1、地鐵暗挖車站施工對下臥既有地鐵的保護(hù) 以北京地鐵五號線東單站施工對下臥既有地鐵隧道的愛護(hù)為工程背景, 對既有線縱向變形的主要影響因素進(jìn)行分析, 提出了針對既有線的愛護(hù)措施, 以削減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掌握在限制范圍。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)模漸漸增大, 地下空間的開發(fā)利用也向多元化、立體化方向進(jìn)展, 常會消失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(jié)構(gòu)的變形要求極其嚴(yán)格, 肯定最大位移不能超過 20 mm , 隧道變形曲率半徑必需大于 15 000 m , 相對彎曲變形必需小于 1/ 2 500 。然而, 當(dāng)在

2、既有地鐵隧道上方進(jìn)行新建地鐵施工時(shí), 對既有隧道的頂部卸載會引起既有地鐵結(jié)構(gòu)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, 爭論實(shí)行綜合愛護(hù)措施對既有地鐵隧道隆起變形的掌握。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, 車站采納兩端頭雙層結(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 5.5 m, 采納“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

3、 5.7 m×6.1 m, 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。 <CENTER</CENTER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 4.0 m 的卵石圓礫層、厚 2.2 m 的粉土層、厚 3.7 m 的細(xì)中砂層、厚 7.0 m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。 <CENTER</C

4、ENTER2 隆起變形猜測及影響因素在距離既有地鐵隧道頂板僅 0.6 m 處進(jìn)行新建暗挖車站施工卸載, 對既有地鐵的平安運(yùn)營構(gòu)成了威逼, 需要猜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(jìn)行剖析以提出掌握措施。2. 1 用三維有限元分析猜測變形在三維地質(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)空間分布外形, 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, 依據(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, 在不實(shí)行愛護(hù)措施的狀況下, 既有線隧道結(jié)構(gòu)最大隆起為 28 mm。參照地鐵愛護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于 “地鐵結(jié)構(gòu)的肯定

5、沉降量及水平位移量20 mm”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愛護(hù)的限值, 需要實(shí)行特地的愛護(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引起隧道縱向變形, 但其內(nèi)力分布、變形特性和影響因素特別簡單。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)際狀況, 可以對影響因素進(jìn)行定性的分析。依據(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: <CENTER</CENTER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、等值有關(guān)

6、; q()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、等值變化, 假如對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、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, 假如分階段準(zhǔn)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、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

7、挖高度、總卸載量等參數(shù)已經(jīng)確定, 所以可從轉(zhuǎn)變暗挖車站底部和既有隧道周邊土體性質(zhì)、轉(zhuǎn)變單次卸載量、準(zhǔn)時(shí)補(bǔ)償部分卸載等方面來尋求掌握既有隧道隆起的措施。 <CENTER</CENTER3 愛護(hù)措施依據(jù)前面的分析, 結(jié)合暗挖車站洞內(nèi)施工的特別性, 主要從調(diào)整暗挖施工挨次、對卸載范圍內(nèi)的既有線周邊注漿、對卸載范圍設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿和調(diào)整降水標(biāo)高來掌握既有隧道的隆起。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)成的閱歷, 對地鐵平安運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)太大, 必需有一個精確、嚴(yán)密的全過程監(jiān)控手段。3. 1 調(diào)整開挖襯砌施工挨次既有線隧道的變形值隨隧道上方卸載量的增大而增大, 因此假如能

8、掌握隧道上方的卸載量, 則在掌握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挨次進(jìn)行調(diào)整。車站的開挖采納了“中柱法”施工, 將整個斷面開挖橫向分為: 側(cè)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(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, 施工兩個柱洞中間的中洞的初期支護(hù)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(cè)洞的初期支護(hù), 最終縱向分段自下而上對稱施作二襯, 完成結(jié)構(gòu)閉合。根據(jù)這樣施工挨次, 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

9、成了加固、開挖、補(bǔ)償、再加固、再開挖、再補(bǔ)償?shù)男遁d模式。開挖襯砌施工挨次見圖 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(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、等值。(1)土體加固設(shè)計(jì)參數(shù)在五號線暗挖段導(dǎo)洞內(nèi), 對一號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 6.49 m, 加固的深度為暗挖車站底板至以下 9 m(即一號線隧道底板以下 2.3 m); 注漿材料選用超細(xì)水泥- 水玻璃雙液漿, 注漿壓力 0.30.6 MPa。注漿加固的范圍見圖 4 陰影部分

10、。 <CENTER</CENTER(2)土體加固施工在距既有線 6 m 處停止開挖, 對既有線周邊土體進(jìn)行超前注漿加固。注漿加固既有線時(shí)采納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。依據(jù)注漿壓力、地質(zhì)參數(shù)及現(xiàn)場試驗(yàn)綜合確定集中半徑為 0.3 m, 孔距采納 0.5 m, 注漿時(shí)跳孔施工。采納后退式注漿, 后退幅度為 1530 cm。實(shí)行定量、定壓注漿, 使巖土層的空隙或孔隙間布滿漿液并固化。注漿施工前必需核清既有隧道的精確位置, 且不能采納過高注漿壓力, 以確保既有地鐵隧道平安。3. 3 設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿依據(jù)分塊開

11、挖, 發(fā)生開挖卸載準(zhǔn)時(shí)補(bǔ)償卸載的原則, 在導(dǎo)洞初期支護(hù)完成后, 開頭在導(dǎo)洞內(nèi)向下施工預(yù)應(yīng)力錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿群不但準(zhǔn)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 2 m ×2 m, 錨桿長為 15 m 及 10 m 兩種, 貼近既有一號線區(qū)間側(cè)采納長錨桿。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

12、力設(shè)計(jì)值 230 kN。錨桿注漿材料為水泥漿, 其抗壓強(qiáng)度不低于 30 MPa(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)必需考慮到洞內(nèi)尺寸, 必要時(shí)可以對鉆桿進(jìn)行改裝。在暗挖導(dǎo)洞內(nèi)每開挖支護(hù) 5 m 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)隧道處在相對不透水土層中, 水位的上升或下降猶如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(dāng)于對既有隧道向下卸載, 以平衡部分新建車站開挖時(shí)對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, 增加了反抗卸載變形

13、的力量。3. 5 采納遠(yuǎn)程監(jiān)控量測在暗挖車站施工期間, 必需對既有地鐵進(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, 且不能滿意對大量數(shù)據(jù)采集、分析以及準(zhǔn)時(shí)精確的反饋, 因此采納遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)對既有線的結(jié)構(gòu)和軌道變形進(jìn)行 24 h 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)測采納靜力水準(zhǔn)儀。以新建車站下33 m 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 個測點(diǎn)。以 2 個結(jié)構(gòu)縫處為重點(diǎn)監(jiān)測對象, 在結(jié)構(gòu)縫的兩側(cè)各布設(shè) 1 個測點(diǎn)。針對施工可能影響到變形縫之間的脹縮, 采納測縫計(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 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)測采納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 33 m 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 個沉降測點(diǎn), 該系統(tǒng)同時(shí)可