新建地鐵車站上穿既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)上浮變形預(yù)測

許有俊，李文博，王 楓

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，包頭 014010)

新建地鐵車站上穿既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)上浮變形預(yù)測

許有俊1，2，李文博1，王 楓1

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，包頭 014010)

依托北京地鐵4號(hào)線西單車站上穿既有1號(hào)線區(qū)間隧道工程，分析了地鐵上穿工程中所面臨的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，對既有線的上浮變形規(guī)律進(jìn)行了研究，并預(yù)測了既有線隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮變形值為2.9 mm。預(yù)測值與現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果2.3 mm比較接近，且縱向變形曲線形態(tài)相似，均呈正態(tài)分布。

新建地鐵車站 上穿 既有隧道結(jié)構(gòu) 上浮 變形

隨著北京市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，新建地鐵線路、地鐵車站與既有運(yùn)營地鐵線路的穿越工程會(huì)越來越多。在2050年北京市區(qū)軌道交通線路規(guī)劃圖中，節(jié)點(diǎn)車站和地鐵區(qū)間穿越段的數(shù)目高達(dá)118處［1］。如果這些近接穿越工程設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)，將對既有地鐵線路造成永久性的損害，直接影響地鐵運(yùn)營安全及周邊環(huán)境的安全。北京市軌道交通系統(tǒng)不允許限速運(yùn)行的規(guī)定，更給穿越的設(shè)計(jì)與施工提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。同時(shí)，建設(shè)單位對今后的穿越工程中提出了既有地鐵線路現(xiàn)狀技術(shù)指標(biāo)不降低、耐久性不受影響及安全儲(chǔ)備要求不減弱等要求，因此對穿越工程引起的既有地鐵線路(車站)的損害程度要求將越來越嚴(yán)格。另外限于建設(shè)資金及規(guī)劃設(shè)計(jì)等因素的影響，穿越的間距也越來越近，穿越的難度及風(fēng)險(xiǎn)亦越來越大。

新建地鐵線路或車站穿越既有地鐵線路時(shí)，主要分為上穿和下穿兩種類型，其面臨的技術(shù)難點(diǎn)不同。相比較而言，國內(nèi)外對下穿既有線的研究較多，其相應(yīng)的理論及技術(shù)相對成熟。而對上穿時(shí)開挖卸荷引起的既有線上浮變形預(yù)測及控制等相關(guān)研究較少，有關(guān)文獻(xiàn)資料也比較缺乏，目前仍處于經(jīng)驗(yàn)探索階段［2］。

新建地鐵車站上穿既有地鐵線路時(shí)，將不可避免地對周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)，引起地表沉降變形的同時(shí)，引起既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)上浮變形及產(chǎn)生附加內(nèi)力(見圖1)。因此，為確保上穿工程的安全施工、以及既有地鐵線路的運(yùn)營安全，上穿工程中主要從三個(gè)方面采取技術(shù)措施：①采用合理可靠的施工工法及輔助施工措施，減少對周圍地層的擾動(dòng)，降低地鐵開挖對地表的影響，確保隧道開挖對地表建筑物和路面的安全;②對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)周圍一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，確保既有隧道結(jié)構(gòu)的上浮變形控制在允許的范圍之內(nèi)，保護(hù)既有結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞以及運(yùn)營安全;③加固既有隧道結(jié)構(gòu)，提高其自身抗變形能力［3-4］。

圖1 地鐵車站上穿既有1號(hào)線區(qū)間隧道

1 工程概況

1.1 站址環(huán)境

北京地鐵4號(hào)線西單站位于復(fù)興門內(nèi)大街(長安街)與宣武門內(nèi)大街、西單北大街相交處十字路口的東側(cè)，呈南北走向，與1號(hào)線西單地鐵車站呈“T”字形換乘。根據(jù)車站的平面布置，4號(hào)線車站結(jié)構(gòu)分為南段、中間段和北段三段。中間段上穿1號(hào)線的區(qū)間部位，為兩個(gè)單層馬蹄形單洞斷面，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)通道，將兩個(gè)單洞斷面相連。采用暗挖法施工，長度為46.8 m。新建地鐵4號(hào)線西單車站與地鐵1號(hào)線區(qū)間線路間關(guān)系如圖2所示。

圖2 地鐵車站縱斷面(單位：m)

1.2 主要設(shè)計(jì)及施工參數(shù)

1)設(shè)計(jì)參數(shù) 地鐵4號(hào)線西單車站過長安街淺埋段采用暗挖法施工，車站形式采用單層馬蹄形單洞斷面。單洞最大斷面為9 900 mm×9 170 mm，初襯采用350 mm厚C40鋼筋混凝土，二襯采用500 mm厚C50鋼筋混凝土，如圖3所示。

圖3 4號(hào)線車站上穿1號(hào)線區(qū)間段橫剖面(單位：mm)

2)開挖步序及大管棚施工 暗挖段采用6步CRD法施工，采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖，循環(huán)進(jìn)尺0.5 m。先施作左洞，待施工順利通過1號(hào)線區(qū)間隧道后再施作右洞，以減少對1號(hào)線區(qū)間隧道土體的擾動(dòng)。在洞室開挖支前，采用“前拉后夯”多道工序的施工方法施作夯管帷幕及φ325鋼管大管棚，內(nèi)壓細(xì)石混凝土，以穩(wěn)定工作面，減少暗挖產(chǎn)生的地面沉降，如圖4所示。

圖4 C RD法施工步序

2)深孔注漿加固措施 為控制既有1號(hào)線的上浮變形，從1號(hào)、3號(hào)洞室底部對結(jié)構(gòu)底板與1號(hào)線區(qū)間隧道兩側(cè)土體進(jìn)行注漿加固。加固范圍主體結(jié)構(gòu)底板下10 m，兩側(cè)6.0 m，加固土層底部到達(dá)卵石層。同時(shí)，為減少對1號(hào)線區(qū)間單側(cè)土層注漿時(shí)可能產(chǎn)生的不平衡側(cè)壓力，要求導(dǎo)洞開挖25 m后再進(jìn)行向下土體注漿，并盡量做到對區(qū)間結(jié)構(gòu)的兩側(cè)土體同時(shí)注漿加固。

3)自鉆式預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿 在中導(dǎo)洞初期支護(hù)完成后，在洞內(nèi)注漿加固范圍內(nèi)設(shè)置φ32自鉆式中空預(yù)應(yīng)力錨桿，其一端固定于結(jié)構(gòu)底板初期支護(hù)。錨桿間距2 m×2 m，10排，每排14根，長度為14 m，桿體上部9 m為自由段，下部5 m為錨固段，錨固段位于加固土層底部，進(jìn)入卵石層。錨固體直徑0.1 m，軸向拉力設(shè)計(jì)值100 kN。在下導(dǎo)洞開挖時(shí)，用臨時(shí)支撐將錨固段固定，初期支護(hù)完成后，將洞內(nèi)錨桿截?cái)?。預(yù)應(yīng)力錨桿上端固定于洞底初期支護(hù)，錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值為200 kN。并根據(jù)上浮監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場觀測1號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)的變化調(diào)整錨桿拉力。

2 工程特點(diǎn)

北京地鐵4號(hào)線西單車站上穿1號(hào)線既有區(qū)間隧道，地面是交通繁忙且極其重要的長安街。新建車站上層覆土厚度最薄處約4 m，為人工填土，屬Ⅵ級圍巖，穩(wěn)定性極差，屬于超淺埋結(jié)構(gòu)。車站底板與1號(hào)線既有區(qū)間隧道頂凈距僅為0.5 m，既有隧道二襯施工時(shí)間較早，沒有配鋼筋，抗變形能力差。同時(shí)1號(hào)線運(yùn)營地鐵軌道定位精度高，結(jié)構(gòu)變形影響到軌道變形，進(jìn)而影響1號(hào)線地鐵的運(yùn)營安全。因此，新建地鐵車站施工時(shí)，既要保證長安街的地表沉降值不超過限值，確保地面交通及周邊建筑物的安全;又要保證1號(hào)線區(qū)間隧道、軌道的上浮變形不超過限值。因此，夾在長安街和地鐵1號(hào)線之間的西單車站的設(shè)計(jì)與施工難度非常大。

3 數(shù)值模型計(jì)算分析

為對既有線的上浮變形隨施工工序的時(shí)空效應(yīng)變化規(guī)律進(jìn)行研究，采用FLAC3D有限差分軟件，建立三維數(shù)值計(jì)算模型，對新建地鐵車站的施工全過程進(jìn)行了模擬(圖5)。模型幾何尺寸為100 m×80 m×60 m。大管棚、小導(dǎo)管加固地層及新建隧道與既有隧道結(jié)構(gòu)襯砌均采用實(shí)體單元，中隔壁采用 Shell單元，注漿加固地層效果按提高加固范圍內(nèi)土體物理力學(xué)參數(shù)等效，中空預(yù)應(yīng)力錨桿采用Cable單元［5］。

圖5 模型相對關(guān)系

3.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖土勘察報(bào)告，將土層性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)相似的土層進(jìn)行合并，合并為5層，土層參數(shù)詳見表1。

表1 土層參數(shù)表

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

按照實(shí)際的CBD施工工法，并進(jìn)行適當(dāng)簡化，對地鐵4號(hào)線西單站開挖全過程進(jìn)行了模擬。左線分為6個(gè)小導(dǎo)洞，右線亦分6個(gè)小導(dǎo)洞。右線全部開挖完畢并施作初期襯砌及底板后，新建地鐵車站開挖卸荷引起的既有線區(qū)間隧道的最大上浮變形值為2.9 mm，大致位于新建地鐵車站的中心處。對既有線隧道結(jié)構(gòu)縱向各點(diǎn)變形值進(jìn)行提取，得到既有線縱向變形曲線圖，如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，左線施作底板后，既有線的最大上浮變形值為2.1 mm，右線底板施作完畢后，既有隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮變形值為2.9 mm。同時(shí)可知，新建隧道開挖卸荷引起下臥既有線隧道結(jié)構(gòu)縱向變形呈正態(tài)分布，形成上浮槽。

圖6 既有線隧道結(jié)構(gòu)上浮變形曲線

3.3 監(jiān)控量測結(jié)果分析

為保證既有1號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)的安全和正常運(yùn)營，在車站施工期間，對既有1號(hào)線地鐵隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測。既有線沉降監(jiān)測分為兩部分：一是采用靜力水準(zhǔn)儀，布設(shè)方案為：以4號(hào)線西單站穿越中心線為基準(zhǔn)，在其下寬80 m的區(qū)域作為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，間距4 m，共布設(shè)20個(gè)測點(diǎn)(包含基點(diǎn));二是采用常規(guī)監(jiān)測，即使用電子水準(zhǔn)儀和鋼尺監(jiān)測，測點(diǎn)數(shù)量8個(gè)。各個(gè)施工階段1號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)上浮縱向分布曲線見圖7。

圖7 各個(gè)施工階段既有結(jié)構(gòu)縱向變形曲線

根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果，新建左線隧道初襯施作完畢后，既有線隧道結(jié)構(gòu)最大上浮變形值為1.5 mm，底板施作后上浮變形增加至1.8 mm;右線隧道初襯施作完畢后，既有線隧道結(jié)構(gòu)最大上浮變形值為2.0 mm，底板施作后上浮變形增加至2.3 mm。施加二襯后，上浮變形值稍有回落，累計(jì)最大上浮值為1.901 mm。新建地鐵上穿施工引起既有線結(jié)構(gòu)上浮最大的測點(diǎn)為BJ06，該點(diǎn)位于1號(hào)線區(qū)間隧道上4號(hào)線車站上跨段中部。通過施工期間每天在列車停運(yùn)后進(jìn)洞觀察，在既有線加固段，結(jié)構(gòu)并無新增和加寬的裂縫，道床裂縫也無明顯增加。因此，1號(hào)線區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)安全可以得到保證。

通過最近100 d的監(jiān)測情況，百日變形值為0.058 mm，變化速率0.000 6 mm/d，由此可以判斷既有線隧道結(jié)構(gòu)已基本穩(wěn)定。

4 結(jié)論

新建上穿地鐵車站施工引起的既有線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)縱向上浮變形曲線呈正態(tài)分布，實(shí)測最大上浮變形值2.3 mm，數(shù)值計(jì)算預(yù)測結(jié)果為2.9 mm。預(yù)測結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果吻合較好，均未超過建設(shè)單位所規(guī)定的限值4.0 mm。說明對既有1號(hào)線周圍土體加固措施有效地控制了既有線的上浮變形，確保了既有線的運(yùn)營安全。同時(shí)證明數(shù)值模擬手段可以預(yù)測既有線上浮變形，并為今后上穿工程的安全實(shí)施提供參考。

致謝 感謝北京城建設(shè)計(jì)研究總院為本文提供了工程基礎(chǔ)資料。

［1］張曉麗.淺埋暗挖法下穿既有地鐵構(gòu)筑物關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐［D］.北京：北京交通大學(xué)，2007.

［2］朱劍.新建上穿車站施工對既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響及控制研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010.

［3］盧光杰.上穿工程對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形影響及控制研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2007.

［4］畢強(qiáng)，吳金剛，馬杰.新建隧道近距離上穿既有隧道的力學(xué)分析及工程處理措施［J］.鐵道建筑，2009(8)：50-54.

［5］陶連金，張印濤，唐四海.礦山法開挖近距離上穿北京既有線隧道的三維數(shù)值模擬［C］//地下工程施工與風(fēng)險(xiǎn)防范技術(shù).2007第三屆上海國際隧道工程研討會(huì)文集，上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2007：560-565.

U231+.4;U455

B

1003-1995(2011)03-0070-04

2010-10-12;

2010-12-10

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“城市地下空間建設(shè)技術(shù)研究與工程示范”(2006BAJ27B05)資助。

許有俊(1979— )，男，內(nèi)蒙古杭錦后旗人，講師，博士研究生。

(責(zé)任審編 趙其文)