多重預(yù)頂撐技術(shù)在地鐵密貼穿越工程中的應(yīng)用

李積棟 油新華 郝志宏 張金喜

(1. 中國(guó)建筑工程總公司技術(shù)中心 北京 101300； 2. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 北京 100124；3. 北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100037)

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多重預(yù)頂撐技術(shù)在地鐵密貼穿越工程中的應(yīng)用

李積棟1，2油新華1郝志宏3張金喜2

(1. 中國(guó)建筑工程總公司技術(shù)中心 北京 101300； 2. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 北京 100124；3. 北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100037)

以北京地鐵新建10號(hào)線公主墳站密貼下穿既有1號(hào)線為工程背景，探討多重預(yù)頂撐施工技術(shù)，并設(shè)計(jì)一種新型的頂撐平臺(tái)系統(tǒng)，研究多重預(yù)頂撐施工技術(shù)在大跨度密貼穿越施工中的應(yīng)用。數(shù)值分析及實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在暗挖施工中，多重預(yù)頂撐技術(shù)是一種主動(dòng)防御變形、控制沉降的有效措施，按照既有站的變形狀況，動(dòng)態(tài)調(diào)整千斤頂頂力，達(dá)到控制沉降發(fā)展的效果，在密貼穿越施工中具有非常高的實(shí)用性。

城市軌道交通；密貼穿越；千斤頂；沉降；多重預(yù)頂撐；動(dòng)態(tài)調(diào)整

北京地鐵新建10號(hào)線公主墳車(chē)站下穿既有1號(hào)線車(chē)站工程，為保證既有線路正常運(yùn)行，要求新建車(chē)站施工引起的既有站沉降值不大于3 mm，變形縫兩側(cè)差異沉降不大于2 mm，工程難度極大。在此嚴(yán)格要求下，提出了“平頂直墻CRD+多重預(yù)頂撐”的暗挖新工法。該技術(shù)的提出和實(shí)施，有望解決地下工程的一個(gè)較大難題，突破下穿工程的瓶頸，為國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)的發(fā)展奠定重要的基礎(chǔ)[1-8]。

1 工程概況

1.1 工程背景

新建10號(hào)線二期公主墳車(chē)站下穿1號(hào)線既有站,位于復(fù)興路與西三環(huán)中路交會(huì)的新興橋橋區(qū)綠地內(nèi)，兩車(chē)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(jié)構(gòu)寬14.05 m、高9.32 m、穿越長(zhǎng)度達(dá)26.1 m，為單層雙跨平頂直墻矩形結(jié)構(gòu)；既有站結(jié)構(gòu)建于1967年，為鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)，車(chē)站結(jié)構(gòu)長(zhǎng)169.69 m，寬20.3 m，高7.95 m。新建站與既有站的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建站與既有站位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)情況

新建車(chē)站拱頂(頂板)位置土層主要為粉土層、粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂層。

新建車(chē)站中樓板位置土層主要為卵石層、中粗砂層，礫巖層。

新建車(chē)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(hào)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(jù)工程要求及地質(zhì)條件，下穿段采用“平頂直墻CRD+多重預(yù)頂撐”工法施工，并根據(jù)上部結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果配合實(shí)施液壓同步頂撐控制技術(shù)，新建站橫剖面如圖2所示。

圖2 新建站橫剖面

從開(kāi)挖、支護(hù)、頂撐和二襯工藝流程來(lái)看，該下穿工程可分為10個(gè)步序:① 注漿加固單層段結(jié)構(gòu)周邊土體；② 超前深孔加固1部上半部地層、按施工步序進(jìn)行1、2部的初支施工(每榀型鋼格柵成環(huán)后及時(shí)利用千斤頂加力)；③ 通過(guò)1部側(cè)壁向3、5部深孔注漿；④ 1、2部范圍內(nèi)二襯的施工；⑤ 3、4部的初支施工(每榀型鋼格柵成環(huán)后及時(shí)利用千斤頂加力)；⑥ 3、4部范圍內(nèi)二襯施工；⑦ 5、6部的初支施工；⑧ 架設(shè)臨時(shí)鋼支撐(根據(jù)監(jiān)測(cè)施加頂力)、分段拆除初支臨時(shí)中隔墻和千斤頂；⑨ 進(jìn)行5、6部范圍內(nèi)二襯施工；⑩ 二襯背后注漿、分段拆除臨時(shí)鋼支撐。

2 頂撐控制方案

新建10號(hào)線二期公主墳車(chē)站密貼穿越1號(hào)線既有站采用同步液壓頂撐系統(tǒng)，主動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)調(diào)整既有站沉降，使既有站結(jié)構(gòu)沉降值滿足設(shè)計(jì)要求，從而保證既有線路的正常運(yùn)行。

2.1 同步液壓頂撐系統(tǒng)

PLC液壓控制系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)的實(shí)荷重，通過(guò)力的平衡自動(dòng)調(diào)整各臺(tái)千斤頂?shù)捻敁瘟?，在施工過(guò)程中保持各頂撐力的平衡，保證各頂撐點(diǎn)所需的頂力值與實(shí)際提供值能夠相符，使頂撐過(guò)程中結(jié)構(gòu)受到的附加內(nèi)力最小。同時(shí),千斤頂根據(jù)分布位置進(jìn)行分組，與結(jié)構(gòu)各控制點(diǎn)的位移傳感器組成位置閉環(huán)路，保證頂撐過(guò)程各千斤頂?shù)耐骄茸罡遊9-15]。

2.2 頂撐階段劃分

千斤頂頂撐加力共分為3個(gè)階段，每個(gè)階段千斤頂頂撐力都不是恒定的，而是根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化的，即通過(guò)調(diào)整千斤頂頂撐力，主動(dòng)控制既有站沉降。

1) 在1、2導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中，每榀型鋼格柵成環(huán)后通過(guò)千斤頂加力(間隔1.5 m)，預(yù)壓地層，動(dòng)態(tài)控制既有站底板沉降。同時(shí)，1、2導(dǎo)洞二襯結(jié)構(gòu)完成后，在頂板與底板間架設(shè)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(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中，千斤頂加力同1、2導(dǎo)洞。

3) 5、6導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，加大兩側(cè)垂直鋼管支撐頂力，在監(jiān)測(cè)應(yīng)力允許的情況下，拆除小導(dǎo)洞5兩側(cè)壁的型鋼格柵及千斤頂(1、3部外側(cè)墻上的千斤頂直接澆入結(jié)構(gòu)砼內(nèi)、內(nèi)側(cè)的千斤頂進(jìn)行拆除)；在二襯結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95%以上時(shí)，根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，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(shù)顯自鎖式千斤頂，縱向間距1.5 m，每斷面設(shè)4個(gè)，共112個(gè)千斤頂，每臺(tái)移動(dòng)泵站負(fù)責(zé)14臺(tái)千斤頂施加及補(bǔ)償頂力。臨時(shí)鋼支撐采用φ609鋼管撐，縱向間距3.0 m，每根臨時(shí)鋼支撐頂端設(shè)置一臺(tái)70 t液壓自鎖千斤頂，共36個(gè)。千斤頂布置縱、橫斷面見(jiàn)圖3。

圖3 千斤頂布置

2.4 千斤頂頂撐平臺(tái)研究

在“平頂直墻CRD+多重預(yù)頂撐”工法中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)全新的結(jié)構(gòu)體系，作為頂撐作業(yè)的操作平臺(tái)及受力平臺(tái)。傳統(tǒng)的鋼筋格柵抗壓性能相對(duì)較弱、剛度小，容易發(fā)生抗壓破壞、失穩(wěn)破壞等，無(wú)法結(jié)合頂撐進(jìn)行作業(yè)。將頂撐基礎(chǔ)平臺(tái)與初支剛架結(jié)合，設(shè)計(jì)的一種新型型鋼組合構(gòu)件體系，既可作為預(yù)頂撐操作的平臺(tái)，又可作為開(kāi)挖洞室的初支結(jié)構(gòu)，并巧妙利用初支洞室的整體剛度，解決頂撐平臺(tái)的基礎(chǔ)承載力不足問(wèn)題。

該頂撐平臺(tái)由千斤頂、工字鋼、堵頭板、加勁肋板、千斤頂支座、連接板、高強(qiáng)螺栓組成，橫向型鋼與豎向格柵由連接板、高強(qiáng)螺栓連接，組成承受豎向及橫向土壓力的受力體系。該平臺(tái)的豎向格柵上設(shè)置堵頭板，在堵頭板上設(shè)置千斤頂支座并放置千斤頂，此部分為平臺(tái)設(shè)計(jì)中的頂撐部分，千斤頂上部單獨(dú)設(shè)置橫向工字鋼梁，通過(guò)該梁將千斤頂頂力均勻傳遞給上覆結(jié)構(gòu)。千斤頂下部的豎向工字鋼間設(shè)置橫向工字鋼，以提高豎向工字鋼的穩(wěn)定性。頂撐平臺(tái)及平臺(tái)型鋼構(gòu)件如圖4、5所示。

圖4 千斤頂頂撐平臺(tái)

圖5 千斤頂頂撐大樣

本支撐平臺(tái)的上部橫向托梁作為千斤頂?shù)纳喜渴芰ν屑?，分別承受千斤頂?shù)捻斄Γ⒈ＷC在下部基座受到適度的擠壓密實(shí)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(cè)壁的千斤頂設(shè)置了安裝基座及固定措施。為中跨后續(xù)的沉降應(yīng)急處理或加強(qiáng)處理預(yù)留了實(shí)施條件：在上部橫向托梁的下方設(shè)置了上部橫向支撐橫梁，可作為橫向支撐來(lái)平衡導(dǎo)洞側(cè)土壓力，也可作為后期實(shí)施過(guò)程中的應(yīng)急千斤頂支點(diǎn)的平臺(tái)，平臺(tái)下可根據(jù)情況設(shè)置臨時(shí)立柱將頂力傳向地基。

該平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新在于：1) 機(jī)械操作工藝與傳統(tǒng)土建工程工法結(jié)合后的操作平臺(tái)，既能滿足土建施工需要，又能滿足機(jī)械操作平臺(tái)需求；2) 本平臺(tái)可解決頂撐受力轉(zhuǎn)換與土建工序中的受力轉(zhuǎn)換間關(guān)系，兩者毋須相互協(xié)調(diào)，也能起到控制作用；3) 可解決頂撐上基頂、下基底結(jié)構(gòu)受力框架與頂撐力間的力學(xué)關(guān)系問(wèn)題，即頂撐力不能轉(zhuǎn)化為土建框架內(nèi)力的問(wèn)題；4) 本平臺(tái)可滿足土建工法中其他輔助措施的有效實(shí)施，如側(cè)壁超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管、格柵步距調(diào)整、土體加固等。

2.5 千斤頂施工

在暗挖施工過(guò)程中，千斤頂通過(guò)人工進(jìn)行安裝固定，對(duì)洞室初支結(jié)構(gòu)頂部施加頂力。千斤頂施加頂力時(shí)，采用移動(dòng)泵站對(duì)千斤頂施加液壓頂力，頂力按每5 t分級(jí)逐步進(jìn)行施加。頂力施加完畢后，采用鋼楔子將頂部工鋼與初支結(jié)構(gòu)之間的縫隙楔死。每臺(tái)移動(dòng)泵站均設(shè)專人進(jìn)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(xiàn)異?；虺两禂?shù)據(jù)過(guò)大，則及時(shí)由工作面其他工種人員協(xié)助對(duì)頂力進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)楔緊鋼楔子。千斤頂施工圖如圖6所示。

圖6 多臺(tái)千斤頂同時(shí)加力頂撐

3 數(shù)值模擬

圖7 計(jì)算模型

為了有效地控制既有站沉降，需要預(yù)先確定千斤頂在施工過(guò)程中的主動(dòng)控制值。結(jié)合既有站3 mm沉降控制指標(biāo)，采用有限差分軟件FLAC3D數(shù)值模擬新建站密貼穿越既有站施工過(guò)程，確定施工各階段千斤頂頂撐加力值。數(shù)值模型如圖7所示，地層參數(shù)及結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)參考文獻(xiàn)[7]，數(shù)值計(jì)算過(guò)程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案模擬施工全過(guò)程，并利用注漿、調(diào)節(jié)千斤頂頂力等方法主動(dòng)控制既有站沉降。

施工過(guò)程中千斤頂頂撐力分布曲線和在千斤頂主動(dòng)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(dǎo)洞施工完成后，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整千斤頂頂撐力，抬升既有站結(jié)構(gòu)，控制既有站沉降，千斤頂頂撐力達(dá)到120 t,其中頂撐力變化幅度較大階段位于1、2導(dǎo)洞二襯施工前后；2) 6導(dǎo)洞開(kāi)挖結(jié)束，千斤頂卸載，造成既有站大幅度沉降，階段沉降值達(dá)到1.2 mm，但既有站沉降量最終穩(wěn)定在3 mm以內(nèi)。其中，加載、卸載為了保證既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采用逐級(jí)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(guān)系見(jiàn)表1。

圖8 各步序沉降曲線

圖9 頂撐力分布曲線

4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在暗挖施工過(guò)程中，自動(dòng)化與人工監(jiān)測(cè)相結(jié)合，加強(qiáng)對(duì)既有1號(hào)線公主墳車(chē)站結(jié)構(gòu)及軌道變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)變位控制原理沉降指標(biāo)，通過(guò)同步液壓頂撐系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整加力值，并隨時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)千

表1 施工各階段既有線結(jié)構(gòu)沉降控制

斤頂軸力的穩(wěn)定情況，保證頂力持續(xù)在設(shè)計(jì)規(guī)定范圍以內(nèi)，主動(dòng)控制既有站沉降[16-17]。

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：1) 1、2#導(dǎo)洞初支施工完成，既有地鐵道床及結(jié)構(gòu)豎向變形累計(jì)變形量較大，最大的累計(jì)變形值達(dá)到-1.66 mm，超設(shè)計(jì)分布沉降量，共占沉降量的55.6%；2) 開(kāi)挖3、4、5、6#導(dǎo)洞通過(guò)增加臨時(shí)立柱數(shù)量及千斤頂預(yù)加力，加強(qiáng)超前注漿及初支背后補(bǔ)注漿等措施控制既有站沉降量，3、4#導(dǎo)洞初支施工完成，最大的累計(jì)變形值達(dá)到-2.99 mm，極接近控制值，且千斤頂頂撐力達(dá)到135 t；3) 5、6#導(dǎo)洞開(kāi)挖前對(duì)整個(gè)開(kāi)挖面進(jìn)行加固，并通過(guò)千斤頂增加頂力，不拆除1、3#導(dǎo)洞內(nèi)側(cè)千斤頂?shù)却胧?，避免再發(fā)生較大沉降，使施工對(duì)上方既有地鐵1號(hào)線公主墳站的影響較小。既有結(jié)構(gòu)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(shí)際頂撐力要大于設(shè)計(jì)頂撐力，最終頂撐力高達(dá)150 t，高出設(shè)計(jì)值30 t。其主要原因在于列車(chē)運(yùn)營(yíng)和人群流動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)荷載較大且持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，很大程度上影響了既有站沉降。同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)，5、6#導(dǎo)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(dǎo)洞內(nèi)千斤頂均未拆除，并一起澆筑于二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)，保證了既有站結(jié)構(gòu)沉降量。

圖10 各步序沉降曲線

圖11 頂撐力分布曲線

5 結(jié)論

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

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

2) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析，確定新建站各階段施工過(guò)程中既有站沉降控制值與千斤頂頂撐力的大小關(guān)系。

3) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，多重預(yù)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(jù)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(shí)立柱數(shù)量及千斤頂預(yù)加力等措施。

致謝：感謝北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司、北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司、中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)有限公司北京地鐵十號(hào)線二期12標(biāo)項(xiàng)目部、北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司無(wú)私提供的寶貴資料。同時(shí)，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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41242337)

U231

A

1672-6073(2016)05-0079-05