1、跨地鐵運營隧道地下空間工程關鍵技術創新與實踐與城市空間發展協同的地鐵建設技術之一陳湘生 博士深圳市地鐵集團有限公司2017年8月, 貴陽主要內容一、問題的提出二、技術路徑三、技術和方法四、工程實例五、結論與建議地鐵給人們帶來交通方便的同時,因地鐵運營安全保護條例,其周邊土地開發成本極高、安全風險也非常大。尤其是在滿足現行技術規范要求前提下進行跨地鐵運營隧道地下空間利用,幾乎不可能。它既割裂了土地利用,也占用了大量土地無法利用。如何既確保地鐵運營安全,又使這些珍貴土地得到高效利用,已經成為我們地鐵工程技術界的重大技術難題。前灣片區地鐵保護區面積(隧道兩側各3米和80米 媽灣片區地鐵保護區面積(隧

2、道兩側各3米和80米 桂灣片區地鐵保護區面積(隧道兩側各3米和80米 前海前灣、桂灣和媽灣三個片區隧道兩側各3米和80米占地面積 前海三個片區內地鐵線路安保區占有土地面積占開發地塊總面積9.3%(隧道外側3米控制線和72%(80米保護區 (前海片區地鐵安全保護范圍為80米。隧道外側3米限制區 一、問題的提出由于地層富水且工程地質非常復雜,進行地下空間開挖卸載地層回彈,會連帶下部隧道隆起水的影響;在隧道側邊開挖時會導致隧道偏移水和側限的影響。地下空間開挖降水時對地層產生固結(主固結、次固結、滲流而沉降,會導致隧道沉降水的影響。跨地鐵運營隧道地下空間施工改變了隧道原有受力體系;如不采取措施,新建結

3、構建成后變形也會直接影響地鐵運營隧道結構新/舊結構變形協調。1、新老結構和地層相互作用和變形協調機理(科學問題新老結構多樣性、形式不同和地層擾動時序不同導致的對新老結構約束不同而變形也不同(時序不同、受力不同導致的差異沉降、新老結構材料力學性質存在差異、結構的設計標準有時也不同、新老結構之間介質穩定性等因素,即在施工和工后新老結構和地層相互作用和變位(位移、變形機理。歸結起來的科學和技術問題一、問題的提出一、問題的提出歸結起來的科學和技術問題是2、施工全過程安全控制(技術問題核心是地下結構與地層相互作用變位協同的控制: 新建結構施工全過程對地層擾動導致既有運營隧道結構的擾動、新建結構工后沉降(

4、與地層和老結構相互作用控制;地層二次擾動后,確保全壽命周期安全穩定的新、老結構和地層變形協同控制。要解決這類極為困難問題技術途徑:從結構和周邊介質的物理力學性質出發,再結合既有工程數據進行數值模擬獲得初步的地層位移定性趨勢和判據;在設計上盡可能選擇適合該地層和地鐵運營隧道結構安全的幾何形狀和幾何尺度以及結構和材料足夠強度和剛度抵抗地層位移、新舊建筑結構之間變形獨立協調;因地制宜選擇好與既有建(構筑物結構的合適距離控制地層位移;擇較為合適的工法(技術控制地層位移;有效的實時監測監控(既有結構和地層變形實測、施工現場參數聯動地層位移及其對地下建筑結構影響實況數值;輔助技術(注漿、調節水位、地層覆重

5、調節等;形成措施互補的準智能化跨地鐵運營隧道地下空間施工關鍵技術。藉此解決富水濱海地層跨地鐵運營隧道地下空間重大技術難題。1、注漿加固地鐵運營隧道圍巖對地鐵運營隧道周邊圍巖尤其是下臥層進行注漿、擠排圍巖孔隙水提高圍巖抗力極大地減少地層降水固結沉降。在風化花崗巖群泵多次注雙液漿時,第二次以后注入量較少而不密實。經過多次試現場比對試驗,發現先注粘土水泥漿、再補充注雙液漿, 可大大提高圍巖密實 和抗力。1、注漿加固地鐵運營隧道圍巖粘土水泥漿配合比:粘土占固體重量的75%90%,水泥占固體重量的10%20%,外加劑約0%5%,水占總重量43%。粘土漿的比重約1.181.28,相對粘度16s;粘土水泥漿

6、的比重約1.251.35。相對粘度約16s。粘土水泥漿的塑性強度P m=kG/h2;k是擬合系數,G是錐杯試驗重量g;P m是塑性強度kPa。當粘土不夠時可以摻固體重量不大于20%的粉煤灰。2、小豎井跳挖及時門式框反壓施工技術采取小豎井跳挖方式在地鐵運營隧道上部進行地下空間開挖可以大大減少大面積開挖卸載引起的地層反彈量。開挖后在地鐵運營隧道上部增加門式反壓結構可進一步抑制開挖卸載引起的地層反彈。 地鐵運營隧道上部開挖變位控制新技術2、小豎井跳挖及時門式框反壓施工技術3、地鐵運營隧道側邊樁基施工(搖動式套管鉆機 采用搖動式套管鉆機(旋挖鉆機在地鐵運營隧道側邊施工工程樁,可防止超挖和塌孔,從而極大

7、地減少對地鐵運營隧道圍巖的擾動范圍。成孔后澆筑鋼筋混凝土工程樁,初凝后緩慢地拔出鋼護筒的同時從外側注入純粘土漿。在樁周邊與地層之間形成泥漿層。減少工程樁沉降時對地層的影響,從而極大地降低對地鐵運營隧道的不利影響。3、地鐵運營隧道側邊樁基施工(搖動式套管鉆機采用搖動式套管鉆機(旋挖鉆機 3、地鐵運營隧道側邊地連墻施工(鋼板圍護在地鐵運營隧道側邊采用鋼板圍護結構進行地連墻的施工。可極大地減少地連墻成槽時地層坍塌,進而減少對地鐵運營隧道的影響。拔出鋼板后,由于槽內有泥漿,澆筑地連墻時墻和地層間存在泥漿膜,可減少對地鐵運營隧道的影響。4、在地鐵運營隧道和上部地下空間地板之間設置變形緩沖層;上部高層建筑

8、必須滿足地鐵隧道全壽命安全的要求抗震和隔震(不對隧道造成沖擊荷載緩沖層和隔震還可以降低地鐵運營時的震動噪聲,從而讓用戶舒適。利用高精度三維激光隧道掃描儀和全站儀的結合,建立了地鐵運營隧道變形精準實時監測系統。可準確地實時監測到施工引起的地鐵運營隧道結構變形全貌。 5、地鐵運營隧道變位高精度實時自動監測系統 主筋測點布置 縱向壓力計管片拼裝 上下半環管片切割整環拼裝和加載系統安裝6、運營隧道外載變化室內模型試驗機理研究7、地鐵運營隧道控制標準1、建立了濱海富水復雜地層跨地鐵運營隧道地下工程(基坑技術導則2、把地鐵運營隧道結構橢圓度同時作為變形控制標準,彌補了隧道收斂非整體變形控制的缺陷。3、提出

9、了跨地鐵運營隧道地下空間安全風險等級控制方法。7、地鐵運營隧道控制標準基坑施工對地鐵設施影響等級劃分依據國家規范制定了基坑施工對地鐵設施影響等級,主要考慮因素是兩個:(1基坑與地鐵設施接近程度;(2基坑施工的工程影響分區。 7、地鐵運營隧道控制標準8、跨地鐵運營隧道地下空間施工關鍵技術簡圖預加固止水降水先周邊實施止水措施圍巖尤其是隧道下臥層多次注漿擠密固結基坑范圍適當進行降水固土增重進行兩側抗浮樁土體加固(中部地基處理豎井跳挖控制土方開挖分區分步實施梁板承載及時澆注坑底底板減少暴露時間監測反饋設置專項地鐵變形監測方案反壓應急四、工程實例 (1 前海交易廣場 固施工工法措施和步驟演示衡重式雙排樁

10、結構咬合樁咬合樁 已建成的深圳地鐵3號線地鐵隧道從擬建高層公寓下方穿過,見左圖;四、工程實例 (2 蔡屋圍跨地鐵運營隧道結構 件進行轉換; 于5m 塔樓均為部分框支剪力墻結構轉換層位于3層,結構高度均為98.90m。三層(架空層平面圖 隔震減震提供舒適環境 四、工程實例(2 蔡屋圍跨地鐵運營隧道結構 地勘典型剖面隧道頂-20.0-19.5隧道底-26.0-25.5隧道頂-8.0-9.0隧道底-14.0-15.037m 27m 22m轉換梁2000x3000樁頂冠梁2500x3000轉換梁2500x3000板厚600梁式轉換方案 梁式轉換方案計算結果 鯉前區間右線(下行線聽海大道地下空間段影響范

11、圍里程YSK25+497YK25+713:1、槽段開挖期間向東位移最大變化2.2mm,累計位移向東最大值6.2mm;2、槽段開挖期間向西位移最大變化3.2mm,累計位移向西最大值2.0mm;3、槽段開挖期間標高變化最大隆起1.8mm,累計隆起最大值6.3mm;4、槽段開挖期間標高變化最大沉降2.1mm,累計沉降最大點1.9mm。四、工程實例(4 其他典型事例 四、工程實例 專家鑒定總體評價 專家組一致認為該項目成果在地鐵域空間開發利用領域達到國際領先水平。 1、通過是多年工程實踐和實驗研究,建立了跨地鐵運營隧道地下空間施工關鍵技術:1預先對地鐵運營隧道圍巖先注粘土水泥漿再注雙液漿充填孔隙并提高抗力(尤其是隧道下臥層;抗沉2豎井跳挖減少卸載反彈和門式樑反壓抑制地層反彈雙重技術;抗浮3緊鄰隧道兩側用鋼桶(板隔斷深基礎施工和工后泥漿護樁(墻的施工,最大限度減少隧道兩側施工對地鐵運營隧道結構的影響和全壽命周期結構垂直變形互不影響;垂直變形隔離4在隧道結構上方與地下空間底板間設變形緩沖層,使地下空間結構和地鐵運營隧道結構獨立變形,確保各自安全;5利用高精度三維激光隧道掃描儀結合全站儀,建立了地鐵運營隧道變形精準實時監測系統。可準確地實時監測到施工引起的地鐵運營隧道結構變形;隧道結構實時變化診斷6除了隧道結構沉降(隆起變形外,還提出了隧道橢圓度的控制標準。有利更準確地控制隧