暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施

王春希

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院，西安 710043)

1 工程及地質(zhì)概況

北京地鐵7號線廣渠門外站～雙井站區(qū)間左右線下穿既有10號線雙井站暗挖段，10號線雙井站為中間單層暗挖，兩端三層明挖的車站，單層暗挖段為單柱雙跨馬蹄形隧道，寬20 m，高9.64 m，采用中導(dǎo)洞+CRD法施工，中心里程處的軌面高程為16.661 m。該段擬建7號線區(qū)間隧道為單洞單線隧道，隧道埋深23.5 m，埋深較大，從10號線雙井站暗挖段下方緊貼結(jié)構(gòu)下穿雙井站，隧道上方管線密布，主要有2.0 m×2.35 m 的電力管溝，5.6 m×3.0 m 的熱力管溝，周邊環(huán)境復(fù)雜，沉降控制是本工程的難點(diǎn)。隧道與既有站剖面關(guān)系見圖1、圖2。

本區(qū)段地質(zhì)條件為第四系沉積物，以古金溝河故道和古金溝河故道河間地塊沉積為主，表層以厚度不均的人工堆積的房渣土、素填土為主，以下為第四紀(jì)沉積的粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)圓礫卵石、卵石層。地下水類型為上層滯水、潛水，局部分布有承壓水。上層滯水埋深一般為2～6 m，潛水層埋深起伏較大，一般在8～15 m，承壓水埋深16.3 m，含水層主要為砂土、圓礫卵石層。

圖1 隧道與既有站橫剖面關(guān)系(單位:m)

圖2 隧道與既有站縱剖面關(guān)系(單位:m)

2 既有10號線雙井站安全性評估及變形控制指標(biāo)

依據(jù)《北京地鐵7號線廣渠門外站～雙井站區(qū)間隧道工程下穿既有地鐵10號線雙井站安全性影響評估報(bào)告》，既有地鐵10號線結(jié)構(gòu)變形控制值為3 mm。軌道結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)見表1。

表1 軌道結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)

3 計(jì)算分析

3.1 模擬工況選擇

根據(jù)周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、既有站沉降控制要求等因素，并確保既有線運(yùn)營安全，最大限度地減少對既有線列車正常運(yùn)營的影響，研究分析下面兩個(gè)方面:(1)不同工法的比較，不考慮任何預(yù)加固措施，主要比較全斷面法、臺階法和CRD法3種工法情況;(2)不同加固范圍的影響，考慮4種不同加固范圍情況:不考慮任何預(yù)加固措施(工況1);僅考慮隧道掌子面加固(工況2);考慮施工隧道掌子面加固和隧道左右側(cè)加固3 m(工況3);考慮施工隧道掌子面加固、和隧道左、右及底部加固3 m)(工況4)。

10號線雙井站暗挖段初期支護(hù)采用350 mm厚C25噴射混凝土+格柵鋼架，二次襯砌采用700 mm厚模筑鋼筋混凝土，區(qū)間隧道初期支護(hù)采用350 mm厚C25噴射混凝土+格柵鋼架，臨時(shí)支護(hù)及設(shè)置千斤頂處采用型鋼鋼架;二次襯砌采用模筑C40鋼筋混凝土，抗?jié)B等級P10，頂板、側(cè)墻厚600 mm，底板厚700 mm。

3.2 選擇計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

對以上兩個(gè)方面采用FLAC3D程序分別進(jìn)行理論計(jì)算。為減少邊界約束效應(yīng)，計(jì)算范圍按左右邊界距隧道中心線距離3～5倍洞徑考慮，底部邊界距隧道底部的距離按3～5倍隧道高度考慮。計(jì)算模型尺寸為60 m×109.6 m×58.513 m，模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為自由邊界。圍巖及二次襯砌結(jié)構(gòu)均采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元來模擬，初期支護(hù)采用殼單元來模擬，模型共劃分了149 084個(gè)節(jié)點(diǎn)和138 000個(gè)單元。三維計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 整體三維計(jì)算模型

圍巖視為摩爾-庫侖理想彈塑性材料，支護(hù)結(jié)構(gòu)及襯砌結(jié)構(gòu)視為彈性材料。圍巖、加固區(qū)、二次襯砌及初期支護(hù)的物理力學(xué)指標(biāo)如表2、表3所示。

表2 圍巖各層物理力學(xué)性能指標(biāo)

表3 初期支護(hù)、二次襯砌及加固區(qū)物理力學(xué)性能指標(biāo)

3.3 不同工法既有車站監(jiān)測結(jié)果分析

3種工況下既有車站豎向位移圖分別如圖4、圖5和圖6所示;既有車站豎向最大位移如表4所示。

圖4 全斷面法施工既有車站結(jié)構(gòu)的豎向位移(單位:m)

圖5 臺階法施工既有車站結(jié)構(gòu)的豎向位移(單位:m)

圖6 CRD法施工既有車站結(jié)構(gòu)的豎向位移(單位:m)

表4 既有車站豎向最大位移

由圖4～圖6和表4可以看出，3種不同工況下，隧道采用全斷面法和臺階法施工導(dǎo)致的既有車站的豎向位移都較大，而CRD法施工引起的既有車站的豎向位移較小，為另兩種工法引起的豎向位移的一半不到，說明CRD法對控制豎向位移效果顯著。

3.4 不同加固范圍的比較

根據(jù)上面研究結(jié)果，對下穿隧道建議采用CRD法施工，但不考慮任何預(yù)加固措施情況下，區(qū)間隧道的施工不能滿足既有線變形控制要求，下面考慮不同加固情況下，區(qū)間隧道施工引起既有線結(jié)構(gòu)及軌道的豎向位移。

(1)既有車站豎向位移

工況4(考慮施工隧道掌子面加固和隧道左、右及底部加固3 m)既有車站豎向位移如圖7所示;4種不同工況下既有車站豎向最大位移如表5所示。

圖7 工況4既有車站結(jié)構(gòu)的豎向位移(單位:m)

表5 既有車站結(jié)構(gòu)豎向最大位移值 mm

由圖7和表5可以看出，工況4(考慮施工隧道掌子面加固和隧道左、右及底部加固3 m)引起既有結(jié)構(gòu)的豎向位移最小，工況3(考慮施工隧道掌子面加固和隧道左右加固3 m)引起既有結(jié)構(gòu)的豎向位移較工況4相差較小。

(2)既有車站軌道豎向位移

既有車站軌道示意如圖8所示，圖9為工況4(考慮施工隧道掌子面加固和隧道左、右及底部加固3 m)既有車站軌道豎向位移曲線圖;圖10和圖11為既有車站軌道與區(qū)間右隧道拱頂交界處的點(diǎn)的豎向位移隨開挖步的關(guān)系。4種不同工況下既有車站軌道豎向最大位移如表6所示。

圖8 既有車站軌道示意

圖9 既有車站軌道豎向位移

圖10 軌道1與區(qū)間右隧道拱頂交界處點(diǎn)的豎向位移隨開挖步的關(guān)系

圖11 軌道2與區(qū)間右隧道拱頂交界處點(diǎn)的豎向位移隨開挖步的關(guān)系

表6 既有車站軌道豎向最大位移 mm

由圖9、圖10、圖11和表6，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，4種不同工況下既有車站豎向位移最大值發(fā)生位置均在區(qū)間隧道拱頂與既有車站底板的交界處，區(qū)間隧道開挖至既有車站軌道前，既有車站軌道已發(fā)生豎向變形，區(qū)間隧道開挖至既有車站軌道后25 m范圍左右，既有車站軌道豎向位移達(dá)到最大，最終趨于穩(wěn)定，4種不同工況下既有車站軌道豎向位移最大值比較結(jié)果為工況4最小，工況1最大，工況3與工況4相差不大，說明考慮隧道底部加固3 m對減小既有車站豎向變形作用效果不明顯，考慮施工隧道掌子面加固和隧道左右加固3 m對減小既有車站軌道豎向變形效果顯著。

4 具體工程措施

根據(jù)以上分析，下穿隧道主要采用CRD法施工，掌子面及周邊一定范圍土體深孔注漿加固措施控制既有線車站結(jié)構(gòu)沉降變形。

施工前，對既有線采取以下措施。

(1)對鋼軌、扣件及道床等進(jìn)行全面檢查，調(diào)整后軌道狀態(tài)滿足《工務(wù)維修規(guī)則》中“計(jì)劃維修”標(biāo)準(zhǔn)的要求。并在下穿作業(yè)開始后即采取限速運(yùn)行，限速建議值20～30 km/h。

(2)在既有線站內(nèi)實(shí)施第三方監(jiān)測，制訂周密的監(jiān)測方案，對軌道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測。采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對其結(jié)構(gòu)及軌道變形等進(jìn)行全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控量測，及時(shí)反饋信息，指導(dǎo)建設(shè)單位的施工和運(yùn)營部門采取相應(yīng)的安全措施。

施工采取的具體措施如下。

(1)隧道開挖前，進(jìn)行深孔注漿加固掌子面和隧道左右3 m土體，注漿漿液主要采用普通水泥-水玻璃雙液漿，具體配比根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定，注漿壓力建議值為0.5～1.0 MPa。要求加固后的開挖面土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.6 MPa，周邊土體加固區(qū)達(dá)到1.2 MPa，滲透系數(shù)≤10-6cm/s。

(2)施工方法采用CRD法開挖，左右線對稱進(jìn)行，按外側(cè)上貫通→外側(cè)下貫通→澆筑二襯→內(nèi)側(cè)上貫通→內(nèi)側(cè)下貫通→澆筑二襯的總體步序進(jìn)行各洞室施工，各洞室采用臺階法開挖，保留核心土，上下臺階縱向步距2～3 m。施工中嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺為0.5 m，嚴(yán)格控制超挖;各部施工應(yīng)連續(xù)作業(yè)，盡早封閉成環(huán)，減少掌子面暴露時(shí)間。

(3)初支及二襯背后注漿施作初支時(shí)應(yīng)預(yù)埋φ32 mm注漿管，初支施作完畢后注漿回填初支與土層間的空隙。注漿壓力控制在0.3 MPa，注漿管布置間距:拱部 0.5 m(環(huán)向)×0.5 m(縱向)、邊墻及仰拱1.0 m(環(huán)向)×1.0 m(縱向)，施工過程中根據(jù)沉降情況，進(jìn)行多次補(bǔ)注漿。二襯模筑時(shí)預(yù)埋注漿管，二襯完成后及時(shí)在其背后壓注水泥漿液。

(4)當(dāng)沉降超警戒值時(shí)，啟動千斤頂頂升及隧道底部3 m加固土體措施，設(shè)置千斤頂處采用型鋼鋼架，利用千斤頂調(diào)節(jié)控制雙井站及地面沉降;千斤頂最大頂力不超過1 000 kN，行程不小于100 mm，千斤頂具備單獨(dú)頂升和整體協(xié)同頂升的功能。在上層洞室封閉成環(huán)后，施加300 kN預(yù)頂力，按5 t分級逐級加載，下層洞室封閉成環(huán)后，再根據(jù)既有線沉降監(jiān)測情況，隨時(shí)調(diào)整千斤頂頂力，及時(shí)有效控制既有線車站沉降。千斤頂處鋼架總裝見圖12。

5 結(jié)語

圖12 千斤頂處鋼架總裝圖(單位:cm)

通過計(jì)算分析，采用CRD工法開挖，較全斷面法及臺階法對控制既有車站結(jié)構(gòu)和軌道豎向位移效果顯著;隧道掌子面及周邊一定范圍土體采用深孔注漿加固，可以有效控制既有車站結(jié)構(gòu)及軌道豎向變形，滿足既有線結(jié)構(gòu)使用和運(yùn)營要求。工況3、工況4兩種加固范圍均滿足地鐵10號線結(jié)構(gòu)及軌道變形控制值，工況3與工況4的區(qū)別是對隧道底部是否進(jìn)行加固，工況3較工況4具有施工簡便，節(jié)約造價(jià)及工期等優(yōu)點(diǎn)，沉降控制滿足既有線車站結(jié)構(gòu)及軌道沉降變形。綜合考慮推薦工況3，即采用CRD工法開挖，掌子面和隧道左右3 m加固地層的方案。

北京地鐵7號線廣渠門外站—雙井站區(qū)間暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施是本工程隧道設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問題之一，目前隧道已順利貫通。結(jié)合廣渠門外站—雙井站區(qū)間暗挖隧道下穿既有站的設(shè)計(jì)方案、理論分析及施工情況，闡述了暗挖隧道采用的沉降控制措施，以供后續(xù)類似項(xiàng)目參考和借鑒。

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