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摘要:以北京地鐵五號線東單站施工對下臥既有地鐵隧道的保護為工程背景,對既有線縱向變形的主要影響因素進行分析,提出了針對既有線的保護措施,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。

關鍵詞:地鐵;暗挖車站;既有線;卸載;隆起;保護措施

隨著我國城市現(xiàn)代化水平的不斷提高,地鐵建設項目的數(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。地鐵對隧道結構的變形要求極其嚴格,絕對最大位移不能超過20mm,隧道變形曲率半徑必須大于15000m,相對彎曲變形必須小于1/2500。然而,當在既有地鐵隧道上方進行新建地鐵施工時,對既有隧道的頂部卸載會引起既有地鐵結構的隆起變形。本文以北京地鐵五號線東單站暗挖段施工為例,討論采取綜合保護措施對既有地鐵隧道隆起變形的控制。

1工程概況

北京地鐵五號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構明挖、中間跨長安街單層結構暗挖的施工方法。車站暗挖段上穿既有地鐵一號線王府井—東單區(qū)間隧道,新舊線結構凈距僅為0.6m。車站暗挖段斷面尺寸為23.66m×9.83m,為單層一拱雙柱復合襯砌結構型式,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,為復合式襯砌結構,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道。暗挖車站與既有地鐵隧道的關系見圖1、圖2。

暗挖車站上半斷面位于粉土層和粉質粘土層,下半斷面位于細砂層,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中砂層,底板以下為細中砂和卵石圓礫層。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中砂層。

2隆起變形預測及影響因素

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

2.1用三維有限元分析預測變形

在三維地質建模和三維結構建模的基礎上,以真實的洞室群造型和地質空間分布形狀,實時建立三維有限元計算模型。以地質建議的巖體物理力學參數(shù)為前提,根據(jù)開挖和支護工藝程序對洞室群進行三維彈塑性數(shù)字模擬分析。經(jīng)過模擬計算,在不采取保護措施的情況下,既有線隧道結構最大隆起為28mm。參照地鐵保護技術標準中關于“地鐵結構的絕對沉降量及水平位移量≤20mm”的有關規(guī)定,本工程既有隧道結構隆起量超過了地鐵要求保護的限值,需要采取專門的保護措施。

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引起隧道縱向變形,但其內力分布、變形特性和影響因素非常復雜。以彈性地基梁理論為基礎的解析方法概念明確,較符合隧道與土體共同作用的實際情況,可以對影響因素進行定性的分析。根據(jù)Winkler彈性地基模型理論,假設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),與土體的抗剪強度指標C、φ等值有關;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度指標C、φ等值變化,如果對新建車站底部及既有隧道周邊土體進行加固,可以提高土體的C、φ值,進而減小隧道的變形;隧道的縱向變形還隨隧道卸載量變化,如果分階段及時補償部分卸載量,可以減小隧道的變形;另外,地下水位的變化不僅導致隧道縱向荷載變化,而且還引起土體的抗剪強度指標C、φ等值的變化。因此,隧道縱向變形主要影響因素為:暗挖車站結構參數(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、地下水位)、暗挖車站施工參數(shù)(單次卸載量、卸載補償量)。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、改變單次卸載量、及時補償部分卸載等方面來尋求控制既有隧道隆起的措施。

3保護措施

根據(jù)前面的分析,結合暗挖車站洞內施工的特殊性,主要從調整暗挖施工順序、對卸載范圍內的既有線周邊注漿、對卸載范圍設置預應力錨桿和調整降水標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,在國內還沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗,對地鐵安全運行的風險太大,必須有一個準確、嚴密的全過程監(jiān)控手段。

3.1調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,所以有必要對開挖襯砌的施工順序進行調整。車站的開挖采用了“中柱法”施工,將整個斷面開挖橫向分為:側洞、柱洞和中洞共5個洞,先自上而下對稱施工柱洞初期支護,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,施工兩個柱洞中間的中洞的初期支護和二襯,形成整個大中洞穩(wěn)定體系。再自上而下對稱施工兩側洞的初期支護,最后縱向分段自下而上對稱施作二襯,完成結構閉合。按照這樣施工順序,不但減小了單次卸載量,還可以實現(xiàn)在既有線上部土體開挖前先對既有線進行加固,任一洞室初支完成后即可設置預應力錨桿、施工二襯補償卸載。形成了加固、開挖、補償、再加固、再開挖、再補償……的卸載模式。開挖襯砌施工順序見圖3。

3.2對既有線周邊土體加固

對新建車站底部及既有隧道周邊的土體進行注漿加固,提高新建車站底部及既有隧道周邊土體的抗剪強度指標C、φ等值。

(1)土體加固設計參數(shù)

在五號線暗挖段導洞內,對一號線上下行隧道之間及側壁1倍洞徑范圍內的土體進行注漿加固。一號線隧道加固的長度為暗挖車站下方及暗挖車站兩側各延長6.0和6.49m,加固的深度為暗挖車站底板至以下9m(即一號線隧道底板以下2.3m);注漿材料選用超細水泥-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,對既有線周邊土體進行超前注漿加固。注漿加固既有線時采用二重管無收縮雙液注漿技術,二重管鉆機鉆桿具有成孔和雙液注漿功能,鉆孔和注漿能連續(xù)、快速進行,確保注漿質量。根據(jù)注漿壓力、地質參數(shù)及現(xiàn)場試驗綜合確定擴散半徑為0.3m,孔距采用0.5m,注漿時跳孔施工。采用后退式注漿,后退幅度為15～30cm。實行定量、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設置預應力錨桿

根據(jù)分塊開挖,發(fā)生開挖卸載及時補償卸載的原則,在導洞初期支護完成后,開始在導洞內向下施工預應力錨桿。預應力錨桿群不但及時進行了部分卸載補償,同時也起到了加固土層,改善土層性狀的作用。

(1)預應力錨桿設計參數(shù)

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

(2)預應力錨桿施工

由于洞內空間狹小,選用錨桿鉆機時必須考慮到洞內尺寸,必要時可以對鉆桿進行改裝。在暗挖導洞內每開挖支護5m施工一次錨桿,保證從開挖卸載到完成預應力錨桿補償卸載之間盡可能小的時間間隔。

3.4調整降水標高

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

3.5采用遠程監(jiān)控量測

在暗挖車站施工期間,必須對既有地鐵進行全天候的實時監(jiān)控量測,傳統(tǒng)監(jiān)測技術在高密度的行車區(qū)間內無法實施,且不能滿足對大量數(shù)據(jù)采集、分析以及及時準確的反饋,因此采用遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)對既有線的結構和軌道變形進行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)控室的終端計算機組成。監(jiān)測項目如下:

(1)既有隧道結構變形監(jiān)測

結構沉降監(jiān)測采用靜力水準儀。以新建車站下33m長的既有隧道為重點監(jiān)測區(qū)域,上、下行線共布設24個測點。以2個結構縫處為重點監(jiān)測對象,在結構縫的兩側各布設1個測點。針對施工可能影響到變形縫之間的脹縮,采用測縫計進行測量,每道變形縫上布設2只測縫計。

(2)軌道變形監(jiān)測

①走行軌結構縱向變形監(jiān)測。本項觀測為監(jiān)測重點,因靜力水準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靜力水準系統(tǒng)的方法進行監(jiān)測。以新建車站下33m長的既有隧道為重點監(jiān)測區(qū)域,上、下行線共布設16個沉降測點,該系統(tǒng)同時可監(jiān)測走行軌結構變形縫處的不均勻沉降。

②采用變位計監(jiān)測走行軌水平間距的相對變形,沉降測點上、下行軌共布設6只。

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

4結語

既有運營地鐵隧道對變形要求極其嚴格,如何有效控制其縱向變形需要前瞻性和系統(tǒng)性。適當對既有隧道上方及兩側土體進行加固以及增加抗隆起設計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參數(shù),以期以注漿加固土體與預應力錨桿的共同作用來控制隧道的變形,但是,不恰當?shù)氖┕?shù)和工序反而會引起更大的隆起變形。利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)掌握隧道變形情況,對監(jiān)測施工、保證地鐵運營安全至關重要,必須有一個絕對負責的全過程監(jiān)控核心組織。

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

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