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摘要:以北京地鐵五號(hào)線東單站施工對(duì)下臥既有地鐵隧道的保護(hù)為工程背景,對(duì)既有線縱向變形的主要影響因素進(jìn)行分析,提出了針對(duì)既有線的保護(hù)措施,以減少在既有線上方暗挖車站施工引起的卸載回彈,保證既有線隆起變形控制在限制范圍。

關(guān)鍵詞:地鐵;暗挖車站;既有線;卸載;隆起;保護(hù)措施

隨著我國城市現(xiàn)代化水平的不斷提高,地鐵建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)量和規(guī)模逐漸增大,地下空間的開發(fā)利用也向多元化、立體化方向發(fā)展,常會(huì)出現(xiàn)新建地鐵隧道上穿既有地鐵隧道這一新問題。地鐵對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形要求極其嚴(yán)格,絕對(duì)最大位移不能超過20mm,隧道變形曲率半徑必須大于15000m,相對(duì)彎曲變形必須小于1/2500。然而,當(dāng)在既有地鐵隧道上方進(jìn)行新建地鐵施工時(shí),對(duì)既有隧道的頂部卸載會(huì)引起既有地鐵結(jié)構(gòu)的隆起變形。本文以北京地鐵五號(hào)線東單站暗挖段施工為例,討論采取綜合保護(hù)措施對(duì)既有地鐵隧道隆起變形的控制。

1工程概況

北京地鐵五號(hào)線東單站位于長安街東單十字路口,南北向布置,車站采用兩端頭雙層結(jié)構(gòu)明挖、中間跨長安街單層結(jié)構(gòu)暗挖的施工方法。車站暗挖段上穿既有地鐵一號(hào)線王府井—東單區(qū)間隧道,新舊線結(jié)構(gòu)凈距僅為0.6m。車站暗挖段斷面尺寸為23.66m×9.83m,為單層一拱雙柱復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)型式,埋深5.5m,采用“中柱法”施工。既有線為雙線單洞隧道,線間距16.8m,為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),斷面為5.7m×6.1m,馬蹄形斷面型式。新建車站下臥部分的既有線還含有兩條迂回風(fēng)道。暗挖車站與既有地鐵隧道的關(guān)系見圖1、圖2。

暗挖車站上半斷面位于粉土層和粉質(zhì)粘土層,下半斷面位于細(xì)砂層,底板以下為厚4.0m的卵石圓礫層、厚2.2m的粉土層、厚3.7m的細(xì)中砂層、厚7.0m的卵石圓礫層。即既有隧道上半斷面位于卵石圓礫層,下半斷面位于粉土和細(xì)中砂層,底板以下為細(xì)中砂和卵石圓礫層。潛水含水層為既有隧道上半斷面所處的卵石圓礫層,承壓水含水層為既有線隧道下半斷面所處的細(xì)中砂層。

2隆起變形預(yù)測及影響因素

在距離既有地鐵隧道頂板僅0.6m處進(jìn)行新建暗挖車站施工卸載,對(duì)既有地鐵的安全運(yùn)營構(gòu)成了威脅,需要預(yù)測既有隧道受卸載影響的縱向變形量,并對(duì)既有隧道縱向變形量的影響因素進(jìn)行剖析以提出控制措施。

2.1用三維有限元分析預(yù)測變形

在三維地質(zhì)建模和三維結(jié)構(gòu)建模的基礎(chǔ)上,以真實(shí)的洞室群造型和地質(zhì)空間分布形狀,實(shí)時(shí)建立三維有限元計(jì)算模型。以地質(zhì)建議的巖體物理力學(xué)參數(shù)為前提,根據(jù)開挖和支護(hù)工藝程序?qū)Χ词胰哼M(jìn)行三維彈塑性數(shù)字模擬分析。經(jīng)過模擬計(jì)算,在不采取保護(hù)措施的情況下,既有線隧道結(jié)構(gòu)最大隆起為28mm。參照地鐵保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于“地鐵結(jié)構(gòu)的絕對(duì)沉降量及水平位移量≤20mm”的有關(guān)規(guī)定,本工程既有隧道結(jié)構(gòu)隆起量超過了地鐵要求保護(hù)的限值,需要采取專門的保護(hù)措施。

2.2既有隧道縱向變形的影響因素

既有隧道周邊荷載變化會(huì)引起隧道縱向變形,但其內(nèi)力分布、變形特性和影響因素非常復(fù)雜。以彈性地基梁理論為基礎(chǔ)的解析方法概念明確,較符合隧道與土體共同作用的實(shí)際情況,可以對(duì)影響因素進(jìn)行定性的分析。根據(jù)Winkler彈性地基模型理論,假設(shè)隧道為彈性地基上的無限長梁,則隧道變形沿其縱向的分布如式(1)所示:

為隧道的等效抗彎剛度;K為單位長度地基的基床系數(shù),與土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C、φ等值有關(guān);q(ξ)為隧道縱向荷載。

由式(1)可知,隧道的縱向變形隨隧道周邊土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C、φ等值變化,如果對(duì)新建車站底部及既有隧道周邊土體進(jìn)行加固,可以提高土體的C、φ值,進(jìn)而減小隧道的變形;隧道的縱向變形還隨隧道卸載量變化,如果分階段及時(shí)補(bǔ)償部分卸載量,可以減小隧道的變形;另外,地下水位的變化不僅導(dǎo)致隧道縱向荷載變化,而且還引起土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C、φ等值的變化。因此,隧道縱向變形主要影響因素為:暗挖車站結(jié)構(gòu)參數(shù)(車站平面尺寸、開挖高度、總卸載量)、暗挖車站底及既有隧道周邊狀況(土體性質(zhì)、地下水位)、暗挖車站施工參數(shù)(單次卸載量、卸載補(bǔ)償量)。由于車站平面尺寸、開挖高度、總卸載量等參數(shù)已經(jīng)確定,所以可從改變暗挖車站底部和既有隧道周邊土體性質(zhì)、改變單次卸載量、及時(shí)補(bǔ)償部分卸載等方面來尋求控制既有隧道隆起的措施。

3保護(hù)措施

根據(jù)前面的分析,結(jié)合暗挖車站洞內(nèi)施工的特殊性,主要從調(diào)整暗挖施工順序、對(duì)卸載范圍內(nèi)的既有線周邊注漿、對(duì)卸載范圍設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿和調(diào)整降水標(biāo)高來控制既有隧道的隆起。而且,在既有地鐵隧道上方如此近距離施工卸載,在國內(nèi)還沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn),對(duì)地鐵安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)太大,必須有一個(gè)準(zhǔn)確、嚴(yán)密的全過程監(jiān)控手段。

3.1調(diào)整開挖襯砌施工順序

既有線隧道的變形值隨隧道上方卸載量的增大而增大,因此如果能控制隧道上方的卸載量,則在控制隧道隆起方面能有明顯的效果,所以有必要對(duì)開挖襯砌的施工順序進(jìn)行調(diào)整。車站的開挖采用了“中柱法”施工,將整個(gè)斷面開挖橫向分為:側(cè)洞、柱洞和中洞共5個(gè)洞,先自上而下對(duì)稱施工柱洞初期支護(hù),再由下而上施作柱洞二襯,建立起梁、柱支撐體系。柱洞完成后,施工兩個(gè)柱洞中間的中洞的初期支護(hù)和二襯,形成整個(gè)大中洞穩(wěn)定體系。再自上而下對(duì)稱施工兩側(cè)洞的初期支護(hù),最后縱向分段自下而上對(duì)稱施作二襯,完成結(jié)構(gòu)閉合。按照這樣施工順序,不但減小了單次卸載量,還可以實(shí)現(xiàn)在既有線上部土體開挖前先對(duì)既有線進(jìn)行加固,任一洞室初支完成后即可設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿、施工二襯補(bǔ)償卸載。形成了加固、開挖、補(bǔ)償、再加固、再開挖、再補(bǔ)償……的卸載模式。開挖襯砌施工順序見圖3。

3.2對(duì)既有線周邊土體加固

對(duì)新建車站底部及既有隧道周邊的土體進(jìn)行注漿加固,提高新建車站底部及既有隧道周邊土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C、φ等值。

(1)土體加固設(shè)計(jì)參數(shù)

在五號(hào)線暗挖段導(dǎo)洞內(nèi),對(duì)一號(hào)線上下行隧道之間及側(cè)壁1倍洞徑范圍內(nèi)的土體進(jìn)行注漿加固。一號(hào)線隧道加固的長度為暗挖車站下方及暗挖車站兩側(cè)各延長6.0和6.49m,加固的深度為暗挖車站底板至以下9m(即一號(hào)線隧道底板以下2.3m);注漿材料選用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿,注漿壓力0.3～0.6MPa。注漿加固的范圍見圖4陰影部分。

(2)土體加固施工

在距既有線6m處停止開挖,對(duì)既有線周邊土體進(jìn)行超前注漿加固。注漿加固既有線時(shí)采用二重管無收縮雙液注漿技術(shù),二重管鉆機(jī)鉆桿具有成孔和雙液注漿功能,鉆孔和注漿能連續(xù)、快速進(jìn)行,確保注漿質(zhì)量。根據(jù)注漿壓力、地質(zhì)參數(shù)及現(xiàn)場試驗(yàn)綜合確定擴(kuò)散半徑為0.3m,孔距采用0.5m,注漿時(shí)跳孔施工。采用后退式注漿,后退幅度為15～30cm。實(shí)行定量、定壓注漿,使巖土層的空隙或孔隙間充滿漿液并固化。注漿施工前必須核清既有隧道的準(zhǔn)確位置,且不能采用過高注漿壓力,以確保既有地鐵隧道安全。

3.3設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿

根據(jù)分塊開挖,發(fā)生開挖卸載及時(shí)補(bǔ)償卸載的原則,在導(dǎo)洞初期支護(hù)完成后,開始在導(dǎo)洞內(nèi)向下施工預(yù)應(yīng)力錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿群不但及時(shí)進(jìn)行了部分卸載補(bǔ)償,同時(shí)也起到了加固土層,改善土層性狀的作用。

(1)預(yù)應(yīng)力錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)

在卸載影響范圍(注漿加固范圍)內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉錨,拉錨一端固定于初期支護(hù)底板上。錨桿呈梅花型布置,間距2m×2m,錨桿長為15m及10m兩種,貼近既有一號(hào)線區(qū)間側(cè)采用長錨桿。暗挖車站邊緣錨桿為斜向外側(cè)下方設(shè)置(與垂直方向夾角10°),其余為垂直向下設(shè)置。桿體材料2!32鋼筋,錨桿全長均為錨固段,錨固體直徑0.1m,錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值230kN。錨桿注漿材料為水泥漿,其抗壓強(qiáng)度不低于30MPa(見圖4)。

(2)預(yù)應(yīng)力錨桿施工

由于洞內(nèi)空間狹小,選用錨桿鉆機(jī)時(shí)必須考慮到洞內(nèi)尺寸,必要時(shí)可以對(duì)鉆桿進(jìn)行改裝。在暗挖導(dǎo)洞內(nèi)每開挖支護(hù)5m施工一次錨桿,保證從開挖卸載到完成預(yù)應(yīng)力錨桿補(bǔ)償卸載之間盡可能小的時(shí)間間隔。

3.4調(diào)整降水標(biāo)高

當(dāng)隧道處在相對(duì)不透水土層中,水位的上升或下降如同對(duì)隧道的加載或卸載。新建車站開挖前,先降水在既有隧道的底板以下,相當(dāng)于對(duì)既有隧道向下卸載,以平衡部分新建車站開挖時(shí)對(duì)既有隧道向上的卸載。同時(shí),既有隧道周邊的土體水疏干后,也提高了土體的抗剪強(qiáng)度,增強(qiáng)了抵抗卸載變形的能力。超級(jí)秘書網(wǎng)

3.5采用遠(yuǎn)程監(jiān)控量測

在暗挖車站施工期間,必須對(duì)既有地鐵進(jìn)行全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控量測,傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在高密度的行車區(qū)間內(nèi)無法實(shí)施,且不能滿足對(duì)大量數(shù)據(jù)采集、分析以及及時(shí)準(zhǔn)確的反饋,因此采用遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)既有線的結(jié)構(gòu)和軌道變形進(jìn)行24h監(jiān)控量測。該系統(tǒng)由在量測部位安裝的測量元件、數(shù)據(jù)傳輸線、監(jiān)控室的終端計(jì)算機(jī)組成。監(jiān)測項(xiàng)目如下:

(1)既有隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測采用靜力水準(zhǔn)儀。以新建車站下33m長的既有隧道為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域,上、下行線共布設(shè)24個(gè)測點(diǎn)。以2個(gè)結(jié)構(gòu)縫處為重點(diǎn)監(jiān)測對(duì)象,在結(jié)構(gòu)縫的兩側(cè)各布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)。針對(duì)施工可能影響到變形縫之間的脹縮,采用測縫計(jì)進(jìn)行測量,每道變形縫上布設(shè)2只測縫計(jì)。

(2)軌道變形監(jiān)測

①走行軌結(jié)構(gòu)縱向變形監(jiān)測。本項(xiàng)觀測為監(jiān)測重點(diǎn),因靜力水準(zhǔn)儀的精度在沉陷量傳遞中精度明顯高于水平梁式傾斜儀,故軌道變形監(jiān)測采用在地鐵排水溝中布設(shè)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的方法進(jìn)行監(jiān)測。以新建車站下33m長的既有隧道為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域,上、下行線共布設(shè)16個(gè)沉降測點(diǎn),該系統(tǒng)同時(shí)可監(jiān)測走行軌結(jié)構(gòu)變形縫處的不均勻沉降。

②采用變位計(jì)監(jiān)測走行軌水平間距的相對(duì)變形,沉降測點(diǎn)上、下行軌共布設(shè)6只。

③采用梁式傾斜儀監(jiān)測走行軌左右水平的相對(duì)變形,沉降測點(diǎn)上、下行軌共布設(shè)6只。

4結(jié)語

既有運(yùn)營地鐵隧道對(duì)變形要求極其嚴(yán)格,如何有效控制其縱向變形需要前瞻性和系統(tǒng)性。適當(dāng)對(duì)既有隧道上方及兩側(cè)土體進(jìn)行加固以及增加抗隆起設(shè)計(jì)是控制隧道隆起的一種較為有效的控制手段。土體加固的目的是為了改善土體的力學(xué)參數(shù),以期以注漿加固土體與預(yù)應(yīng)力錨桿的共同作用來控制隧道的變形,但是,不恰當(dāng)?shù)氖┕?shù)和工序反而會(huì)引起更大的隆起變形。利用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)掌握隧道變形情況,對(duì)監(jiān)測施工、保證地鐵運(yùn)營安全至關(guān)重要,必須有一個(gè)絕對(duì)負(fù)責(zé)的全過程監(jiān)控核心組織。

本文結(jié)合北京地鐵五號(hào)線東單暗挖車站施工對(duì)下臥既有隧道的保護(hù),分析了影響既有隧道卸載變形的主要因素,提出了系統(tǒng)性的保護(hù)措施,希望能對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和施工參考。

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