暗挖大斷面隧道穿越既有地鐵高架區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)控制

李志佳 劉力 劉衍峰

(1.北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司 100101; 2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082)

引言

近年來(lái),為了解決城市交通擁堵問(wèn)題,全國(guó)許多城市均在加快修建城市軌道交通。城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)必然帶來(lái)新建線路與既有線路的交叉。在穿越、鄰近既有線工程中,要保證工程的順利實(shí)施,更重要的是保證既有線的安全運(yùn)營(yíng)。要實(shí)現(xiàn)安全、成功地穿越既有線,就需要采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

張金偉[1]對(duì)單洞單線暗挖地鐵區(qū)間穿越城市大型立交橋橋區(qū)風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。李兆平等[2]探討了北京地鐵鄰近橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分應(yīng)考慮的因素和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法,形成了對(duì)鄰近橋梁的風(fēng)險(xiǎn)控制與保護(hù)技術(shù)程序。王東清[3]對(duì)地鐵暗挖隧道近距離穿越城市立交橋橋樁施工技術(shù)進(jìn)行了分析。王力勇[4]等對(duì)地鐵隧道下穿高架橋施工控制技術(shù)進(jìn)行了研究,通過(guò)在隧道施工過(guò)程中增設(shè)臨時(shí)仰拱等工程措施加固土體,控制建筑物沉降。上述文獻(xiàn)多就單洞單線地鐵暗挖隧道穿越市政橋梁進(jìn)行研究和討論,而對(duì)單洞雙線暗挖大斷面隧道穿越既有地鐵高架區(qū)間的研究較少。本文以北京地鐵15 號(hào)線單洞雙線大斷面區(qū)間隧道側(cè)穿及區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道鄰近既有13 號(hào)線地鐵高架區(qū)間為例,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制措施進(jìn)行了研究,并結(jié)合數(shù)值分析、施工監(jiān)控量測(cè),在保證地鐵13 號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)的前提下,順利完成了工程的施工。

1 工程概況

北京地鐵15 號(hào)線清華東站站后折返線區(qū)間為單洞雙線暗挖大斷面隧道,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。如圖1 所示,隧道自東向西暗挖下穿13號(hào)線高架橋區(qū)間,區(qū)間風(fēng)井及風(fēng)道位于既有地鐵13 號(hào)線高架橋區(qū)間西側(cè)。

圖1 區(qū)間及區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道與既有13 號(hào)線關(guān)系Fig.1 Relationship between the metro section,ventilation shaft,air duct and Line 13

地鐵13 號(hào)線五道口站—上地站區(qū)間為高架區(qū)間,穿越段為18.5m+27m+20.75m 三跨連續(xù)梁,隧道穿越處橋跨18.5m,承臺(tái)尺寸為6.0m×5.5m×2m,覆土約7m; 承臺(tái)下設(shè)四根直徑1.0m 橋樁,樁長(zhǎng)約34m。

折返線區(qū)間下穿13 號(hào)線區(qū)間段范圍為23.58m,結(jié)構(gòu)斷面型式為單洞雙線大斷面,開(kāi)挖尺寸為12.3m(寬) × 10.02m(高),覆土約17.36m。如圖2 所示,下穿處隧道初支外皮距離南側(cè)橋樁水平凈距為0.74m,距離北側(cè)橋樁水平凈距為0.46m,折返線隧道與南側(cè)承臺(tái)豎向垂直凈距約為8.37m,與北側(cè)承臺(tái)豎向垂直凈距約為8.33m。

圖2 區(qū)間與既有13 號(hào)線關(guān)系Fig.2 Relationship between the metro section andLine 13

區(qū)間風(fēng)井及風(fēng)道位于地鐵13 號(hào)線高架橋西側(cè)。風(fēng)井開(kāi)挖尺寸為8.4m(長(zhǎng)) ×5.2m(寬),采用倒掛井壁法施工; 風(fēng)道開(kāi)挖尺寸為7.4m(寬)×13.47m(高),拱頂直墻雙層斷面,臺(tái)階法施工,覆土14.26m。如圖3 所示,區(qū)間風(fēng)道初支外皮距離東側(cè)橋樁水平凈距為5.92m,距離東側(cè)橋樁承臺(tái)水平凈距為5.42m。

圖3 區(qū)間風(fēng)道與既有13 號(hào)線關(guān)系Fig.3 Relationship between the air duct and Line 13

該工程所處地層從上到下依次為雜填土①1層、粉土填土①層、粉土③層、粉細(xì)砂③3層、粉質(zhì)粘土③1層、粉土④2層、粉質(zhì)粘土④層、粉土⑥2層、粉質(zhì)粘土⑥層、中粗砂⑦1層、圓礫卵石⑦層。

地下水包括上層滯水(一)、潛水(二)、層間水(三)和承壓水(四)。區(qū)間及區(qū)間風(fēng)道開(kāi)挖范圍主要為潛水(二)(位于區(qū)間風(fēng)道拱頂位置)及層間水(三)(位于區(qū)間風(fēng)道底板以上約4m 位置),承壓水(四)位于結(jié)構(gòu)底板以下。

2 區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道及區(qū)間施工步序

區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道及區(qū)間的施工步序見(jiàn)圖4,具體步序如下：

(1)對(duì)既有13 號(hào)線橋樁所在區(qū)域進(jìn)行地面深孔注漿加固土體(Ⅰ);

(2)對(duì)豎井(即區(qū)間風(fēng)井)周邊土體進(jìn)行深孔注漿止水(Ⅱ);

(3)豎井采用倒掛井壁法開(kāi)挖,開(kāi)挖至施工通道拱部時(shí),在豎井內(nèi)沿施工通道馬頭門外輪廓打設(shè)超前注漿小導(dǎo)管加固地層,開(kāi)挖至井底并封底(Ⅲ);

(4)采用深孔注漿縱向超前預(yù)加固橫通道(即區(qū)間風(fēng)道)地層,分區(qū)鑿除施工通道馬頭門范圍井壁混凝土,同步架設(shè)施工通道格柵鋼架,采用CRD 法施工橫通道(Ⅳ);

(5)在施工通道內(nèi)進(jìn)行區(qū)間穿越13 號(hào)線區(qū)間高架橋樁的大斷面隧道全斷面深孔注漿加固(Ⅴ);

(6)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)區(qū)間進(jìn)行開(kāi)挖,直至到達(dá)區(qū)間風(fēng)道(Ⅵ);

(7)先后依次澆筑區(qū)間正線二襯結(jié)構(gòu)、風(fēng)道二襯結(jié)構(gòu)及豎井內(nèi)風(fēng)井二襯結(jié)構(gòu)。

圖4 區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道及區(qū)間施工步序Fig.4 Construction plan of the metro section,ventilation shaft and air duct

3 區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道及區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)控制措施

區(qū)間風(fēng)道初支外皮與東側(cè)橋樁水平凈距僅為5.92m,為一級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程。區(qū)間開(kāi)挖寬度12.3m,下穿處隧道初支外皮與南側(cè)、北側(cè)橋樁水平凈距分別為0.74m、0.46m,屬于特級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程。該工程開(kāi)挖斷面大,又緊鄰既有地鐵橋樁,還有風(fēng)井、風(fēng)道及區(qū)間的多次擾動(dòng),為保證既有13 號(hào)線高架區(qū)間的正常運(yùn)營(yíng),需要保證橋梁和橋樁的變形在一定控制值之內(nèi)(控制值見(jiàn)第5 節(jié))。因此,該工程采取了以下措施。

3.1 地面深孔注漿加固橋樁區(qū)域土體

由于區(qū)間風(fēng)道初支外皮與東側(cè)橋樁水平凈距僅為5.92m,折返線隧道初支外皮與南側(cè)、北側(cè)橋樁水平凈距分別為0.74m、0.46m,隧道的開(kāi)挖必然導(dǎo)致上部土體沉降,進(jìn)而對(duì)既有結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響。常見(jiàn)的鄰近施工加強(qiáng)措施可以分為兩種,即加固既有結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化支護(hù)措施。由于區(qū)間風(fēng)道與既有13 號(hào)線為平行關(guān)系,區(qū)間與既有13 號(hào)線為正交關(guān)系,二者綜合影響比較復(fù)雜,因此應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,經(jīng)過(guò)對(duì)比擬選用地面深孔注漿加固橋樁所在區(qū)域的土體。

地面深孔注漿加固范圍為最外側(cè)橋樁外皮外放2m,隧道開(kāi)挖拱部以上3m,仰拱以下2.5m,見(jiàn)圖5。漿液配比、擴(kuò)散半徑、注漿壓力等指標(biāo)應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定,推薦深孔注漿壓力控制在1.0MPa ～1.5MPa,單孔擴(kuò)散半徑不小于0.5m,注漿漿液采用水泥- 水玻璃雙液漿,根據(jù)地層條件添加調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時(shí)間和可注性的外加劑; 注漿加固后土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于1.0MPa。

3.2 開(kāi)挖前在橋跨下放置滿堂紅支架預(yù)支頂

工程施工前對(duì)施工影響的橋跨下放置滿堂紅支架進(jìn)行預(yù)支頂,根據(jù)橋梁變形監(jiān)測(cè)情況采用千斤頂進(jìn)行頂升,并針對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的工程特點(diǎn),制定完善的應(yīng)急預(yù)案并報(bào)產(chǎn)權(quán)單位備案。

3.3 開(kāi)挖前深孔注漿止水

暗挖工程需保證無(wú)水作業(yè),否則易影響側(cè)壁及掌子面的穩(wěn)定。為保證無(wú)水作業(yè),可以選擇降水或者止水措施。一般情況下多選擇降水,但此工程由于臨近既有13 號(hào)線,若降水會(huì)造成較大的地表沉降,從而影響其正常運(yùn)營(yíng),因此采用深孔注漿止水,保證開(kāi)挖時(shí)無(wú)水作業(yè)。

圖5 地面深孔注漿加固范圍Fig.5 Reinforcement range by ground deep hole grouting

圖6 深孔注漿止水范圍Fig.6 Sealing range by deep hole grouting

區(qū)間風(fēng)井(兼施工豎井)隨開(kāi)挖對(duì)井壁周圈進(jìn)行超前向下深孔注漿止水,風(fēng)道在開(kāi)挖前對(duì)支護(hù)外圍采取洞內(nèi)深孔注漿止水措施,深孔注漿區(qū)為初支外皮外放1.5m,見(jiàn)圖6。每段深孔注漿縱向長(zhǎng)度12m,挖10m,段與段間搭接2m,每一段注漿前在掌子面設(shè)置0.3m 厚止?jié){墻。推薦注漿壓力控制在0.8MPa ～1.0MPa,漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,注漿加固后土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為不小于0.5MPa,注漿止水后要求土體滲透系數(shù)不大于1.0 ×10-6cm/s。

3.4 開(kāi)挖前區(qū)間隧道洞內(nèi)全斷面注漿加固土體

區(qū)間隧道除對(duì)橋樁區(qū)域采取地面深孔注漿加固土體外,其余施工影響范圍采用洞內(nèi)全斷面注漿加固土體措施。全斷面注漿加固范圍為仰拱外放2.5m,其他位置外放3.0m,見(jiàn)圖7。推薦注漿壓力、漿液、注漿加固后土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及土體滲透系數(shù)要求同區(qū)間風(fēng)井深孔注漿的要求。

圖7 區(qū)間全斷面注漿加固范圍Fig.7 Reinforcement range by deep hole grouting in the metro section

4 區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道及區(qū)間施工變形預(yù)測(cè)

4.1 區(qū)間風(fēng)井及風(fēng)道臨近既有13 號(hào)線施工變形預(yù)測(cè)

本文采用MIDAS -GTS 巖土工程數(shù)值分析軟件,建立二維數(shù)值分析模型。土體采用摩爾-庫(kù)侖模型,采用提高注漿范圍內(nèi)土體強(qiáng)度及彈性模量的方式模擬注漿加固效果。模型中各地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。模型底部約束豎向位移,側(cè)邊約束水平位移。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of the stratum

模型計(jì)算過(guò)程中,先進(jìn)行地應(yīng)力平衡,然后按照風(fēng)井、風(fēng)道的施工步序進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,風(fēng)井及風(fēng)道施工引起的橋墩總沉降為1mm,地表總沉降為2.9mm。

4.2 區(qū)間側(cè)穿既有13 號(hào)線施工變形預(yù)測(cè)

同樣采用MIDAS-GTS 有限元程序進(jìn)行沉降變形分析計(jì)算。區(qū)間隧道各個(gè)施工步驟引起的地表沉降計(jì)算結(jié)果如下：

第一步： 左側(cè)上部洞室的開(kāi)挖及支護(hù),地表沉降值為1.1mm; 第二步： 左側(cè)下部洞室的開(kāi)挖及支護(hù),地表沉降值為1.6mm; 第三步： 右側(cè)上部洞室的開(kāi)挖及支護(hù),地表沉降值為2.4mm; 第四步： 右側(cè)下部洞室的開(kāi)挖及支護(hù),地表沉降值為3.0mm; 第五步： 中間上部洞室開(kāi)挖及支護(hù),地表沉降值為3.8mm; 第六步： 中間下部洞室開(kāi)挖及支護(hù),地表沉降值為4.3mm; 第七步： 分步拆除支撐,施做二次襯砌,地表沉降值為5.4mm。區(qū)間隧道施工引起的橋墩總沉降為0.8mm。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,區(qū)間風(fēng)道及折返線區(qū)間隧道施工引起的橋墩累計(jì)總沉降為1.8mm。

5 既有13 號(hào)線變形控制指標(biāo)

由北京交通大學(xué)完成的《既有地鐵13 號(hào)線高架橋五道口站—上地站區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道安全性影響評(píng)估報(bào)告》依據(jù)其他類似工程經(jīng)驗(yàn)及相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在綜合考慮預(yù)測(cè)變形值和結(jié)構(gòu)允許變形值的基礎(chǔ)上考慮一定的安全系數(shù),確定了既有13 號(hào)線區(qū)間橋梁及軌道變形控制指標(biāo)見(jiàn)表2 ～表4。

表2 地鐵區(qū)間橋梁結(jié)構(gòu)累計(jì)變形控制指標(biāo)Tab.2 Cumulative deformation control index of metro bridge structure

表3 地鐵區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)累計(jì)變形控制指標(biāo)Tab.3 Cumulative deformation control index of metro track structure

表4 相鄰橋墩累計(jì)差異沉降變形控制指標(biāo)Tab.4 Accumulated differential settlement deformation control index of adjacent bridge pier

根據(jù)變位分配法原理[5],將變形控制指標(biāo)分解至各個(gè)施工步序。根據(jù)沉降變形分析計(jì)算結(jié)果及評(píng)估結(jié)論,結(jié)合北京類似工程經(jīng)驗(yàn),13 號(hào)線區(qū)間橋墩控制指標(biāo)分解如下(區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道及區(qū)間下穿總控制值為3mm)：

區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道： 區(qū)間風(fēng)井累計(jì)變形為15%,風(fēng)道累計(jì)變形為35%;

區(qū)間開(kāi)挖： 第一步累計(jì)變形為50%,第二步累計(jì)變形為60%,第三步累計(jì)變形為70%,第四步累計(jì)變形為80%,第五步累計(jì)變形為90%,第六步為95%,第七步為100%。

6 現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)采取第3 節(jié)所述各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施,暗挖大斷面區(qū)間隧道初支及二襯施工完畢后,實(shí)測(cè)橋墩最大沉降量為2.84mm,最大差異沉降為1.68mm,軌道結(jié)構(gòu)變形最大值2.34mm。實(shí)測(cè)橋墩最大沉降量比數(shù)值模擬略大,主要由于隧道的拱腰及拱底位于卵石層,注漿止水難以保證完全密封。但經(jīng)過(guò)對(duì)比,各項(xiàng)變形數(shù)據(jù)均滿足《既有地鐵13 號(hào)線高架橋五道口站～上地站區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道安全性影響評(píng)估報(bào)告》給定的13 號(hào)線區(qū)間橋梁及軌道變形控制指標(biāo),表明設(shè)計(jì)、施工采取的措施是有效的。

7 結(jié)論

1.對(duì)既有13 號(hào)線高架區(qū)間的保護(hù),優(yōu)先選用加固既有結(jié)構(gòu)的方法,采用地面深孔注漿加固橋樁所在區(qū)域的土體,同時(shí)對(duì)施工影響的橋跨下放置滿堂紅支架進(jìn)行預(yù)支頂,根據(jù)橋梁變形監(jiān)測(cè)情況采用千斤頂進(jìn)行頂升。

2.在加固既有13 號(hào)線的同時(shí),對(duì)區(qū)間風(fēng)井及風(fēng)道采用深孔注漿止水措施,對(duì)大斷面區(qū)間隧道采用全斷面注漿加固措施(兼具止水效果),可以避免降水導(dǎo)致較大的沉降,從而減小13 號(hào)線的沉降。

3.通過(guò)數(shù)值模擬分析,區(qū)間風(fēng)井、風(fēng)道及暗挖大斷面隧道施工引起的橋樁累計(jì)總沉降為1.8mm,預(yù)判工程采用的各項(xiàng)安全控制措施效果較好。

4.根據(jù)沉降變形分析計(jì)算結(jié)果及評(píng)估結(jié)論,結(jié)合北京類似工程,將13 號(hào)線區(qū)間橋樁控制指標(biāo)分解到各個(gè)施工步驟,使變形的過(guò)程控制可以達(dá)到較好的效果。

5.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,施工完畢后各項(xiàng)變形數(shù)據(jù)均滿足評(píng)估報(bào)告給定的指標(biāo),很好地驗(yàn)證了各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施的有效性,也為類似工程提供了有力的技術(shù)支持。