CRD法暗挖隧道下穿既有线施工沉降控制技术.pdf

随着我国城市轨道交通建设的大规模发展 新建 地铁线路穿越既有运营线路的情况越来越普遍 仅北 京市近年已经完成的穿越既有线工程就达18处 新建 地铁穿越既有线方式有上穿 下穿和侧穿3种 其中 新建车站下穿既有地铁车站工程 由于施工断面大 上 覆荷载大的原因 工程技术难度最大 风险最高 北京 地铁10号 线二期公主坟车站为两端双层 中间单层 车站 其中单层段采用单层双跨平顶直墙矩形结构 密 贴下穿既有1号线公主坟站 由于该站每日客运量巨 大 北京地铁运营公司提出新建工程施工时不能影响 既有线正常运营秩序 不得限速的原则 评估单位通过 前评估 提出既有站绝对沉降值小于3 mm 变形缝处 差异沉降值小于2 mm的严格要求 为工程实施带来巨 大挑战 近年来 国内专家学者对穿越工程进行了大量 研究 1 9 提出了一系列安全风险控制程序及措施 但 对于密贴下穿的工程实例及研究仍然有限 因此笔者 对密贴下穿工程案例进行了研究 以期起到借鉴作用 1工程概况 1 1工程简介 新建的10号线二期公主坟车站 位于复兴路与西 三环中路交汇的新兴桥桥区绿地内 为10号线与既有 1号线十字交叉换乘车站 采用 分离岛 站台形式 车 站全长193 65 m 呈南北向布置 10号线在下 1号线 在上 车站南北端双层暗挖主体结构宽13 45 m 顶板 覆土5 4 m 长度分别为73 35 m和89 55 m 采用PBA 法施工 中间下穿既有1号线段长26 1 m 结构净宽 11 75 m 高6 32 m 顶板覆土约12 5 m 采用 CRD 千斤 顶 暗挖法施工 既有站为钢筋混凝土矩形框架结构 车站结构长 169 69 m 宽20 3 m 高7 95 m 底板厚度0 8 m 侧墙 厚度1 0 m 顶板厚度1 3 m 车站单层段为2个分离 式双跨矩形断面 单个矩形断面的开挖尺寸为宽 高 14 05 m 9 32 m 两矩形断面之间的净距为49 808 m 新建站单层段下穿施工影响范围内存在既有站 4条变形缝 左线左侧距变形缝1 271 m 右侧距变形 缝11 659 m 右线左侧距变形缝10 521 m 右侧距变形 缝2 409 m 新建站与既有站位置关系见图1 1 2工程地质和水文地质情况 既有车站底板标高为地面以下12 5 m 新建车站 开挖范围内 既有线底板以下0 0 5 m为卵石 层 下 部主要为砾岩11 层 层与11 层交界处以下0 3 5 m 为强风化砾岩 场区地下水类型为上层滞水 一 松 散岩类孔隙潜水 二 和风化岩裂隙水 单层段拱顶以 下0 4 m存在岩裂隙水 施工期间应采取止水措施 CRD 法暗挖隧道下穿既有线施工沉降控制技术 孙长军 1 2 张顶立1 1 北京交通大学 土木建筑工程学院 北京100044 2 北京市轨道交通建设管理有限公司 北京100037 摘要 北京地铁10号线二期公主坟站下穿既有1号线公主坟站 为平顶直墙结构 采用CRD工法施工 要求既有线沉 降值不大于3 mm 在10号线施工期间 通过数值模拟分析了公主坟站中间单层段CRD工法各步序对既有结构沉降影 响的分配比例和控制值 监测表明 既有线变形主要发生在1 4号导洞开挖及 C C二衬结构施工阶段 初支后的 回填注浆以及千斤顶顶升对抑制既有线的沉降作用明显 5号 6号导洞施工对既有地铁影响甚微 该工程所采取的研究 方法和施工技术措施 对穿越既有线工程具有指导和借鉴意义 关键词 地铁 CRD法 浅埋暗挖法 穿越既有线 中图分类号 U 455 4文献标志码 B文章编号 1009 7767 2015 02 0097 05 Settlement Control Technology of CRD Tunneling under Existing Metro Line Sun Changjun Zhang Dingli 轨道交通与地下工程 1 3单层段结构设计参数确定 车站主体结构下穿地铁1号线公主坟站段采用 双跨矩形单层结构 设计相关参数见表1 2对既有线车站沉降的预测 2 1既有车站沉降控制指标 既有线车站共有4条变形缝处于新建车站施工影 响范围内 变形缝处如产生不均匀沉降将危及行车安 全 因此 既有线安全运营限制标准非常严格 见表2 为了将总沉降值 差异沉降值 沉降速率都能控制在 允许范围内 可分别将70 85 的最大值作为预警 值和报警值 并在每一施工步序中进行分解 以确保 每一步序的沉降值都在控制指标内 图1新建站与既有站位置关系纵断面图 表1单层段矩形结构参数表 项目材料及规格技术参数 初 期 支 护 防水层 二衬 初支背后注浆 二衬背后注浆 超前深孔注浆 超前小导管 钢筋网 连接筋 喷射混凝土 钢格栅 钢支撑 25 2 75 mm超前管 L 10 m 注浆浆液为单液 水泥浆 25 2 75 mm超前管 L 1 8 m 0 3 m 侧向或底 部1榀1打 水泥浆液 水泥砂浆 水泥 水玻璃或 其他化学浆液 6 150 mm 150 mm 搭接长度150 mm 25 350 mm C25网喷混凝土 25 14 12钢筋 H440 250 H300 300型钢 现场制作安装 2 0 mm厚ECB 400 g m2无纺布 C40防水钢筋混凝土 S10 25 2 75 mm回填管 L 0 9 m 注浆浆液为单液 水泥浆 42 3 25 mm回填管 纵向间距为5 m 注浆浆 液为与二衬等强的无收缩水泥浆 注浆压力1 0 1 3 MPa 水灰比0 6 2 0 注浆 体强度0 8 MPa 注浆压力0 8 1 0 MPa 扩散半径不小于0 25 m 注浆浆液根据现场实际地层情况通过试验确定 双层满铺 内外侧梅花型布置 厚度0 3 m 间距0 5 m 间距1 5 m 上安放千斤顶 结构厚 顶板1 2 m 边墙0 85 m 底板1 2 m 注浆压力0 3 0 5 MPa 纵向间距3 m 横向间距为 拱部2 0 m 边墙2 5 m 梅花型布置 注浆深度为 初支背后0 5 m 注浆压力1 2 MPa 表2既有车站沉降控制指标表 监测对象监测项目控制指标 mm 既有地铁 1号线公主 坟站 车站结构竖向变形 道床结构竖向变形 变形缝两端差异沉降 轨道几何形位检查 无缝线路钢轨位移变化 3 3 2 按轨道防护设计要求 2 2 2施工影响数值模拟 采用FLAC3D有限差分程序对10号线二期公主 坟车站单层段下穿既有车站施工进行数值模拟 对施 工引起的既有线沉降进行预测 考虑到尺寸效应带来 的计算误差及计算模型的可操作性 计算范围取 左右 边界为2 5倍的一次开挖导洞宽度 下边界为1 5倍 的车站高度 上边界到地面沿车站纵向取45 m 车站 下穿有效范围 围岩 初支 二衬及既有结构均采用 8节点六面体实体单元模拟 注浆加固则采用提高地 层参数来模拟 该模型共计104 899个节点 99 416个 单元 见图2 土层计算参数见表3 结构计算参数见 表4 5号 6号导洞二衬完毕沉降云图见图3 各施工 轨道交通与地下工程 阶段对既有线结构沉降预测结果见表5 既有结构底 板变形挠曲线见图4 根据计算可得 施工引起既有线底板沉降发生在 主体结构上方 最大总沉降值为2 96 mm 变形缝处最 大差异沉降值为2 mm 其中开挖初支阶段的沉降值约 占总沉降值的45 二衬施工完成拆除钢管顶撑沉降 值约占总沉降值的55 为施工的关键步序 所以采 用预应力顶撑措施后 从第2号导洞封闭开始 即可 使用千斤顶动态控制既有站沉降 将其稳定在一定数 值 然后结合后期顶板上注浆回填 便可满足沉降控 制要求 3沉降控制技术措施 为实现对整个车站单层段施工过程中既有线结 构变位的控制 在预测变形的基础上 有针对性地采 取了多种地层变位控制的技术措施 3 1端头注浆加固 在车站开挖接近既有线时 由洞内向既有线方向 注浆加固前方地层 使之形成竖向加固体 以限制车 站掌子面接近既有线时造成的既有线水平位移 采用超 前小导管注浆 堵头墙施工完成后 在堵头墙与既有 站端墙之间约2 9 m范围排管注浆 表3土层计算参数 名称 厚度 m 重度 MN m 2 泊松 比 压缩模 量 MPa 摩擦角 黏聚力 kPa 杂填土 粉土 粉质黏土 粉细砂 卵石 砾岩 2 8 3 4 3 0 4 3 3 5 19 0 1 75 1 90 2 05 2 00 2 10 2 40 0 30 0 28 0 28 0 25 0 22 0 20 10 15 20 30 55 1 000 8 26 14 25 45 50 10 18 30 0 0 20 名称泊松比重度 MN m 2 弹性模量 MPa 注浆卵石 既有结构 初期支护 二衬 0 21 0 20 0 20 0 15 2 3 2 5 2 4 2 5 90 30 000 28 000 30 000 表4结构计算参数 各施工阶段 预警值 70 报警值 85 沉降控制值 100 超前注浆施工 上下左洞 开挖初支 横向注浆 内侧洞二衬 上下右洞 开挖初支 外侧洞二衬 中洞开挖初支 中洞二衬 拆除钢管顶撑 1部 2部 注3 5部 C 3部 4部 C 5 6部 工 0 36 0 79 0 88 0 88 0 88 0 88 0 88 0 88 0 88 0 88 2 10 0 44 0 96 1 06 1 06 1 06 1 06 1 06 1 06 1 06 1 06 2 52 0 52 1 13 1 25 1 25 1 25 1 25 动态顶撑 1 25 动态顶撑 1 25 1 25 动态顶撑 1 25 顶撑替换 2 96 表5各施工阶段对既有线结构沉降预测结果 图2计算模型图 图35号 6号导洞二衬完毕沉降云图 图4既有结构底板变形挠曲线预测 轨道交通与地下工程 3 2单层段注浆加固 小导洞拱顶下4 0 m范围内采用 25 2 75 mm热 轧钢管进行超前深孔加固注浆 注水泥浆液并添加外 加剂以超前加固地层 其中 纵向注浆在小导洞1拱 部上半断面范围内进行 管长10 0 m 从南北两侧相向 施工 中间剩余部分待初支施工至该部位后再从南向北 施工 横向注浆管长12 25 13 25 m 纵向间距0 5 m 上下4排 以满足3步和5步上半断面注浆加固地层所 需 深孔注浆采用ZLJ 250型地质钻机一次性钻进成孔 安装 每节管长2 0m 采用专用接头连接 注水泥浆液 注浆压力1 0 1 3 MPa 水灰比0 6 2 0 注浆体强度 0 8 MPa 再根据现场地层实际情况适当掺加外加剂 3 3开挖施工方案 总体施工方法为CRD法 每部内采取台阶法施工 台阶长度不超过3 m 部与部之间保持4 6 m的安全 距离 初期支护直接顶撑在地铁1号线结构底板上 与既有1号线车站底板 零接触 施工完成后 及时 进行补偿注浆及初支背后回填注浆 并根据监测信息 调整注浆的参数和频率 横向分3个阶段开挖 纵向 每阶段各部梯次开挖 同时保持南北方向和东西方向 的对称 即 第1阶段先开挖支护靠内一侧的1 2部 直至内侧洞室贯通 然后分段施作二衬 第2阶段开 挖支护靠外一侧的3 4部 直至外侧洞室贯通 然后 分段施作二衬 第3阶段开挖支护中间的5 6部并施 作剩余二衬 采用120 t液压自锁式千斤顶 纵向间距1 5 m 每断面共计4个 二衬施工时 1 3部外侧墙上的千斤 顶直接放入结构混凝土内 内侧的千斤顶拆除 在型 钢支撑封闭成环 且拱顶型钢横撑架设完成后 即可 进行预加顶力 仰拱封闭成环后 即施加30 70 t顶 力 初支结构强度达到一定要求后 施加70 90 t顶 力 在5 6部初支施工阶段 可施加90 110 t顶力 并 根据监测结果动态调整千斤顶顶力大小 5部二衬开始施工时 同步架设竖向临时钢支撑 以确保临时初支中隔墙拆除时既有线结构的安全 临 时钢支撑采用 609钢管撑 纵向间距3 0 m 每根临 时钢支撑顶端设置1台70t液压自锁千斤顶 共36个 施加顶力并根据监测数据确定两侧临时中隔墙的拆除 随着5部的开挖 在拱顶与仰拱上架设 35B型临时 横向钢支撑 以确保结构的安全 3 4二衬施工方案 二衬随开挖分阶段 分段 分幅对称施作 即先施 工两侧洞口段 再施工中间 最后施工剩余部分 以尽 早为既有车站结构提供刚性支撑 单层段二衬全长 25 06 m 分5段进行衬砌 每段长度5 m左右 每段衬 砌顺序1 4部内为 底板 侧墙 顶板 5部内为 底 板 中柱 顶板 4施工监测数据分析 4 1结构监测分析 对既有地铁1号线公主坟站道床结构竖向变形 道床结构竖向差异变形进行监测 由监测结果可知 道床结构竖向变形自动化监测数据累计变形值介于 2 98 0 27 mm 差异变形绝对值介于0 00 0 54 mm 左线1号导洞上方Z4点沉降历时曲线见图5 至2011年4月18日 车站单层暗挖段1号 2号 导洞初支施工完成 其监测数据累计变形值介于 1 66 0 90 mm 由于1号 2号导洞开挖完成后 既有地铁道 床及结构竖向累计变形量较大 且超过设计分布沉降 量 后经专家讨论决定开挖3 6号导洞时 加强超前 注浆及初支背后补注浆 增加临时立柱数量及千斤顶 预加力 至2011年9月23日 3号 4号导洞初支施工 完成 其监测数据累计变形值介于 2 99 0 27 mm 既 有线变形主要发生在1 4号导洞开挖及1C 2C二衬 结构施工阶段 可见 初支开挖对既有线的影响甚大 按照专家的要求采取措施后 对抑制既有线的沉降起 到了明显的作用 当1C 2C二衬结构施工完成后 形成了柱 板支撑 体系 5号 6号导洞是在1 4号二衬施工完成后进行 开挖 且开挖前对整个开挖面进行加固 所以施工对 上方既有地铁1号线公主坟站影响甚微 道床结构竖向变形 自动化监测 断面见图6 图5左线1号导洞上方Z4点沉降历时曲线图 图6上行道床结构竖向变形 自动化监测 断面图 轨道交通与地下工程 由图6可知 结构竖向变形断面图与预测基本 一致 4 2车站结构变形缝开合度监测 对既有地铁1号线公主坟站结构变形缝开合度进 行监测 12对测点 其变形缝开合度累计变形值介于 0 8 0 3mm 其中BF9点的累计变形值最大 见图7 最终为 0 8 mm 控制值为3 0 mm 表明监测数据处于 正常状态 该位置车站结构竖向差异变形及道床结构 竖向差异变形绝对值均较大 它们之间呈正比关系 4 3轨道几何形位检查 通过对轨道静态几何尺寸的检查可知 所监测的 32处轨距 水平 轨道前后高低等轨道几何尺寸测量 值均满足QB J BDY A XL003 2009 北京市地铁 运营有限公司企业标准技术标准 工务维修规则 要 求 处于正常范围内 4 4无缝线路钢轨位移 对车站无缝线路钢轨位移进行监测 4对测点 可 知 累计变形值介于 0 2 0 3 mm 其中Z5 Z6的累 积量最大 为0 3 mm 控制值为2 0 mm 表明监测数据 处于正常状态 5结论 1 通过沉降预测 把沉降控制标准分解到每一个 施工步序中 与施工监测相配合 动态施工 动态管理 可以做到较为准确地控制结构变形 监测结果表明既 有线变形主要发生在1 4号导洞开挖及1C 2C二衬 结构施工阶段 初支后的回填注浆以及千斤顶顶升 对抑制既有线的沉降作用明显 5号 6号导洞施工对 既有地铁影响甚微 10号线二期公主坟站单层段下穿 既有1号线公主坟站施工 成功地将既有线结构沉降 控制在设定范围内 说明设计及施工方案可行 2 有效的技术措施则是保证既有线结构沉降控制 得以实现的关键 公主坟站施工采用超前注浆措施进 行地层超前预加固 同时在施工过程中优化导洞开挖 顺序和单个导洞的开挖参数 在型钢支撑封闭成环后 且拱顶型钢横撑架设完成后 及时预加顶力 二衬随开 挖分阶段 分段 分幅对称施作 通过整个开挖支护体系 的共同作用 最终达到既有线结构沉降的控制目标 所 采取的措施对于穿越既有线施工具有借鉴意义 参考文献 1 张顶立 城市地下工程建设的安全风险控制技术 J 中国科 技论文在线 2009 4 7 485 492 2 王占生 张顶立 浅埋暗