粉土;⑧2粉质黏土;⑨4粉砂。
2 施工方案
2.1 冻结孔布置
隧道一侧作为主冻结孔,为加强喇叭口处冻结效果,在竖井侧顶部及底部各布设一排长孔和隧道侧冻结孔交叉。为避免冻结过程中,靠近隧道一侧与靠近竖井一侧的土体位移差过大,对地表建筑物结构产生影响,上洞联络通道选择竖井一侧作为主冻结孔,隧道侧顶部和底部设置一排短孔和竖井一侧冻结孔交叉,加强喇叭口处冻结效果。在冻结过程中,由于上覆土层所造成的垂直荷载对冻胀具有抑制作用,埋深越小的土层其冻胀量越大
[17-20]。为尽可能降低冻结过程中产生的地表最大冻胀位移以及倾斜,在冻结帷幕厚度满足联络通道开挖条件下,上洞联络通道设置的冻结孔数量比下洞联络通道冻结孔数量少。
3#下洞联络通道冻结孔总数为63个,其中左线隧道46个,竖井17个,在隧道中部设置6个对穿孔,供对侧隧道冻结孔和冻结管需冷用;3#上洞联络通道冻结孔总数38个,其中右线隧道16个,竖井22个,设置4个对穿孔。冻结按上仰、水平、下俯3种角度布置。冻结孔布置如
图2所示。
2.2 融沉注浆孔布置
根据以往工程经验
[9],并结合相关公式
[21]计算,3#联络通道冻结帷幕厚度设计为2.0 m。每个联络通道设计冻结时间为34 d,冻结孔单孔流量不小于5~7 m
3/h;积极冻结7 d盐水温度降至-18 ℃以下,积极冻结15 d盐水温度降至-24 ℃以下,开挖前盐水温度降至-28 ℃以下,冻结设计最低盐水温度为-28~-30 ℃
[22]。
单个联络通道冻结所需总冷量为8.6×104 kcal/h(1 kcal/h=4.184 kJ/h),冻结站选用JYSLGF300III 型螺杆机组1台套,盐水循环泵选用额定流量为160 m3/h的IS125-100-250J型1台,冷却水循环泵选用额定流量为100 m3/h的IS125-100-250J型1台,冷却塔2台。供液管选用Φ 48 mm×3.5 mm钢管,采用焊缝连接。
2.3 制冷设计
3#左、右线联络通道均预埋49个2寸注浆管(1寸=2.54 cm),深入钢格栅后,间距1.7 m。通道共布置6排注浆孔,每排7个;喇叭口共1排,每排7个,用于初期支护和冻土帷幕以及永久性结构之间的空隙。注浆按照由下而上的顺序,遵照多点、少量、多次、均匀的循序渐进原则进行。依据解冻情况,分区域针对注浆。注浆孔如
图2所示。
2.4 关键施工工序
为缩短联络通道施工时间,同时将施工对环境影响降到最低,提出“先下后上”开挖顺序、下洞冻结与上洞钻孔并行施工、下洞开挖与上洞冻结交叉施工等关键施工工序与控制技术,累计节约40%工期,既减少了施工对地层和周边建构筑物的持续扰动,又提高了施工效率。3#外挂式联络通道的工序控制如
图3所示。
在下洞联络通道开挖过程中,由于竖井空间狭小,难以构建上洞联络通道钻孔施工的平台。此外,为避免上洞联络通道钻孔施工对下洞联络通道冻结壁造成破坏,上洞联络通道钻孔施工需在下洞联络通道冻结壁完全冻结前完成。如果下洞联络通道冻结壁出现损伤,则可以有时间进行进一步的冻结修复。
在下洞通道开挖期间,同时进行上洞通道的冻结作业。下洞通道的开挖可能导致上部土层沉降,从而损坏上洞通道的冻结壁。此外,上洞通道的冻结过程会产生冻胀力,可能对下洞通道的开挖造成挤压,增加施工风险。因此,应在下洞通道开挖完成后再进行上洞通道的冻结作业,并在上洞通道冻结壁闭合前完成下洞通道的构筑施工。如果上洞通道冻结时间过早,长时间的冻结过程会导致地层冻胀力过大,可能破坏下洞通道的冻结帷幕,严重时甚至会导致开挖通道的坍塌。
此次施工采用自然解冻方法,利用信息化监测系统监测土体温度、沉降变化,利用深部注浆管进行压密注浆,进而控制地面和隧道的沉降变形。注浆以少量多次为原则,根据地面变形情况,调整劳动组织,适时进行反复注浆,直至地面变形基本稳定。当连续一个月每半个月地面沉降量保持在0.3 mm以内,累计沉降量小于1 mm,结束融沉注浆。融沉注浆孔布置如
图2所示。
2.5 外挂式联络通道的技术优势
图4为外挂式联络通道实际工程图。外挂式联络通道不仅体现了其在隧道检修、管线迁移减少、扩建潜力和通风优化方面的显著技术优势,还为复杂地下工程提供了创新性的解决方案。这种设计在功能性、适应性和可持续性方面表现出强大的优势,为现代城市轨道交通系统的发展提供了重要参考。此新型重叠隧道联络通道的优势如下。
(1) 提高隧道检修效率。外挂式联络通道的设计大大便利了隧道的日常检修工作。通过竖井部分,维护人员可以直接进入隧道中间段,特别是针对长距离重叠隧道中间位置,减少了因传统检修方式导致的绕行或停运等复杂操作。这种设计有效缩短了检修时间,降低了运营影响,并提升了隧道维护的安全性和效率。
(2) 减少对地下管线的影响。地铁线路通常依照地面道路的走向规划,而地面道路下方往往布设有复杂且密集的地下管线,如供水、排水、电力、通信等。修建传统联络通道通常需要大规模迁移这些管线,施工成本高且周期较长。而采用外挂式联络通道,将通道设置在道路一侧,不仅可以有效规避地下管线的集中区域,还能大幅减少管线迁移的工程量,降低施工对周边环境和城市运营的影响。
(3) 满足未来扩建需求。外挂式联络通道具有较强的灵活性和适应性,随着地铁线路的发展,可在其基础上进行改建。例如,未来可将其竖井和通道部分拓展为地铁站点的出入口或服务设施,为城市轨道交通的扩容提供了可行的解决方案。这种设计为地铁系统的长远发展留出了空间,具备较高的综合利用价值。
(4) 提升隧道通风能力。竖井部分还可作为隧道的辅助通风系统,显著改善隧道内的空气流通条件。通过合理设计,竖井可有效减小隧道内有害气体的浓度,提高隧道内空气质量,保障工作人员和乘客的安全与健康。同时,这种通风功能在隧道施工期间也能起到重要作用,尤其是在复杂地质条件下更为明显。
3 监测方案
3#外挂式联络通道周围存在大量地下管线,竖井周边建筑物密集,并且靠近天津地铁1号线的高架部分。联络通道施工会使相邻隧道结构产生相应变形
[23-25],为保障施工中隧道及相关构筑物的安全,需要对竖井周边的地表沉降、地下管线、地铁1号线高架墩柱、竖井围护结构以及既有隧道的净空收敛进行监测,对竖井周边地表沉降进行重点监测。
3.1 竖井基坑周边地表沉降监测
联络通道竖井周边的地表沉降监测断面沿基坑周边布设,垂直于基坑围护结构。3#基坑设置了3个监测断面,每个断面布置6个沉降点,测点间距分别为2、3、5、5、8和10 m。地表沉降监测点采用长度700 mm、直径20 mm的圆头钢钉或钢筋作为观测标志,测点埋设在原状土中。在硬化路面上,应钻孔至土体,测点布设低于路面5 cm,并用直径10 mm的钢管套打入地下加以保护。地面沉降监测点按设计埋设完毕后,需注意保护,以免破坏。在非硬化区域,直接使用长度700 mm、直径20 mm的圆头钢钉或钢筋布设。监测工作采用天宝DINI03电子水准仪进行。地面沉降监测点如
图5所示。
3.2 地铁1号线高架及地下管线沉降监测
从
图5中可以看出,3#外挂式联络通道紧靠天津地铁1号线高架部分。联络通道的施工对高架部分的沉降影响不可忽视。依据检测技术规范要求对影响范围内的墩柱进行监测,在墩柱两侧布设沉降监测点,每个墩柱对称位置布设2个测点。3#联络通道施工期间M1线布设4个墩柱,8个监测点,沉降监测点采用不锈钢标志钻孔布设。此外,联络通道修建范围内存在天然气、给水、污水等地下管线,基坑修建对周围产生的影响可能会对煤气等刚性管线产生不利影响。在基坑影响范围内的地下管线上布设沉降监测点,监测点布设于管线上方对应地表。地铁1号线墩柱沉降监测点及地下管线沉降监测点如
图5所示。
3.3 隧道净空收敛及竖井围护结构监测
在外挂式联络通道的施工过程中,选择了X1、X2、X3和X4共4个隧道断面,在拱腰位置布设隧道收敛监测点。每组监测点左右各布设一个测点,上下洞隧道各布设一组。监测工作从联络通道钻孔施工前开始,持续到融沉注浆结束。在下洞联络通道施工期间,仅对下洞隧道进行监测。
为分析外挂式联络通道施工对竖井围护结构的影响,对靠近联络通道部分的围护结构水平及竖向位移进行监测。围护桩顶竖向位移的监测点Q1、Q2布设在围护地连墙的冠梁上,水平及竖向位移采用同一监测点,以直观反映施工过程中竖井围护结构的变形。监测点位置插入预先准备好的顶部带十字丝的沉降标,监测点采用长度150 mm的A12圆头钢钉作为观测标志。重叠隧道净空收敛监测点及围护结构监测点布设如
图6所示。
4 施工期间地表位移实测分析
4.1 联络通道中轴线监测点地表沉降分析
3#外挂式联络通道施工工序复杂,从下洞联络通道钻孔施工到地层冻结形成帷幕,再到上洞联络通道开挖,其中多道工序交叉进行。为监测上下洞联络通道施工时地表位移变化,对联络通道中轴线地表监测点进行分析。
图7为联络通道中轴线地表监测点沉降曲线图。
外挂式联络通道施工过程中地表沉降可大致分为下洞钻孔微变阶段、下洞冻胀隆起阶段、上洞钻孔下沉阶段、下挖波动下沉阶段、上洞冻胀隆起阶段、上挖快速下沉阶段、上下注浆止沉阶段。各阶段施工工序如
图3所示。
下洞钻孔微变阶段:此阶段主要进行下洞联络通道冻结孔钻孔施工。由于钻孔过程对下部土层产生侧向力,导致土体被压缩;其次,钻孔过程中会发生空孔卸荷,因而在钻孔施工过程中,地表会产生沉降,沉降大约为1 mm,达到最大竖向位移值的18%。
下洞冻胀隆起阶段:此阶段进行下洞联络通道冻结,同时进行上洞联络通道钻孔。为避免上洞联络通道冻结孔钻孔施工对下洞冻结帷幕造成破坏,上洞联络通道钻孔要在下洞联络通道积极冻结前完成施工。随着冻结过程的推进,土体中的孔隙水逐渐冻结,形成冻结帷幕。由于水结冰时体积膨胀,引起土体体积的增大,从而导致联络通道产生竖向位移,同时地表出现隆起现象。实测数据显示,地表隆起幅度约为5 mm。联络通道中轴线地表监测点均出现最大竖向位移,最大竖向位移为5.55 mm,位于3-1监测点。
上洞钻孔下沉阶段:此时,下洞联络通道冻结帷幕尚未形成,进行上洞联络通道钻孔施工可避免在钻孔施工过程中对冻结帷幕造成破环。在上洞联络通道钻孔结束后,由于钻孔的空孔卸荷,联络通道中轴线地表隆起值减小,其减小值约为最大竖向位移值的36%,为第一次钻孔产生的沉降值的两倍,即2 mm。
下挖波动下沉阶段:此阶段主要进行上洞联络通道冻结,下洞联络通道开挖、构筑。上洞联络通道冻结过程中会造成地表发生隆起,而下洞联络通道的开挖导致联络通道顶部土体应力卸荷,引起地表沉降,土体在土体冻胀以及施工开挖后向洞内侧发生的变形叠加而出现曲折震荡,使得位移曲线起伏波动。从实测结果来看,上洞联络通道冻结对地表造成的隆起值小于下洞联络通道开挖造成的沉降值,地表隆起值最终较此阶段开始时减小3 mm。需注意的是此时下洞联络通道冻结尚未结束。
上洞冻胀隆起阶段:在此阶段,土体冻胀使得地表位移继续增大,随着冻结进入维护冻结阶段,地表位移变化趋于平缓。在该阶段地表产生的位移大约为2 mm,较下洞冻结产生的隆起值下降60%,这是由于在此阶段,下洞联络通道冻结帷幕解冻,土体开始固结沉降,抵消一部分因上洞冻结所产生的隆起值,较好地控制了地表位移变化。
上挖快速下沉阶段:此阶段主要进行上洞联络通道开挖、构筑,同时下洞联络通道进行融沉注浆。在此阶段,由于对下层联络通道土层进行融沉注浆,而此时下洞联络通道冻结帷幕尚未完全解冻,因而地表位移开始时下降幅度较小。随着上洞联络通道的开挖以及周围冻结土体解冻,地表竖向位移曲线开始出现迅速下降,沉降最大为5 mm,与下挖波动下沉阶段相比,该阶段沉降值增加66%,在实际施工中,要尤为注意此阶段地表位移,避免位移变化过快危害周边建筑物安全。
上下注浆止沉阶段:由于融沉主要发生在解冻后的前两个月,在此阶段,若不进行注浆,会使得地表沉降过大,影响周边建筑物的结构安全,因而上下联络通道融沉注浆至少60 d,通过注浆进行止沉,从而将地表沉降控制在允许范围内。
从
图7中可见,靠近竖井部分的监测点3-1的竖向位移在施工过程中多数时间大于监测点3-2的竖向位移,说明越靠近竖井,土体位移变化越显著。依据相关规范,地表沉降值要控制在-30~10 mm,而此次联络通道修建,地表最大竖向位移发生在第一次冻结期间,即下洞联络通道冻结期间,最大竖向位移为5.55 mm,表明此次外挂式联络通道所采用的施工工序较好地控制住了地表沉降。
4.2 竖井周边地表监测点沉降分析
为分析联络通道冻结施工对竖井部分周边环境影响,结合联络通道施工阶段对监测断面1(监测点1-1~1-6)及监测断面2(监测点2-1~2-6)沉降进行分析,
图8为联络通道冻结施工过程中竖井周边地表竖向位移图。
从竖井右侧监测点沉降曲线分析得到,在联络通道施工的各个阶段,竖井周边地表受到冻结法施工的影响,在距竖井中心20 m左右沉降监测点出现隆起最大值,最大隆起发生在上洞冻胀隆起阶段,最大竖向位移是联络通道中轴线地表最大位移的1.75倍,为9.72 mm。两次冻结之后,上下洞联络通道冻胀力所造成地表隆起经过叠加达到隆起最大值。
在联络通道施工过程中,新村路上方地表位移显著小于其他监测点位移,同时竖井与新村路之前的监测点竖向位移大于竖井右侧土体竖向位移。这是由于竖井左侧的新村路在施工过程中未进行封路,在车辆荷载作用下,新村路所在位置土体孔隙水压逐渐消散,进而被压缩产生地表沉降,在车辆荷载的作用下,竖井周边地表最大竖向位移位置向竖井方向发生偏移。新村路下方土体在车辆荷载作用下会发生孔压消散,对周边土体产生侧向压力,在该侧向压力与竖井围护结构共同作用下,竖井与新村路之间的土体水平位移受到约束,同时在联络通道冻结产生的冻胀力的作用下,土体变形在竖向位移上得以凸显,在竖井左侧7.5 m处土体竖向位移最大,车辆荷载使得竖井周边地表竖向位移增加2.19 mm,较竖井右侧最大竖向位移增加29.1%。
在外挂式联络通道施工过程中,距竖井中心25 m以外,其地表竖向位移小于3 mm,因而施工中竖井横向上土体沉降变形主要集中在竖井左右25 m范围内。竖井周边土体受到施工的影响在竖向位移上表现为隆起,并在二次隆起阶段会达到最大值。
4.3 地铁1号线高架位移分析
4.3.1 1号线高架截面分析
联络通道施工过程中,邻近的地铁1号线高架部分受到施工的影响,会发生小幅隆起。针对高架的结构安全问题,对邻近的地铁1号线高架部分墩柱竖向位移进行监测,
图9为联络通道施工各个阶段墩柱竖向位移曲线。可知,施工过程中,墩柱最大隆起值为1.25 mm,为联络通道中轴线地表最大位移的22.5%。竖向位移由最靠近联络通道的位置依次向周边递减。此外,在采用冻结法施工重叠隧道过程中,融沉注浆以及冻结过程中采用的交叉并行施工保障了周边结构的安全,周边的地表位移得到了有效的控制。
4.3.2 地铁高架与周边地表沉降对比分析
图10为外挂式联络通道施工过程中地铁1号线高架部分桥墩监测点4-3、5-3与桥墩周边地表沉降监测点3-5、3-6竖向位移曲线图。
可以看出,工程中采用的施工工序较好地控制了地铁1号线高架墩柱的竖向位移,墩柱监测点4-3及5-3竖向位移均控制在2 mm以内。施工过程中在联络通道纵向上墩柱两侧的竖向位移呈相反趋势,墩柱监测点各自对应的周边地表监测点竖向位移也呈相反趋势,即靠近联络通道一侧的墩柱监测点4-3与其邻近的地表监测点3-5隆起,而墩柱另一侧监测点5-3与其周边监测点5-3下沉。造成该现象的原因是在冻结施工中,冻胀力及施工扰动使得靠近联络通道一侧的土层呈现隆起,进而使得靠近联络通道一侧的墩柱向向远离联络通道一侧倾斜,墩柱两侧监测点竖向位移曲线呈现出不同的变形趋势。由于地铁1号线高架部分采用48 m的钻孔灌注桩,因而墩柱隆沉相对较小。
4.4 联络通道周边管线沉降分析
图11为地下管线监测点竖向位移曲线图。可以看出,联络通道周边地下管线受到联络通道施工影响,竖向位移曲线出现两次攀升,分别在下挖波动下沉阶段、上洞冻胀隆起阶段达到初次隆起峰值、二次隆起峰值。地下管线隆起最大值出现在上洞冻胀隆起阶段与上挖快速下沉阶段交界处,主要是由于此时上洞冻结进入积极维护阶段,冻胀帷幕形成,冻胀引起的地下管线变形达到二次隆起峰值。随着上洞联络通道的开挖,地下管线竖向位移在上挖快速下沉阶段逐渐减小。在此次监测过程中,地下管线累计沉降控制在±10 mm,单日沉降控制在±2 mm。因此,在外挂式联络通道施工中,对于地下管线,应在上洞冻胀隆起阶段开始之后加大监测频率,避免变形过快、过大从而破坏管道结构。
4.5 重叠隧道净空收敛分析
4.5.1 重叠隧道横向净空收敛分析
图12为外挂式联络通道施工过程中X1~X4监测断面上下洞隧道横向净空收敛散点图,正值代表隧道净空横向上向隧道内部进行收敛,由于多数监测值较为接近,为使隧道变形规律在图中更好地呈现,只对上下洞隧道收敛值进行区分并去除部分重叠点。
由
图12可见,在外挂式联络通道冻结施工过程中,隧道净空收敛基本为正值,即隧道横向上发生收敛,原因是在联络通道冻结过程中,联络通道冻结帷幕对隧道一侧的压力,使得靠近联络通道一侧的隧道管片不断受压,进而使得隧道净空收敛值增大。此外,隧道净空收敛最大值均发生于上洞冻胀隆起阶段,最大值为6 mm,该阶段隧道出现最大净空收敛值是由于在此阶段,下洞联络通道开挖结束后,土体未完全解冻,而在此阶段上洞联络通道开始进行冻结,上、下洞隧道侧方受到的冻胀力达到最大,使得隧道净空收敛达到最大。在上洞联络通道开挖后,随着隧道上覆土层卸荷以及冻胀帷幕的解冻,隧道净空收敛曲线逐渐平稳。在此阶段,应特别关注隧道的净空收敛,以防土体产生的冻胀力对隧道结构造成破坏。
4.5.2 重叠隧道拱顶、拱底竖向位移分析
图13为重叠隧道拱顶、拱底竖向位移图。下洞联络通道施工期间,仅对下洞隧道拱顶、拱底进行监测,上洞隧道拱顶、拱底位移监测自上洞联络通道钻孔开始后进行。正值代表隆起,负值代表沉降。
图14为隧道变形图。为使变形规律更加突出,仅考虑冻胀及开挖阶段隧道变形。
从实测结果(
图13)来看,上下洞隧道拱顶、拱底竖向位移基本控制在2 mm以内,这表明施工所采用的关键工序对于控制重叠隧道变形效果良好。上洞隧道X4截面拱顶及拱底位移偏大,这是由于此处隧道刚修建完,还在进行二次注浆,上洞隧道拱顶、拱底竖向位移在注浆的作用下变大。靠近联络通道中轴线的X3截面上下洞隧道拱顶、拱顶拱底变形较大,X2离联络通道中轴线较远,因而受到冻胀的影响较小,变形较小。
上洞隧道在上洞联络通道冻胀过程中拱顶会发生隆起,拱底发生沉降,结合隧道横向净空收敛变形规律看,上洞联络通道冻胀产生的冻胀力作用在上洞隧道水平方向,使得隧道呈现“竖鸭蛋”形,进而使得拱顶、拱底位移分别向上、向下发展。在上洞联络通道开挖之后,冻结帷幕与隧道接触面积减小,使得作用于隧道横向截面上的冻胀力有所减小,因而隧道横向收敛有所减小,拱顶、拱底位移值也相应减小,但周围土体尚处于冻结状态,位移仍未恢复至初始状态,如
图14所示。
在下洞联络通道冻结期间,冻胀力使得下洞隧道拱底沉降,拱顶隆起,而在上洞联络通道冻胀阶段,冻胀产生的冻胀力会对下洞隧道产生挤压,在此阶段,下洞隧道拱底、拱底竖向位移均表现为沉降。随着下洞联络通道的开挖,位移有所减小。需值得注意的是,解除冻胀之后,隧道拱顶、拱底竖向位移仍较冻结前有所变化,越靠近联络通道中轴线,隧道变形越大。
4.6 围护结构位移分析
图15为围护结构监测点Q1、Q2、Q3位移曲线图。
在联络通道修建过程中,竖井部分围护结构的水平位移较竖向位移变化明显,Q1、Q2、Q3监测点其水平位移在多数时间均大于竖向位移,其中靠近联络通道的监测点Q3水平位移波动较为明显,说明对于外挂式联络通,联络通道部分的施工对竖井部分的影响主要表现在水平方向,同时越靠近联络通道部分,位移变化越明显。
对于Q1、Q2监测点,融沉注浆(219 d)前其水平位移曲线总共经历了两次上升阶段,分别位于下洞联络通道冻结及上洞联络通道冻结期间,随着联络通道的开挖,其水平位移逐渐减小,原因是联络通道冻结产生的冻胀力对围护结构产生侧向压力,从而产生位移。伴随着上、下洞联络通道开挖卸荷,竖井围护结构水平位移恢复。需特别注意的是,在上下注浆止沉阶段,竖井围护结构水平位移会随着注浆的不断进行而增大,最大值为4.46 mm,位于Q2监测点,而位于联络通道中轴线处的Q3监测点在此期间其水平位移则伴随着的注浆的进行,逐渐恢复到一个稳定的值。
在施工过程中,Q3受到联络通道冻结产生的冻胀力影响,水平位移在Y正向上有所增加,随着上洞联络通道冻结结束,其水平位移在Y向上达到最大,最大为3.22 mm,而随着冻结帷幕的消失,其Y向位移逐渐减小。需值得注意的是,在这个过程中,Q1、Q2监测点其Y向上的水平位移并未出现与Q3相同的变化趋势,反而随着解冻其水平位移逐渐增大,朝着Y轴反方向移动,原因是上下联络通道构筑施工结束后,联络通道自身结构对竖井围护结构在Y向上有一定的支撑作用,因而在冻结结束之后其变形恢复至原位,而没有发生较大变形,而Q1、Q2监测点离联络通道中轴线有一定间隔,这种支撑作用较弱,因而在施工结束后Y方向出现较大位移。此外,由于Q1右侧、Q2左侧为空旷的竖井,因而Q1、Q2在施工过程中其位移分别较多向X正向、X负向上发展。
5 结论
对国内首例软土地区外挂式联络通道的施工关键技术进行了介绍,同时对外挂式联络通道施工的环境影响进行了实测分析,得出以下结论。
(1)联络通道冻结施工采用“先上后下”开挖顺序、下洞冻结与上洞钻孔并行施工、下洞开挖与上洞冻结交叉施工等关键施工工序使得上下洞联络通道施工产生的环境影响不利效应有一定的抵消作用,最大限度地降低了周边地层扰动,因此地铁1号线高架部分、既有隧道、竖井等邻近重要建构筑物的变形得到较好控制。
(2)新型联络通道施工过程中地表竖向位移总体可分为下洞钻孔微变阶段、上洞冻胀隆起阶段、下洞钻孔下沉阶段、下挖波动下沉阶段、上洞冻胀隆起阶段、上挖快速下沉阶段、上下注浆止沉阶段等7个阶段。
(3)外挂式联络通道施工过程中,地层与管线竖向位移先隆起后沉降,上下洞主隧道水平收敛、竖井围护结构水平位移等变形也表现为先增大后减小,地层和结构变形基本均在上洞冻胀隆起阶段达到最大,在此阶段应加强监测与控制,避免邻近结构损伤;在合理工序安排和融沉注浆等措施控制下,地层和结构最终变形均较小。
(4)外挂式联络通道施工导致上下洞主隧道水平方向产生收敛变形,隧道呈现“竖鸭蛋”形,并且该收敛变形先增大后减小,最终控制在3 mm以内。此外,在下洞联络通道冻结期间,下洞隧道拱底沉降,拱顶隆起,而在上洞联络通道冻胀阶段,下洞隧道拱底、拱底竖向位移均表现为沉降,但均控制在了2 mm以内。
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