初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立暗挖隧道穿越既有線風(fēng)險(xiǎn)控制措施研究

孫希波 孫立柱

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 100068；2. 城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 100068；3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082)

引言

隨著軌道交通建設(shè)不斷推進(jìn)，軌道交通線網(wǎng)不斷加密，新建線路穿越既有運(yùn)行線路的工程越來(lái)越多，新建線路施工能否保證既有運(yùn)行線路安全成為了軌道交通建設(shè)的主要風(fēng)險(xiǎn)源[1-4]。

北京地鐵16號(hào)線工程創(chuàng)造性地采用了初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立式暗挖地鐵區(qū)間，降低了暗挖地下區(qū)間施工風(fēng)險(xiǎn)，加快了施工速度[5]。隨后在北京地鐵7號(hào)線東延工程出入段線區(qū)間施工中也采用了這種隧道斷面形式。這種新型暗挖隧道尚無(wú)大規(guī)模應(yīng)用，針對(duì)該隧道結(jié)構(gòu)的研究較少，而采用初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立暗挖隧道穿越既有線施工尚無(wú)工程案例。

本文以北京地鐵7號(hào)線東延工程出入段線區(qū)間穿越既有八通線土橋車輛段試車線及調(diào)頭線為工程背景，提出了初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立暗挖隧道穿越既有線風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)措施，并對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)合施工監(jiān)控量測(cè)，最終在保證八通線正常運(yùn)營(yíng)的前提下，順利完成了穿越施工。

1 工程概況

北京地鐵7號(hào)線東延工程出入段線區(qū)間采用礦山法施工，根據(jù)線間距變化分別采用單洞馬蹄形斷面和初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立斷面。區(qū)間隧道下穿八通線土橋車輛段調(diào)頭線、試車線及易燃品庫(kù)，調(diào)頭線及試車線均為地面線，碎石道床，易燃品庫(kù)為單層條形基礎(chǔ)建筑。下穿段隧道為初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立斷面，隧道結(jié)構(gòu)外皮距既有線軌道水平距離約0.66m～20.00m，距既有線軌道垂直距離9.00m～11.20m。見(jiàn)圖1。

圖1 區(qū)間與既有車輛段平面關(guān)系Fig.1 Profile relationship between section and existing depot

隧道結(jié)構(gòu)所在土層主要為粘質(zhì)粉土⑤1層，細(xì)砂⑤層、粉砂⑤3層、粉質(zhì)粘土⑥層，底板位于細(xì)砂⑤層、粉質(zhì)粘土⑥層。見(jiàn)圖2。工程場(chǎng)地主要有四層地下水，分別為上層滯水(一)、潛水(二)、承壓水(一)及承壓水(二)，區(qū)間隧道大部分位于潛水(二)水位以下，局部隧道底部進(jìn)入承壓水(一)，區(qū)間下穿既有線范圍施工期間進(jìn)行降水，進(jìn)入既有線圍墻范圍降水井無(wú)施工條件，采用注漿堵水，圍墻外采用降水。

圖2 區(qū)間與既有車輛段剖面關(guān)系Fig.2 Profile relationship between section and existing depot

2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

受線路即將進(jìn)入車輛段條件的限制，線路需要以雙聯(lián)拱隧道的斷面形式穿越土橋車輛段。區(qū)間雙聯(lián)拱隧道多采用中洞法施工，中洞法施工的雙聯(lián)拱隧道施工工期長(zhǎng)、工序較多、繁瑣，施工中力學(xué)轉(zhuǎn)換復(fù)雜，中隔墻混凝土容易開(kāi)裂及頂部漏水等問(wèn)題也難以解決。在施工中常用的雙連拱斷面有三種，分別是對(duì)稱式、等跨不等高式、初支連拱二襯獨(dú)立式，這三種斷面各有優(yōu)缺點(diǎn)，基于下穿車輛段對(duì)變形要求較為嚴(yán)格，因此需要重點(diǎn)研究雙聯(lián)拱方案，以采用最優(yōu)的方案。

表1 雙聯(lián)拱斷面比選Tab.1 Cross section comparison of double arch

根據(jù)表1的分析，對(duì)稱式工期較長(zhǎng)，不滿足本工程需要，等跨不等高式工期可以，但費(fèi)用略貴，且受力不對(duì)稱，結(jié)合本工程特點(diǎn)及工期原因，推薦采用初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立斷面，受力較好，工期及費(fèi)用均比較合適。

區(qū)間下穿既有線范圍采用初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立斷面，開(kāi)挖跨度11.9m×6.62m，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Parameters of tunnel design

3 隧道施工步序

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及下穿既有車輛段保護(hù)要求，本段隧道開(kāi)挖分為4個(gè)區(qū)域(圖3)。

燃油蒸汽發(fā)生器控制器功能為：① 燃燒器啟動(dòng)時(shí)不點(diǎn)火。油泵工作后點(diǎn)火失敗時(shí)，為防止鍋爐內(nèi)的積油現(xiàn)象，判斷點(diǎn)火與否后，如不點(diǎn)火停止燃燒器的工作。② 再點(diǎn)火。運(yùn)行中因點(diǎn)火火焰不能感知時(shí)，從判斷不點(diǎn)火開(kāi)始預(yù)吹掃后重新啟動(dòng)點(diǎn)火變壓器并再點(diǎn)火。③ 安全卡斷。燃燒器啟動(dòng)油泵工作前感知火焰時(shí)，停止燃燒器工作的同時(shí)點(diǎn)亮點(diǎn)檢燈并報(bào)警。④ 運(yùn)行中點(diǎn)火。在燃燒器運(yùn)行中點(diǎn)火時(shí)，啟動(dòng)再點(diǎn)火功能正常時(shí)繼續(xù)運(yùn)行，再點(diǎn)火失敗時(shí)，停止燃燒器運(yùn)行安全卡斷裝置啟動(dòng)。⑤ 其他情況點(diǎn)火。運(yùn)行當(dāng)中發(fā)生低水位時(shí)，首先停止油泵，安全卡斷裝置啟動(dòng)。

圖3 隧道開(kāi)挖分區(qū)示意Fig.3 Schematic diagram of tunnel excavation partition

具體施工步序如下：

(1)拱部深孔注漿，采用臺(tái)階法開(kāi)挖1號(hào)洞室，打設(shè)鎖腳錨桿，及時(shí)架設(shè)格柵鋼架。

(2)1號(hào)洞室超前5m～7m，開(kāi)挖2號(hào)洞室，封閉初期支護(hù)鋼架并進(jìn)行背后注漿。

(3)1、2號(hào)洞室貫通后，開(kāi)挖3號(hào)洞室，封閉初期支護(hù)鋼架并進(jìn)行背后注漿。

(4)3號(hào)洞室超前5m～7m，開(kāi)挖4號(hào)洞室，封閉初期支護(hù)鋼架并進(jìn)行背后注漿。

(5)初支貫通后，施做左右洞室仰拱防水層及二次襯砌結(jié)構(gòu)。

(6)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)拆除1號(hào)洞室臨時(shí)仰拱，拆除長(zhǎng)度不大于6m，施做左線隧道側(cè)墻及頂拱的防水層和二次結(jié)構(gòu)。

(7)左右線錯(cuò)開(kāi)10m～15m，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)拆除2號(hào)洞室臨時(shí)仰拱，拆除長(zhǎng)度不大于6m，施做右線隧道側(cè)墻及頂拱的防水層和二次結(jié)構(gòu)。

4 區(qū)間下穿既有線風(fēng)險(xiǎn)控制措施

區(qū)間隧道初支外皮與試車線水平凈距僅0.66m，距調(diào)頭線水平凈距12.8m，垂直凈距9.00m～11.20m，不足一倍開(kāi)挖洞徑，為一級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程。結(jié)合工期，區(qū)間隧道采用新型初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立斷面，工程經(jīng)驗(yàn)較少，穿越既有線尚屬首次，為保證八通線土橋車輛段正常運(yùn)營(yíng)，需保證軌道沉降滿足控制指標(biāo)要求。因此，本工程主要采取了以下風(fēng)險(xiǎn)控制措施(圖4)：

圖4 風(fēng)險(xiǎn)控制措施示意Fig.4 Schematic diagram of risk control measures

(1)穿越段采用拱部注漿加固土層措施，加固范圍為結(jié)構(gòu)初支外2m，應(yīng)保證注漿體連續(xù)均勻。隧道鄰近段前10m應(yīng)作為試驗(yàn)段，根據(jù)注漿效果及監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整注漿工藝及參數(shù)。深孔注漿采用后退式注漿工藝，注漿壓力0.8MPa～1.0MPa，擴(kuò)散半徑0.75m。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。

(2)控制隧道開(kāi)挖步距0.5m，開(kāi)挖后及時(shí)架設(shè)格柵鋼架，格柵間距0.5m，噴射初支混凝土；上臺(tái)階的腳部設(shè)鎖腳錨桿，采取兩根并排。

(3)加強(qiáng)初支背后注漿，注漿分兩次進(jìn)行：第一次距開(kāi)挖面3m，為低壓注漿，漿液從掌子面冒出時(shí)即結(jié)束；第二次距開(kāi)挖面8m，為飽壓注漿，注漿壓力0.5MPa，必要時(shí)進(jìn)行再次補(bǔ)漿。

5 施工變形預(yù)測(cè)

5.1 土層及結(jié)構(gòu)模型

本文采用MIDAS-GTS巖土工程數(shù)值分析軟件，建立三維數(shù)值分析模型模擬區(qū)間隧道下穿施工全過(guò)程。模型長(zhǎng)度135m，寬度72m，高度36m。土層采用Mohr-Coulomb模型，該段地層構(gòu)造及土層參數(shù)如表3所示。

表3 土層材料參數(shù)Tab.3 Parameters of the soil layers

隧道初支及二次襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型，土層及隧道結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 土層及隧道模型Fig.5 The soil layer and the tunnel model

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

因車輛段試車線及調(diào)頭線均為地面線，本文以地表沉降代表車輛段線路沉降。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果(圖6、圖7)，1號(hào)洞室開(kāi)挖后地表沉降最大為0.6mm，2號(hào)洞室開(kāi)挖后地表沉降最大為0.7mm，3號(hào)洞室開(kāi)挖后地表沉降最大為2.3mm，4號(hào)洞室開(kāi)挖后地表沉降最大為2.7mm。可見(jiàn)隧道左線施工(即1、2號(hào)洞室開(kāi)挖)對(duì)既有線影響很小，沉降僅為0.7mm，3號(hào)洞室開(kāi)挖后，由于群洞效應(yīng)影響，沉降迅速增大，但由于采取了地層加固措施，最終總沉降量2.7mm仍較小，滿足既有線運(yùn)營(yíng)的要求。

圖6 開(kāi)挖后豎向位移云圖(單位：mm)Fig.6 Nephogram of vertical displacement after excavation of tunnel (unit：mm)

圖7 豎向變形曲線Fig.7 Vertical deformation curves

5.3 既有車輛段試車線及調(diào)頭線變形控制指標(biāo)

根據(jù)北京交通大學(xué)編制的《出入段線鄰近土橋車輛段試車線及調(diào)頭線安全性影響評(píng)估報(bào)告》及隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬分析，并參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，在綜合考慮預(yù)測(cè)變形及既有結(jié)構(gòu)允許變形基礎(chǔ)上，確定了既有車輛段試車線及調(diào)頭線變形控制指標(biāo)，見(jiàn)表4。

表4 既有車輛段變形控制指標(biāo)Tab.4 Deformation control index of existing depot

6 施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)既有車輛段試車線及調(diào)頭線道床結(jié)構(gòu)豎向變形、沉降速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖8)可知，整個(gè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，道床最大沉降4.25mm，通過(guò)注漿抬升后最終沉降3.79mm，與預(yù)測(cè)值2.7mm有一定差距，分析原因是由于現(xiàn)場(chǎng)因場(chǎng)地限制，鄰近既有車輛段一側(cè)降水井無(wú)法實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)采用深孔注漿堵水，存在一定的水土流失現(xiàn)象，但總沉降值仍滿足沉降控制指標(biāo)要求，車輛段正常運(yùn)營(yíng)。沉降達(dá)4.25mm后，施工現(xiàn)場(chǎng)組織了多次補(bǔ)注漿并加強(qiáng)深孔注漿加固，沉降值有所回升，可見(jiàn)注漿措施可有效控制既有結(jié)構(gòu)沉降。

圖8 道床結(jié)構(gòu)沉降歷時(shí)曲線Fig.8 Duration curve of ballast structure settlement

7 結(jié)論與建議

1.初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立暗挖隧道首次應(yīng)用在穿越既有線工程，通過(guò)注漿、優(yōu)化施工步序等輔助工程措施，能保證既有線安全及正常運(yùn)營(yíng)。

2.初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立暗挖隧道單側(cè)洞室開(kāi)挖

對(duì)土層擾動(dòng)很小，另一側(cè)洞室開(kāi)挖后沉降增長(zhǎng)較快，施工過(guò)程中應(yīng)特別注意兩側(cè)洞室初支頂部節(jié)點(diǎn)預(yù)留定位準(zhǔn)確，避免另一側(cè)洞室開(kāi)挖產(chǎn)生較大地層損失。

3.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)量控?cái)?shù)據(jù)，施工完成后既有線各項(xiàng)變形指標(biāo)均滿足要求，驗(yàn)證了風(fēng)險(xiǎn)控制措施的可行性及有效性，為今后初支聯(lián)拱二襯獨(dú)立暗挖工法更廣泛應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持，也對(duì)今后類似穿越既有線工程具有借鑒意義。