多重預頂撐技術在地鐵密貼穿越工程中的應用

李積棟 油新華 郝志宏 張金喜

(1. 中國建筑工程總公司技術中心 北京 101300； 2. 北京工業大學建筑工程學院 北京 100124；3. 北京市軌道交通設計研究院有限公司 北京 100037)

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多重預頂撐技術在地鐵密貼穿越工程中的應用

李積棟1，2油新華1郝志宏3張金喜2

(1. 中國建筑工程總公司技術中心 北京 101300； 2. 北京工業大學建筑工程學院 北京 100124；3. 北京市軌道交通設計研究院有限公司 北京 100037)

以北京地鐵新建10號線公主墳站密貼下穿既有1號線為工程背景，探討多重預頂撐施工技術，并設計一種新型的頂撐平臺系統，研究多重預頂撐施工技術在大跨度密貼穿越施工中的應用。數值分析及實測結果表明，在暗挖施工中，多重預頂撐技術是一種主動防御變形、控制沉降的有效措施，按照既有站的變形狀況，動態調整千斤頂頂力，達到控制沉降發展的效果，在密貼穿越施工中具有非常高的實用性。

城市軌道交通；密貼穿越；千斤頂；沉降；多重預頂撐；動態調整

北京地鐵新建10號線公主墳車站下穿既有1號線車站工程，為保證既有線路正常運行，要求新建車站施工引起的既有站沉降值不大于3 mm，變形縫兩側差異沉降不大于2 mm，工程難度極大。在此嚴格要求下，提出了“平頂直墻CRD+多重預頂撐”的暗挖新工法。該技術的提出和實施，有望解決地下工程的一個較大難題，突破下穿工程的瓶頸，為國內地鐵建設的發展奠定重要的基礎[1-8]。

1 工程概況

1.1 工程背景

新建10號線二期公主墳車站下穿1號線既有站,位于復興路與西三環中路交會的新興橋橋區綠地內，兩車站形成雙十字換乘，新建站主體單層段采取零距離剛性接觸下穿既有站。其中，新建左右線下穿段結構寬14.05 m、高9.32 m、穿越長度達26.1 m，為單層雙跨平頂直墻矩形結構；既有站結構建于1967年，為鋼筋混凝土矩形框架結構，車站結構長169.69 m，寬20.3 m，高7.95 m。新建站與既有站的位置關系如圖1所示。

圖1 新建站與既有站位置關系

1.2 地質情況

新建車站拱頂(頂板)位置土層主要為粉土層、粉質黏土層、粉細砂層。

新建車站中樓板位置土層主要為卵石層、中粗砂層，礫巖層。

新建車站底板位置土層主要為礫巖層，局部有泥巖層、砂巖層。

下穿既有1號線段位置土層主要為礫巖層，局部有泥巖層、卵石層。

1.3 施工方案

根據工程要求及地質條件，下穿段采用“平頂直墻CRD+多重預頂撐”工法施工，并根據上部結構變形監測結果配合實施液壓同步頂撐控制技術，新建站橫剖面如圖2所示。

圖2 新建站橫剖面

從開挖、支護、頂撐和二襯工藝流程來看，該下穿工程可分為10個步序:① 注漿加固單層段結構周邊土體；② 超前深孔加固1部上半部地層、按施工步序進行1、2部的初支施工(每榀型鋼格柵成環后及時利用千斤頂加力)；③ 通過1部側壁向3、5部深孔注漿；④ 1、2部范圍內二襯的施工；⑤ 3、4部的初支施工(每榀型鋼格柵成環后及時利用千斤頂加力)；⑥ 3、4部范圍內二襯施工；⑦ 5、6部的初支施工；⑧ 架設臨時鋼支撐(根據監測施加頂力)、分段拆除初支臨時中隔墻和千斤頂；⑨ 進行5、6部范圍內二襯施工；⑩ 二襯背后注漿、分段拆除臨時鋼支撐。

2 頂撐控制方案

新建10號線二期公主墳車站密貼穿越1號線既有站采用同步液壓頂撐系統，主動控制、動態調整既有站沉降，使既有站結構沉降值滿足設計要求，從而保證既有線路的正常運行。

2.1 同步液壓頂撐系統

PLC液壓控制系統是通過計算機軟件控制液壓泵站和液壓元件，輸入指令控制液壓千斤頂，按照結構的實荷重，通過力的平衡自動調整各臺千斤頂的頂撐力，在施工過程中保持各頂撐力的平衡，保證各頂撐點所需的頂力值與實際提供值能夠相符，使頂撐過程中結構受到的附加內力最小。同時,千斤頂根據分布位置進行分組，與結構各控制點的位移傳感器組成位置閉環路，保證頂撐過程各千斤頂的同步精度最高[9-15]。

2.2 頂撐階段劃分

千斤頂頂撐加力共分為3個階段，每個階段千斤頂頂撐力都不是恒定的，而是根據監測數據動態變化的，即通過調整千斤頂頂撐力，主動控制既有站沉降。

1) 在1、2導洞開挖過程中，每榀型鋼格柵成環后通過千斤頂加力(間隔1.5 m)，預壓地層，動態控制既有站底板沉降。同時，1、2導洞二襯結構完成后，在頂板與底板間架設帶千斤頂鋼管的垂直支撐，略加垂直支撐頂力，以頂緊密貼為原則。

2) 在3、4導洞開挖過程中，千斤頂加力同1、2導洞。

3) 5、6導洞開挖完成后，加大兩側垂直鋼管支撐頂力，在監測應力允許的情況下，拆除小導洞5兩側壁的型鋼格柵及千斤頂(1、3部外側墻上的千斤頂直接澆入結構砼內、內側的千斤頂進行拆除)；在二襯結構混凝土達到設計強度95%以上時，根據應力監測，逐步減少垂直支撐千斤頂頂力直至拆除。

2.3 千斤頂布置

下穿段采用H 300×300型鋼支撐，其上方安裝150 t液壓數顯自鎖式千斤頂，縱向間距1.5 m，每斷面設4個，共112個千斤頂，每臺移動泵站負責14臺千斤頂施加及補償頂力。臨時鋼支撐采用φ609鋼管撐，縱向間距3.0 m，每根臨時鋼支撐頂端設置一臺70 t液壓自鎖千斤頂，共36個。千斤頂布置縱、橫斷面見圖3。

圖3 千斤頂布置

2.4 千斤頂頂撐平臺研究

在“平頂直墻CRD+多重預頂撐”工法中，需要設計一個全新的結構體系，作為頂撐作業的操作平臺及受力平臺。傳統的鋼筋格柵抗壓性能相對較弱、剛度小，容易發生抗壓破壞、失穩破壞等，無法結合頂撐進行作業。將頂撐基礎平臺與初支剛架結合，設計的一種新型型鋼組合構件體系，既可作為預頂撐操作的平臺，又可作為開挖洞室的初支結構，并巧妙利用初支洞室的整體剛度，解決頂撐平臺的基礎承載力不足問題。

該頂撐平臺由千斤頂、工字鋼、堵頭板、加勁肋板、千斤頂支座、連接板、高強螺栓組成，橫向型鋼與豎向格柵由連接板、高強螺栓連接，組成承受豎向及橫向土壓力的受力體系。該平臺的豎向格柵上設置堵頭板，在堵頭板上設置千斤頂支座并放置千斤頂，此部分為平臺設計中的頂撐部分，千斤頂上部單獨設置橫向工字鋼梁，通過該梁將千斤頂頂力均勻傳遞給上覆結構。千斤頂下部的豎向工字鋼間設置橫向工字鋼，以提高豎向工字鋼的穩定性。頂撐平臺及平臺型鋼構件如圖4、5所示。

圖4 千斤頂頂撐平臺

圖5 千斤頂頂撐大樣

本支撐平臺的上部橫向托梁作為千斤頂的上部受力托架，分別承受千斤頂的頂力，并保證在下部基座受到適度的擠壓密實后，可給上部托梁提供足夠的頂力，以起到控制上部沉降的作用。在初襯側壁的千斤頂設置了安裝基座及固定措施。為中跨后續的沉降應急處理或加強處理預留了實施條件：在上部橫向托梁的下方設置了上部橫向支撐橫梁，可作為橫向支撐來平衡導洞側土壓力，也可作為后期實施過程中的應急千斤頂支點的平臺，平臺下可根據情況設置臨時立柱將頂力傳向地基。

該平臺的優點及創新在于：1) 機械操作工藝與傳統土建工程工法結合后的操作平臺，既能滿足土建施工需要，又能滿足機械操作平臺需求；2) 本平臺可解決頂撐受力轉換與土建工序中的受力轉換間關系，兩者毋須相互協調，也能起到控制作用；3) 可解決頂撐上基頂、下基底結構受力框架與頂撐力間的力學關系問題，即頂撐力不能轉化為土建框架內力的問題；4) 本平臺可滿足土建工法中其他輔助措施的有效實施，如側壁超前小導管、鎖腳錨管、格柵步距調整、土體加固等。

2.5 千斤頂施工

在暗挖施工過程中，千斤頂通過人工進行安裝固定，對洞室初支結構頂部施加頂力。千斤頂施加頂力時，采用移動泵站對千斤頂施加液壓頂力，頂力按每5 t分級逐步進行施加。頂力施加完畢后，采用鋼楔子將頂部工鋼與初支結構之間的縫隙楔死。每臺移動泵站均設專人進行不間斷看管，并做好階段檢查及交接班記錄。若千斤頂出現異常或沉降數據過大，則及時由工作面其他工種人員協助對頂力進行補償，同時楔緊鋼楔子。千斤頂施工圖如圖6所示。

圖6 多臺千斤頂同時加力頂撐

3 數值模擬

圖7 計算模型

為了有效地控制既有站沉降，需要預先確定千斤頂在施工過程中的主動控制值。結合既有站3 mm沉降控制指標，采用有限差分軟件FLAC3D數值模擬新建站密貼穿越既有站施工過程，確定施工各階段千斤頂頂撐加力值。數值模型如圖7所示，地層參數及結構計算參數參考文獻[7]，數值計算過程嚴格按照設計方案模擬施工全過程，并利用注漿、調節千斤頂頂力等方法主動控制既有站沉降。

施工過程中千斤頂頂撐力分布曲線和在千斤頂主動控制下施工各階段沉降曲線分別如圖8、9所示。可以看出：1) 在2導洞施工完成后，結合監測數據動態調整千斤頂頂撐力，抬升既有站結構，控制既有站沉降，千斤頂頂撐力達到120 t,其中頂撐力變化幅度較大階段位于1、2導洞二襯施工前后；2) 6導洞開挖結束，千斤頂卸載，造成既有站大幅度沉降，階段沉降值達到1.2 mm，但既有站沉降量最終穩定在3 mm以內。其中，加載、卸載為了保證既有結構穩定，采用逐級加載、卸載的方式。施工各階段沉降變位分配控制值與頂撐控制關系見表1。

圖8 各步序沉降曲線

圖9 頂撐力分布曲線

4 實時監測

在暗挖施工過程中，自動化與人工監測相結合，加強對既有1號線公主墳車站結構及軌道變形的實時監測，根據變位控制原理沉降指標，通過同步液壓頂撐系統，結合實時監測數據調整加力值，并隨時監測每個千

表1 施工各階段既有線結構沉降控制

斤頂軸力的穩定情況，保證頂力持續在設計規定范圍以內，主動控制既有站沉降[16-17]。

通過監測數據可知：1) 1、2#導洞初支施工完成，既有地鐵道床及結構豎向變形累計變形量較大，最大的累計變形值達到-1.66 mm，超設計分布沉降量，共占沉降量的55.6%；2) 開挖3、4、5、6#導洞通過增加臨時立柱數量及千斤頂預加力，加強超前注漿及初支背后補注漿等措施控制既有站沉降量，3、4#導洞初支施工完成，最大的累計變形值達到-2.99 mm，極接近控制值，且千斤頂頂撐力達到135 t；3) 5、6#導洞開挖前對整個開挖面進行加固，并通過千斤頂增加頂力，不拆除1、3#導洞內側千斤頂等措施，避免再發生較大沉降，使施工對上方既有地鐵1號線公主墳站的影響較小。既有結構施工各階段沉降量如圖10所示。

圖11給出了千斤頂頂撐加力分布圖，從圖中可以看出，千斤頂實際頂撐力要大于設計頂撐力，最終頂撐力高達150 t，高出設計值30 t。其主要原因在于列車運營和人群流動產生的振動荷載較大且持續相當長的時間，很大程度上影響了既有站沉降。同時，可發現，5、6#導洞二襯施工完成，型鋼支撐上方千斤頂仍保持其頂撐力，表示1、3#導洞內千斤頂均未拆除，并一起澆筑于二襯結構內，保證了既有站結構沉降量。

圖10 各步序沉降曲線

圖11 頂撐力分布曲線

5 結論

本文以北京地鐵新建10號線公主墳站密貼下穿既有1號線為工程背景，研究了多重預頂撐施工工藝在大跨度密貼穿越施工中的應用。

1) 探討了多重預頂撐控制系統，包括同步液壓頂撐系統、頂撐階段劃分、千斤頂布置、千斤頂頂撐平臺研究、千斤頂施工。

2) 通過數值計算分析，確定新建站各階段施工過程中既有站沉降控制值與千斤頂頂撐力的大小關系。

3) 實時監測數據表明，多重預頂撐施工工法可以有效控制既有站沉降，滿足沉降要求。但是需根據施工情況，采取一定額外措施控制沉降，如注漿加固、增加臨時立柱數量及千斤頂預加力等措施。

致謝：感謝北京市軌道交通建設管理有限公司、北京城建設計發展集團股份有限公司、中國中鐵隧道集團有限公司北京地鐵十號線二期12標項目部、北京城建勘測設計研究院有限責任公司無私提供的寶貴資料。同時，在這里特別感謝郝志宏工程師給予的幫助及支持。

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(編輯：郝京紅)Research on the Multiple Pre-top Bracing Technology in Subway Close-attached Undercrossing Engineering

Li Jidong1You Xinhua1Hao Zhihong2Zhang Jinxi2

(1. Technology Center, China State Construction Engineering Corporation, Beijing 101300;2. College of Architecture and Civil Engineering of BJUT,Beijing 100124;3. Beijing Rail Transit Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing 100037)

It is of great significance for the design and construction of similar underground projects to study the multiple pre-top bracing technology in subway close-attached undercrossing engineering. In this paper, by taking the New Gongzhufen station of Beijing Subway Line 10, which is close-attached undercrossing the existing Subway Line 1 as background, the application of multiple pre-top bracing construction technology is explored, and a new kind of top bracing platform system is designed, and the application of multiple pre-top bracing construction technology in the large span of close-attached undercrossing engineering is studied. Numerical analysis and experimental results show that, the multiple pre-top bracing construction technology is an active deformation defense and effective measure to control the settlement. This technology is highly practical in the close-attached undercrossing construction if the jack pressure is dynamically adjusted to control the settlement in line with the deformation conditions of existing stations.

urban rail transit; close-attached undercrossing; jack; settlement; multiple pre-top bracing; dynamic adjustment

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.05.016

2015-12-23

李積棟，男，博士，主要從事巖土與地下工程方面的研究，ljd0911@emails.bjut.edu.cn

國家自然科學基金面上項目(41242337)

U231

A

1672-6073(2016)05-0079-05