密貼下穿地下工程施工新工藝“CRD+多重預(yù)頂撐”研究

陶連金等

摘要：基于北京地鐵10號(hào)線公主墳站密貼下穿1號(hào)線公主墳站的工程背景，參照其采用“CRD+多重預(yù)頂撐工藝”的真實(shí)施工步序，運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D建立了三維精細(xì)化數(shù)值計(jì)算模型，研究了新建站的施工過(guò)程中土體塑性區(qū)的變化及既有站的變形規(guī)律.結(jié)果表明，采用“CRD+多重預(yù)頂撐”工藝進(jìn)行密貼下穿施工可有效控制既有結(jié)構(gòu)的變形，滿足其沉降控制要求，對(duì)比模擬與實(shí)測(cè)的變形分布曲線，二者吻合較好.施工完成后，既有結(jié)構(gòu)縱斷面呈雙凹槽式變形，橫向?yàn)椤癡”字形沉降，與Peck曲線相似，且底板沉降值較頂板的略大.千斤頂卸除時(shí)可能造成結(jié)構(gòu)局部較大變形或開裂，應(yīng)分級(jí)釋放其軸力.開挖過(guò)程中，土體主要發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)在四個(gè)角點(diǎn)區(qū)域向外延伸成蝴蝶形.提出“同步頂升，伺服控制”的施工理念，以實(shí)現(xiàn)對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降變形的主動(dòng)控制.

關(guān)鍵詞：交叉中隔壁（CRD）法；預(yù)頂撐系統(tǒng)；正交下穿；沉降分析；變形控制

中圖分類號(hào)：U231； TU94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

城市軌道交通的快速發(fā)展，使得更多的新建線路不可避免地穿越已建線路，致使地下空間組合結(jié)構(gòu)愈來(lái)愈普遍，已成為引領(lǐng)未來(lái)地鐵發(fā)展的一種趨勢(shì)[1-4].對(duì)于多線交叉的地鐵換乘站，為達(dá)到線路之間快捷換乘的目的，要求新建車站與既有站之間的豎向間距盡量縮小，于是，新建結(jié)構(gòu)密貼下穿既有地下結(jié)構(gòu)逐漸成為建設(shè)單位優(yōu)先考慮的結(jié)構(gòu)形式[5-6].然而，運(yùn)營(yíng)單位明確提出，在新建地鐵工程下穿既有線路時(shí)，新建線的施工引起既有結(jié)構(gòu)的沉降變形指標(biāo)不得超過(guò)3 mm，局部地區(qū)甚至要求零沉降[7]，這給建設(shè)單位進(jìn)行近距離穿越工程的施工帶來(lái)很大挑戰(zhàn).目前，學(xué)術(shù)界對(duì)新建線穿越既有結(jié)構(gòu)物的變形施工控制進(jìn)行了一些研究，但對(duì)新建地鐵車站零距離下穿既有車站的技術(shù)研究仍鮮有報(bào)道[8-10].因此，提出一種嚴(yán)格滿足沉降要求的地下結(jié)構(gòu)密貼下穿既有線施工工藝具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值.

北京地鐵10號(hào)線公主墳站密貼下穿既有1號(hào)線公主墳站，首次提出并創(chuàng)造性地應(yīng)用了“CRD+多重預(yù)頂撐”暗挖施工工藝，使得既有站的沉降值成功限制在3 mm以內(nèi).本文以該工程為研究對(duì)象，基于有限差分軟件FLAC3D對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值模擬，再現(xiàn)既有結(jié)構(gòu)的變形過(guò)程，以期獲得應(yīng)用CRD+多重預(yù)頂撐工法的理論依據(jù)，為該工法的推廣和應(yīng)用提供有價(jià)值的參考.

1工程背景

新建的北京地鐵10號(hào)線二期公主墳車站位于復(fù)興路與西三環(huán)中路交匯的新興橋橋區(qū)綠地內(nèi)，呈南北向布置，車站從下部穿越既有地鐵1號(hào)線公主墳站并與其呈十字交叉換乘，采用“分離島”站臺(tái)形式.1號(hào)線公主墳站為端頭廳式車站，車站覆土4.51 m，底板埋深12.46 m，采用鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)，車站結(jié)構(gòu)長(zhǎng)169.69 m，寬20.3 m，高7.95 m；10號(hào)線公主墳站全長(zhǎng)193.65 m，為兩端雙層、中間單層車站，其單層段密貼下穿既有1號(hào)線公主墳站.密貼下穿段長(zhǎng)26.1 m，頂板覆土約12.5 m，為單層雙跨平頂直墻矩形結(jié)構(gòu)，采用“CRD+多重預(yù)頂撐”工藝對(duì)該單層段進(jìn)行暗挖施工.

新建10號(hào)線公主墳站單層段下穿施工影響范圍內(nèi)存在既有1號(hào)線車站的4條變形縫，左線左側(cè)距變形縫1.271 m，右側(cè)距變形縫11.659 m；右線左側(cè)距變形縫10.521 m，右側(cè)距變形縫2.409 m.地鐵10號(hào)線公主墳站與1號(hào)線公主墳站的相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示.

（a）新建站與既有站位置關(guān)系橫斷面圖

（b）新建站與既有站位置關(guān)系縱斷面圖

2“CRD+多重預(yù)頂撐”工法簡(jiǎn)介

CRD暗挖工法是在進(jìn)行土體開挖時(shí)，先將整個(gè)洞室分為若干垂向分塊，每個(gè)分塊開挖及初襯完成后，盡早在該洞室內(nèi)完成結(jié)構(gòu)二襯的施作，進(jìn)而形成豎向傳力體系，以保證土體穩(wěn)定并減少沉降，然后逐步分塊完成整個(gè)洞室的開挖及襯砌施作.“多重預(yù)頂撐”工藝為在開挖及砌筑過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置不同量值的頂升設(shè)備，并根據(jù)施工時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行連續(xù)操作，用以減少洞室上部環(huán)境沉降變形的技術(shù)措施.因頂升設(shè)備在整個(gè)施工過(guò)程中，經(jīng)歷了與工法在橫向、縱向及時(shí)序上三維度結(jié)合，故稱其為“多重”.采用“CRD+多重預(yù)頂撐”工法進(jìn)行施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循“快封閉，早加頂；密監(jiān)測(cè)，勤調(diào)整；不卸力，重轉(zhuǎn)換；慎拆頂，高注漿”的二十四字方針，確保既有線結(jié)構(gòu)的安全.其主要施工步序如圖2所示.

3數(shù)值仿真分析

3.1計(jì)算模型

基于有限差分軟件FLAC3D計(jì)算平臺(tái)，建立土結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模型.土體及公主墳車站結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬；場(chǎng)地土層采用MohrCoulomb破壞準(zhǔn)則，混凝土結(jié)構(gòu)材料選為彈性本構(gòu)模型，變形縫選取無(wú)厚度接觸面單元模擬，接觸面模型采用庫(kù)倫剪切模型，通過(guò)指派NULL模型來(lái)實(shí)現(xiàn)土體的開挖，選取不同材料參數(shù)模擬超前注漿和預(yù)加固措施，采用beam單元模擬鋼支撐初期支護(hù)，地面車輛荷載按20 kPa的均布荷載施加在模型上表面.模型頂部取為自由邊界，對(duì)底部進(jìn)行法向和切向約束，其他4個(gè)側(cè)面均為法向約束.建立的土地下結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值分析模型見圖3，沿既有站結(jié)構(gòu)縱、橫斷面布置的監(jiān)測(cè)面如圖4所示.

3.2材料參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，將一定深度范圍內(nèi)土層性質(zhì)及物理力學(xué)參數(shù)相似的巖土體進(jìn)行合并，建筑場(chǎng)地自上而下土層名稱及其物理特性指標(biāo)如表1所示.既有及新建地鐵車站結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)如表2所示.

3.3設(shè)計(jì)方案的確定

參照以往近距離穿越工程案例，結(jié)合本工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了3種支護(hù)方式計(jì)算工況.工況1：全斷面注漿.工況2：PBA洞樁式+局部注漿.工況3：“CRD+多重預(yù)頂撐”工藝.將工況1和工況2分別應(yīng)用于10號(hào)線公主墳站密貼下穿1號(hào)線公主墳站的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到既有結(jié)構(gòu)的沉降值隨施工步序的變化曲線如圖5所示.

從圖5可以看出，采用全斷面注漿工法施工時(shí)，既有結(jié)構(gòu)的最終沉降值達(dá)到18.21 mm，而應(yīng)用PBA洞樁式+局部注漿工藝進(jìn)行施工模擬，既有車站的沉降值有了大幅度的減少，最大沉降量為5.38 mm，但仍不能滿足運(yùn)營(yíng)單位3 mm的沉降要求.于是，在比較設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，采用“CRD+多重預(yù)頂撐”的施工工藝并對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析.

4“CRD+預(yù)頂撐”工藝應(yīng)用分析

應(yīng)用“CRD+多重預(yù)頂撐”工藝的最大優(yōu)勢(shì)在于，其能夠?qū)崿F(xiàn)在新建結(jié)構(gòu)密貼下穿既有結(jié)構(gòu)的情況下，仍能有效控制既有結(jié)構(gòu)的沉降及不均勻變形；其施工最大的難度在于如何控制卸除千斤頂平臺(tái)系統(tǒng)時(shí)所引發(fā)的既有結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)沉降.下面從既有結(jié)構(gòu)的累計(jì)沉降、千斤頂卸除時(shí)引起的瞬時(shí)沉降、變形縫的差異變形及開挖導(dǎo)致的塑性區(qū)變化等方面進(jìn)行分析.

4.1既有結(jié)構(gòu)沉降分析

定義既有地鐵車站頂、底板的中心線為坐標(biāo)原點(diǎn)，結(jié)構(gòu)沿縱、橫向長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)軸，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值為縱坐標(biāo)軸.圖6給出了1號(hào)線公主墳站頂、底板監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿結(jié)構(gòu)縱、橫斷面的沉降變化曲線.

由圖6可知，1）新建10號(hào)線公主墳站下穿既有1號(hào)線公主墳站結(jié)構(gòu)底板中心部位的沉降值最大，為2.98 mm，說(shuō)明采用“CRD+多重預(yù)頂撐”工藝可有效控制既有結(jié)構(gòu)的豎向變形，滿足既有線不超過(guò)3 mm的沉降控制標(biāo)準(zhǔn).2）結(jié)構(gòu)頂、底板的沉降曲線變化幾乎保持一致，而底板沉降值較頂板的稍大，這是因?yàn)殚_挖引起地應(yīng)力的釋放造成了力的平衡被破壞，而這種失衡對(duì)既有站的底板率先造成了最直接影響的結(jié)果.3）圖6（a）中既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的頂板和底板沿縱向均出現(xiàn)了雙凹槽式的沉降，左半部分最大沉降值較右半部分稍大，這是因變形縫附近結(jié)構(gòu)的整體性較差，而10號(hào)線公主墳站左線與臨近變形縫的距離比右線更近之故.4）圖6（b）中，隨著新建結(jié)構(gòu)從南北相向開挖的施工過(guò)程，既有車站沉降最大值也從兩邊逐步轉(zhuǎn)移至中間，最終形成“V”字形沉降槽，與peck曲線相似，為正態(tài)分布型，且豎向變形的最大值之間的差距有增大的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著開挖的進(jìn)行，既有站的不均勻沉降有所增加.

4.2千斤頂卸除瞬時(shí)沉降分析

在預(yù)頂力施加前，所有的沉降控制只能依靠傳統(tǒng)的工程措施，效果不直接，要盡早完成初襯封閉，盡快施加預(yù)頂撐力，才能變被動(dòng)為主動(dòng)，更好地控制上部結(jié)構(gòu)的沉降.然而，千斤頂頂撐卸除時(shí)，既有結(jié)構(gòu)會(huì)瞬間產(chǎn)生較大的沉降，可能產(chǎn)生不利影響，應(yīng)對(duì)其予以分析并嚴(yán)格控制.圖7給出了千斤頂加、卸力過(guò)程中既有結(jié)構(gòu)的沉降變化曲線.

由圖7可知，數(shù)值模擬的既有結(jié)構(gòu)沉降計(jì)算值開始由初始值（土體擾動(dòng)引起）快速增加，到一定值后一段時(shí)間內(nèi)幾乎保持不變，之后迅速下降.沉降維持在一恒定值附近變化的過(guò)程正是不斷調(diào)整千斤頂頂力大小的過(guò)程，體現(xiàn)了千斤頂在主動(dòng)控制沉降方面的有效性，而當(dāng)千斤頂頂力卸除后，既有車站的沉降值由1.25 mm迅速增加到2.98 mm，沉降增加量為1.73 mm，成為既有結(jié)構(gòu)沉降最主要的貢獻(xiàn)部分，急劇的豎向變形于結(jié)構(gòu)安全不利，可能會(huì)造成應(yīng)力一定程度的增加，且頂撐力的瞬間卸除或許還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部的變形、開裂.因此，在千斤頂加力之前，應(yīng)注意兩個(gè)問(wèn)題：既有結(jié)構(gòu)底板的局部抗壓和頂撐力的基底承載力，施工中應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋及時(shí)增加必要的構(gòu)造措施及其他調(diào)整措施，防止造成既有結(jié)構(gòu)的局部破損及因基底承載力破壞帶來(lái)的不利影響.另外，要謹(jǐn)慎處置頂撐系統(tǒng)，頂撐支點(diǎn)原則上直接澆筑在結(jié)構(gòu)中不再拆除，對(duì)由于工序要求必須拆除的支點(diǎn)，遵守“不卸力，重轉(zhuǎn)換”的原則.

4.3變形縫差異沉降分析

在地鐵下穿既有線施工中，結(jié)構(gòu)在變形縫處往往會(huì)產(chǎn)生較大的差異沉降，致使道床和軌道發(fā)生明顯的變位而影響列車的正常運(yùn)行，因而變形縫處既有結(jié)構(gòu)的差異變形控制非常嚴(yán)格，要求不得超過(guò)2 mm.圖8給出了1號(hào)線公主墳站變形縫兩側(cè)的當(dāng)前沉降值及下穿施工完成后的數(shù)值模擬沉降結(jié)果.

沉降縫編號(hào)

圖8變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)差異沉降值

Fig.8Structure differential settlement value

on both sides of deformation joint

由圖8可知，未開挖時(shí)既有結(jié)構(gòu)4條變形縫兩側(cè)的差異變形很小，且彼此之間的不均勻沉降也不明顯；施工完成后，變形縫處的差異沉降有所增加，但其最大值仍不足1 mm，可完全滿足運(yùn)營(yíng)單位的要求，說(shuō)明千斤頂預(yù)頂撐工藝在主動(dòng)控制變形縫差異沉降方面效果明顯.

4.4土體塑性區(qū)變化分析

對(duì)周圍土體而言，施工中往往會(huì)受到橫向效應(yīng)、縱向效應(yīng)及加卸載效應(yīng)等因素的影響，引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)多次重分布，從而引發(fā)地層和結(jié)構(gòu)的沉降與變形.

塑性區(qū)準(zhǔn)則是對(duì)近接施工影響度判別的一個(gè)很重要的準(zhǔn)則.近接施工引起周邊應(yīng)力重分布后，若地層仍處于彈性狀態(tài)，說(shuō)明圍巖強(qiáng)度仍有潛力，對(duì)既有結(jié)構(gòu)引起的受力變化不大，只有出現(xiàn)塑性區(qū)且與既有側(cè)連通時(shí)，才會(huì)引起對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的較大影響.限于篇幅，僅給出施工完成時(shí)的土體橫、縱斷面塑性區(qū)的分布圖，如圖9所示.

在理想情況下，土中的塑性區(qū)形狀與開挖形狀基本一致，且呈軸對(duì)稱狀.當(dāng)開挖形狀為圓形時(shí)，塑性區(qū)的形狀為圓環(huán)形；開挖形狀為矩形時(shí)，塑性區(qū)在四個(gè)角點(diǎn)區(qū)域會(huì)向外延伸，像蝴蝶形，而在實(shí)際工程中，塑性區(qū)的形狀會(huì)有很大變化.在本工程施工過(guò)程中，臨近開挖部分的土體卸載最多，也最可能出現(xiàn)塑性區(qū)，見圖9.從圖9可以看出，開挖部分上部的土體塑性區(qū)范圍很大，厚度約為12.5 m；底部較小.在頂部區(qū)域，土體因自重作用而產(chǎn)生向下的位移趨勢(shì)，周圍土體對(duì)其的挾制作用減小，帶動(dòng)更大范圍內(nèi)的土體向下位移，使其應(yīng)力減?。欢诘撞繀^(qū)域，土體自重由其下部土體承擔(dān)，這種挾制作用基本未減弱，僅因表層土體應(yīng)力釋放而產(chǎn)生很薄的塑性區(qū).

圖9土體塑性區(qū)變化縱、橫斷面圖

Fig.9Soil plastic zone changes along longitudinal and cross sectional

5計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性并及時(shí)掌握既有地鐵線結(jié)構(gòu)的變形狀況，給今后的同類工程設(shè)計(jì)提供類比依據(jù)，對(duì)既有地鐵1號(hào)線公主墳站的變形情況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和靜態(tài)的人工監(jiān)測(cè).圖7及圖10分別給出了既有車站結(jié)構(gòu)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬的計(jì)算值的變形曲線，由此可以發(fā)現(xiàn)：既有站沿縱斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的最終變形規(guī)律（圖10）及其隨施工步序變化的累計(jì)沉降規(guī)律（圖7）均大體上保持一致，滿足3 mm的沉降控制指標(biāo)，而實(shí)測(cè)值稍大，究其緣故，主要是由于在實(shí)際施工中，結(jié)構(gòu)受到地面移動(dòng)荷載及施工中出現(xiàn)的各種不確定性因素的影響造成的，二者之間的微小偏差在可預(yù)見的范圍內(nèi).因此，對(duì)采用“CRD+多重預(yù)頂撐工藝”的密貼下穿地鐵車站工程進(jìn)行數(shù)值模擬可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和變形值，其對(duì)施工具有參考指導(dǎo)意義，是切實(shí)可行的.

該體系包括土體開挖控制沉降措施、初支結(jié)構(gòu)施工控制沉降措施、二襯施工控制措施及貫穿全過(guò)程的監(jiān)測(cè)體系，其中以如何基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所反饋的數(shù)據(jù)合理控制千斤頂頂升平臺(tái)控制系統(tǒng)是整個(gè)控制體系最重要的部分.對(duì)此，提出了應(yīng)用于地鐵穿越工程中“同步頂升，伺服控制”的施工理念[11]，以形成對(duì)既有線結(jié)構(gòu)沉降的主動(dòng)控制.“同步頂升，伺服控制”的核心理念為基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，對(duì)位移傳感器、液壓設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，將各支撐點(diǎn)采集的變形數(shù)據(jù)反饋到計(jì)算機(jī)控制臺(tái)，由控制臺(tái)根據(jù)提前設(shè)定的變形要求自動(dòng)控制千斤頂同步頂升，形成多點(diǎn)同步協(xié)調(diào)控制體系.

7結(jié)論

以北京地鐵10號(hào)線公主墳站下穿既有1號(hào)線公主墳站為工程背景，運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化的數(shù)值模擬分析，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，得到如下主要結(jié)論：

1）采用“CRD+多重預(yù)頂撐”工藝進(jìn)行地鐵密貼下穿施工可有效控制既有結(jié)構(gòu)豎向變形和沉降縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)的差異沉降，滿足既有結(jié)構(gòu)的沉降控制指標(biāo).

2）既有結(jié)構(gòu)縱斷面呈雙凹槽式變形，橫向?yàn)椤癡”字形沉降，與Peck曲線相似，呈正態(tài)分布型，且底板沉降值較頂板的大.

3）千斤頂卸除時(shí)引起既有結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)沉降可能造成結(jié)構(gòu)局部較大變形或開裂，應(yīng)確保千斤頂分段拆除，分級(jí)釋放其軸力.

4）開挖過(guò)程中，土體主要發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)在四個(gè)角點(diǎn)區(qū)域向外延伸成蝴蝶形，開挖部分上部的土體塑性區(qū)范圍大，底部塑性區(qū)范圍較小.

5）提出“同步頂升，伺服控制”的施工理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降變形的主動(dòng)控制.

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