地铁暗挖车站施工队下卧既有地铁的保护.pdf

文章编号1 0 0 9 - 7 7 6 72 0 0 60 1 - 0 0 1 1 - 0 4 地铁暗挖车站施工对下卧既有地铁的保护 杜华林 中铁隧道集团 北京中铁隧建筑有限公司,北京1 0 0 0 2 2 摘要以北京地铁五号线东单站施工对下卧既有地铁隧道的保护为工程背景,对既有线纵向变形的主要影响因素进 行分析, 提出了针对既有线的保护措施, 以减少在既有线上方暗挖车站施工引起的卸载回弹, 保证既有线隆起变形控制 在限制范围。 关键词地铁;暗挖车站;既有线;卸载;隆起;保护措施 中图分类号U 4 5 8 . 1文献标识码B P r o t e c t i n g E x i s t i n g S u b w a y L i n e f r o mt h e E x c a v a t i o n o f Me t r o S t a t i o n D UH u a - l i n 随着我国城市现代化水平的不断提高, 地铁建设 项目的数量和规模逐渐增大,地下空间的开发利用也 向多元化、 立体化方向发展, 常会出现新建地铁隧道 上穿既有地铁隧道这一新问题。 地铁对隧道结构的变 形要求极其严格,绝对最大位移不能超过2 0 m m,隧 道变形曲率半径必须大于1 5 0 0 0 m,相对弯曲变形 必须小于1 / 2 5 0 0。然而, 当在既有地铁隧道上方进 行新建地铁施工时, 对既有隧道的顶部卸载会引起既 有地铁结构的隆起变形。 本文以北京地铁五号线东单 站暗挖段施工为例,讨论采取综合保护措施对既有地 铁隧道隆起变形的控制。 1工程概况 北京地铁五号线东单站位于长安街东单十字路 口, 南北向布置, 车站采用两端头双层结构明挖、 中间跨 长安街单层结构暗挖的施工方法。车站暗挖段上穿既 有地铁一号线王府井东单区间隧道, 新旧线结构净 距仅为0 .6 m。车站暗挖段断面尺寸为2 3 .6 6 m 9 .8 3 m, 为单层一拱双柱复合衬砌结构型式, 埋深5 . 5 m, 采用 “中柱法” 施工。 既有线为双线单洞隧道, 线间距1 6 . 8 m, 为复合式衬砌结构, 断面为5 . 7 m 6 . 1 m, 马蹄形断面 型式。新建车站下卧部分的既有线还含有两条迂回风 道。暗挖车站与既有地铁隧道的关系见图1、 图2。 收稿日期2 0 0 5 - 0 7 - 1 8 作者简介杜华林1 9 7 7 - , 男, 四川广安人, 助理工程师, 学士, 北京 中铁隧建筑有限公司项目总工。 图1与既有线关系剖面图 暗挖车站上半断面位于粉土层和粉质粘土层, 下 半断面位于细砂层, 底板以下为厚4 . 0 m的卵石圆砾 层、 厚2 . 2 m的粉土层、 厚3 . 7 m的细中砂层、 厚7 . 0 m 第2 4卷第1期市政技术V o l . 2 4N o . 1 2 0 0 6年1月M u n i c i p a l E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g yJ a n u a r y , 2 0 0 6 市政技术第2 4卷 图2与既有线关系平面图 的卵石圆砾层。即既有隧道上半断面位于卵石圆砾 层, 下半断面位于粉土和细中砂层, 底板以下为细中 砂和卵石圆砾层。 潜水含水层为既有隧道上半断面所 处的卵石圆砾层, 承压水含水层为既有线隧道下半断 面所处的细中砂层。 2隆起变形预测及影响因素 在距离既有地铁隧道顶板仅0 . 6 m处进行新建 暗挖车站施工卸载, 对既有地铁的安全运营构成了威 胁,需要预测既有隧道受卸载影响的纵向变形量, 并 对既有隧道纵向变形量的影响因素进行剖析以提出 控制措施。 2 . 1用三维有限元分析预测变形 在三维地质建模和三维结构建模的基础上, 以真 实的洞室群造型和地质空间分布形状, 实时建立三维 有限元计算模型。 以地质建议的岩体物理力学参数为 前提, 根据开挖和支护工艺程序对洞室群进行三维弹 塑性数字模拟分析。经过模拟计算, 在不采取保护措 施的情况下, 既有线隧道结构最大隆起为2 8 m m。参 照地铁保护技术标准中关于 “地铁结构的绝对沉降 量及水平位移量≤2 0 m m” 的有关规定, 本工程既有 隧道结构隆起量超过了地铁要求保护的限值, 需要采 取专门的保护措施。 2 . 2既有隧道纵向变形的影响因素 既有隧道周边荷载变化会引起隧道纵向变形, 但 其内力分布、 变形特性和影响因素非常复杂。以弹性 地基梁理论为基础的解析方法概念明确,较符合隧道 与土体共同作用的实际情况, 可以对影响因素进行定 性的分析。根据Wi n k l e r弹性地基模型理论, 假设隧 道为弹性地基上的无限长梁, 则隧道变形沿其纵向的 分布如式1 所示 w x λ 2 K “ q ξ e - λx - ξ c o s λx - ξ s i n λx - ξd ξ1 式中λ为隧道纵向弹性特征系数,λ K 4 E I e q 4 ;E I e q 为隧道的等效抗弯刚度; K为单位长度地基的基床系 数, 与土体的抗剪强度指标C、φ等值有关;q ξ 为隧 道纵向荷载。 由式1 可知, 隧道的纵向变形随隧道周边土体 的抗剪强度指标C、φ等值变化,如果对新建车站底 部及既有隧道周边土体进行加固,可以提高土体的 C、φ值, 进而减小隧道的变形; 隧道的纵向变形还随 隧道卸载量变化,如果分阶段及时补偿部分卸载量, 可以减小隧道的变形; 另外, 地下水位的变化不仅导 致隧道纵向荷载变化, 而且还引起土体的抗剪强度指 标C、φ等值的变化。因此, 隧道纵向变形主要影响因 素为 暗挖车站结构参数 车站平面尺寸、 开挖高度、 总卸载量 、 暗挖车站底及既有隧道周边状况 土体性 质、 地下水位 、 暗挖车站施工参数 单次卸载量、 卸载 补偿量 。由于车站平面尺寸、 开挖高度、 总卸载量等 参数已经确定, 所以可从改变暗挖车站底部和既有隧 道周边土体性质、 改变单次卸载量、 及时补偿部分卸 载等方面来寻求控制既有隧道隆起的措施。 3保护措施 根据前面的分析, 结合暗挖车站洞内施工的特殊 性, 主要从调整暗挖施工顺序、 对卸载范围内的既有 线周边注浆、 对卸载范围设置预应力锚杆和调整降水 标高来控制既有隧道的隆起。而且, 在既有地铁隧道 上方如此近距离施工卸载,在国内还没有现成的经 1 2 2 0 0 6年第1期 验, 对地铁安全运行的风险太大, 必须有一个准确、 严 密的全过程监控手段。 3 . 1调整开挖衬砌施工顺序 既有线隧道的变形值随隧道上方卸载量的增大 而增大, 因此如果能控制隧道上方的卸载量, 则在控 制隧道隆起方面能有明显的效果, 所以有必要对开挖 衬砌的施工顺序进行调整。车站的开挖采用了 “中柱 法” 施工, 将整个断面开挖横向分为 侧洞、 柱洞和中 洞共5个洞,先自上而下对称施工柱洞初期支护, 再 由下而上施作柱洞二衬, 建立起梁、 柱支撑体系。 柱洞 完成后,施工两个柱洞中间的中洞的初期支护和二 衬, 形成整个大中洞稳定体系。再自上而下对称施工 两侧洞的初期支护, 最后纵向分段自下而上对称施作 二衬, 完成结构闭合。 按照这样施工顺序, 不但减小了 单次卸载量, 还可以实现在既有线上部土体开挖前先 对既有线进行加固, 任一洞室初支完成后即可设置预 应力锚杆、 施工二衬补偿卸载。形成了加固、 开挖、 补 偿、 再加固、 再开挖、 再补偿⋯⋯的卸载模式。开挖衬 砌施工顺序见图3。 3 . 2对既有线周边土体加固 对新建车站底部及既有隧道周边的土体进行注 浆加固, 提高新建车站底部及既有隧道周边土体的抗 剪强度指标C、φ等值。 1 土体加固设计参数 在五号线暗挖段导洞内, 对一号线上下行隧道之 间及侧壁1倍洞径范围内的土体进行注浆加固。 一号 线隧道加固的长度为暗挖车站下方及暗挖车站两侧 各延长6 . 0和6 . 4 9 m, 加固的深度为暗挖车站底板至 以下9 m 即一号线隧道底板以下2 . 3 m ; 注浆材料选 用超细水泥-水玻璃双液浆,注浆压力0 . 3 ～ 0 . 6 M P a。 注浆加固的范围见图4阴影部分。 2 土体加固施工 在距既有线6 m处停止开挖, 对既有线周边土体 进行超前注浆加固。 注浆加固既有线时采用二重管无 收缩双液注浆技术, 二重管钻机钻杆具有成孔和双液 注浆功能, 钻孔和注浆能连续、 快速进行, 确保注浆质 量。根据注浆压力、 地质参数及现场试验综合确定扩 散半径为0 . 3 m, 孔距采用0 . 5 m, 注浆时跳孔施工。 采 用后退式注浆, 后退幅度为1 5 ～ 3 0 c m。实行定量、 定 压注浆,使岩土层的空隙或孔隙间充满浆液并固化。 注浆施工前必须核清既有隧道的准确位置, 且不能采 用过高注浆压力, 以确保既有地铁隧道安全。 3 . 3设置预应力锚杆 根据分块开挖, 发生开挖卸载及时补偿卸载的原 则, 在导洞初期支护完成后, 开始在导洞内向下施工 预应力锚杆。 预应力锚杆群不但及时进行了部分卸载 补偿, 同时也起到了加固土层, 改善土层性状的作用。 1 预应力锚杆设计参数 在卸载影响范围 注浆加固范围 内设置预应力 拉锚, 拉锚一端固定于初期支护底板上。锚杆呈梅花 型布置,间距2 m2 m,锚杆长为1 5 m及1 0 m两 种, 贴近既有一号线区间侧采用长锚杆。暗挖车站边 缘锚杆为斜向外侧下方设置 与垂直方向夹角1 0 , 其余为垂直向下设置。杆体材料2 3 2钢筋, 锚杆全 长均为锚固段, 锚固体直径0 . 1 m, 锚杆轴向拉力设计 值2 3 0 k N。锚杆注浆材料为水泥浆, 其抗压强度不低 于3 0 M P a 见图4 。 2 预应力锚杆施工 由于洞内空间狭小, 选用锚杆钻机时必须考虑到 洞内尺寸, 必要时可以对钻杆进行改装。在暗挖导洞 内每开挖支护5 m施工一次锚杆, 保证从开挖卸载到 完成预应力锚杆补偿卸载之间尽可能小的时间间隔。 3 . 4调整降水标高 当隧道处在相对不透水土层中,水位的上升或下 降如同对隧道的加载或卸载。新建车站开挖前, 先降 水在既有隧道的底板以下, 相当于对既有隧道向下卸 载, 以平衡部分新建车站开挖时对既有隧道向上的卸 载。 同时, 既有隧道周边的土体水疏干后, 也提高了土 体的抗剪强度, 增强了抵抗卸载变形的能力。 3 . 5采用远程监控量测 在暗挖车站施工期间, 必须对既有地铁进行全天 候的实时监控量测, 传统监测技术在高密度的行车区 图3开挖衬砌施工顺序图 图4注浆范围及锚杆布置图 地铁暗挖车站施工对下卧既有地铁的保护 1 3 市政技术第2 4卷 上接第1 0页 产生的效果也是不同的, 其中对拱部和边墙均注浆的 方式最优。 随着注浆厚度的增大, 地表最大下沉和建筑物基 础最大沉降差相应减小, 但是, 过大的注浆厚度是不 经济的, 而且施工干扰大、 工期长。 3 . 5建议方案 通过上述分析, 喷混凝土厚度对控制地表下沉和 建筑基础沉降差的影响是微弱的,不宜太厚, 取 0 . 2m。 设置地下连续墙虽然能有效控制建筑物基础沉 降差, 但对地面最大沉降的控制效果不明显, 考虑到 造价高等因素, 建议不选用。 注浆加固围岩方式无论对控制地表沉降, 还是控 制建筑物基础沉降差都是很有效的, 可以采用。考虑 经济因素和规范要求,选用对拱部及边墙注浆的方 式, 注浆厚度取1 . 0 m。 实践证明建议采用方案效果明显,满足工程要 求。 在该方案下, 地面最大沉降1 7 . 9 m m,建筑物基础 沉降差3 . 0 m m。 4结语 邻近建筑物的隧洞施工, 控制地表下沉及建筑物 基础沉降是施工成败的关键, 而控制地表下沉关键是 控制围岩松弛, 也就是提高围岩自身的承载能力。本 文基于确定性弹塑性有限元法, 研究了几种影响地面 变形的因素。 从中可以看出 对于控制地表下沉, 注浆 加固围岩最为敏感;对于控制建筑物基础沉降差, 注 浆加固围岩和地下连续墙敏感程度相当。 参考文献 [ 1 ]D e s a i .有限元素法引论中译本 [ M ] .北京科学出版社, 1 9 7 8 . [ 2 ]朱维申,何满潮.复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力 学[ M ] .北京科学出版社, 1 9 9 6 . [ 3 ]王敏强, 陈胜宏.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真 [ J ] .岩石力学与工程学报,2 0 0 2,2 1 2 2 2 8 - 2 3 2 . 间内无法实施, 且不能满足对大量数据采集、 分析以 及及时准确的反馈, 因此采用远程自动化监测系统对 既有线的结构和轨道变形进行2 4 h监控量测。该系 统由在量测部位安装的测量元件、 数据传输线、 监控 室的终端计算机组成。监测项目如下 1 既有隧道结构变形监测 结构沉降监测采用静力水准仪。以新建车站下 3 3 m长的既有隧道为重点监测区域, 上、 下行线共布 设2 4个测点。 以2个结构缝处为重点监测对象, 在结 构缝的两侧各布设1个测点。 针对施工可能影响到变 形缝之间的胀缩, 采用测缝计进行测量, 每道变形缝 上布设2只测缝计。 2 轨道变形监测 ①走行轨结构纵向变形监测。本项观测为监测 重点, 因静力水准仪的精度在沉陷量传递中精度明显 高于水平梁式倾斜仪, 故轨道变形监测采用在地铁排 水沟中布设静力水准系统的方法进行监测。 以新建车 站下3 3 m长的既有隧道为重点监测区域, 上、 下行线 共布设1 6个沉降测点,该系统同时可监测走行轨结 构变形缝处的不均匀沉降。 ②采用变位计监测走行轨水平间距的相对变形, 沉降测点上、 下行轨共布设6只。 ③采用梁式倾斜仪监测走行轨左右水平的相对 变形, 沉降测点上、 下行轨共布设6只。 4结语 既有运营地铁隧道对变形要求极其严格, 如何有 效控制其纵向变形需要前瞻性和系统性。 适当对既有 隧道上方及两侧土体进行加固以及增加抗隆起设计 是控制隧道隆起的一种较为有效的控制手段。 土体加 固的目的是为了改善土体的力学参数, 以期以注浆加 固土体与预应力锚杆的共同作用来控制隧道的变形, 但是, 不恰当的施工参数和工序反而会引起更大的隆 起变形。利用自动化监测系统掌握隧道变形情况, 对 监测施工、 保证地铁运营安全至关重要, 必须有一个 绝对负责的全过程监控核心组织。 本文结合北京地铁五号线东单暗挖车站施工对 下卧既有隧道的保护, 分析了影响既有隧道卸载变形 的主要因素, 提出了系统性的保护措施, 希望能对类 似工程的设计和施工参考。 参考文献 [ 1 ]潘钟麒.上海世纪大道某立交工程地下箱涵施工对地铁保 护的研究[ J ] .特种结构, 2 0 0 1 , 1 8 4 3 9 - 4 3 . 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