地层变位分配控制原理在大跨暗挖地铁车站施工中的应用与研究.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除地层变位分配控制原理在大跨地铁暗挖车站施工中的应用与研究 摘 要：北京地铁五号线张自忠路站为大跨暗挖车站，采用浅埋暗挖法施工，对地表沉降控制要求严格。为达到控制地表沉降的目的，施工中采用地层变位分配控制原理，实行动态信息化管理。本文根据地层变位分配控制原理，以地表沉降为例，通过理论分析、工程类比和数值模拟等研究手段，分析了张自忠路站各步序地表沉降的分配比例和控制值。施工中根据监测结果和既定控制值，及时变更设计参数和支护措施，成功实现了复杂环境条件下大跨地铁暗挖车站地表沉降值不大于45mm的控制目标。本文提供的研究方法和支护手段，对解决类似地层变位控制要求严格的大断面暗挖施工具有一定的指导和借鉴意义。关键词：地层变位分配控制原理；浅埋暗挖法；地铁暗挖车站中图分类号： 文献标识码：Application and Research of the Soil Layer Deflection Distribution Controlling Theory in the Construction of Large-span Embedded Metro Station Abstract: Zhang Zizhong station of Beijing metro 5 route is a Large-span Embedded Metro Station, and is constructed with shallow embedded excavation method which needs to control the earths surface settlement strictly. In order to achieve the goal of controlling the earths surface settlement, the soil layer deflection distribution controlling theory is adapted to manage the engineering dynamically with informationization. According to the soil layer deflection distribution controlling theory and taking the earths surface settlement as example, this article analyzes the ratio and control value of the earths surface settlement during each construction step, with the method of theory analysis, engineering analogy and numerical simulation. Based on the result of monitoring and control value decided during the construction, the design parameters and support measures are optimized when necessary, which realizes the control objective of making the earths surface settlement of large-span embedded metro station with complicated environment not very in 45mm. The research approach and support methods that this text offers have certain guidance and reference meaning to control the earths surface settlement of large cross-section embedded engineering which has the similar request to control the deformation of stratum strictly.Keyword: the soil layer deflection distribution controlling theory; shallow embedded excavation method; embedded metro station1地层变形分配控制原理1.1原理概述地下工程的施工涉及到多种工艺、多道工序，其对地层的影响自始至终是一个动态的、不断变化、逐步累积的过程，所以可以把对地层变形的控制标准分解到每一个施工步序中，形成施工各具体步序的控制标准或控制指标。只要单个步序的变形量得到控制，则整个工程的安全管理就能得以实现，这就是所谓的地层变形分配控制原理。1.2应用流程地层变形分配控制原理（以地表沉降为例）采用理论计算结合施工经验，将地表沉降的控制值分解到每个施工步序中，建立分步施工的控制标准。在施工中，根据既有结构的监测结果，及时掌握施工动态，将监测结果与分步控制标准相比较，随时了解地表沉降的发展情况，分析变形过大或者急剧变形的原因，及时采取措施，将每一步变形控制在安全范围，从而达到整体控制目标。控制流程如图1所示：1） 勘测根据施工场区地质勘测数据，掌握场区地形、地质条件、土层性质、地下水赋存方式等，结合隧道设计参数初步选定施工方案。2） 预测根据施工管理的各项指标，确定施工方案优化指标，采用理论分析和经验类比的方法，预测各阶段性施工可能引起的变位在总体结构变位中所占的比例，再根据总体管理标准值计算各分步施工地表沉降控制值，详细研究各施工步序实现其控制变位量的可能性，分析产生沉降的各种可能因素，比选各种可能采取的措施，做到使每一步施工控制都有较为充分的保证。3） 监测根据设计的监测指标，在地表、地中、衬砌里、既有构筑物上设置观测点，适时记录施工过程所发生的各种变位值，为施工和安全管理提供依据。4） 对策根据优化后的施工方案，按计划分步施工，及时掌握各点监测信息，与2)中所确定的分步变形控制标准相对照，根据两者符合或偏离的程度，决定施工的进程。对过度变形要分析原因，拿出相应对策，修改设计参数和施工方案。其控制的底线是施工累计沉降要小于分步变位累计管理值。即满足式： （1）式中: 第步施工导致的测点变形监测值 ；第i步施工测点设计变位值若偏离过大，就要研究恢复方案。图1 变形分配控制流程图3张自忠路车站暗挖施工地层变形分配的实施3.1工程概况北京地铁五号线08标张自忠路站位于平安大街与东四北大街相交的十字路口，东四北大街现状道路东侧，呈南北走向，为两端明挖、中间暗挖的明暗挖结合车站。中间过平安大街暗挖段为单层三跨两柱连拱结构，设计开挖跨度为23.86m，开挖高度10.64m，开挖面积220m2（见图2）；长68.6m；上部覆土厚度为11.2m，覆跨比0.46，为浅埋隧道。平安大街交通繁忙，地下管网密布，共有各种管线11条，工程环境复杂，对地层沉降控制要求严格。车站暗挖段通过的地层主要为粉细砂、卵石及可塑状的粘性土。地层松软，自稳能力较差。暗挖段受上层滞水、潜水及承压水影响，施工前进行了降水处理。暗挖车站采用浅埋暗挖法（侧洞法）施工，先用CRD法施工两侧洞，然后分段拆除临时中隔壁，施做侧洞二衬结构，继而分上中下三台阶开挖中洞，施作中洞二衬，最终完成整个车站。图2 张自忠路站主体暗挖段施工步序及结构示意图（mm）3.2暗挖施工地表沉降分配的预测规划采用FLAC3D有限差分程序对张自忠路暗挖车站侧洞法施工进行数值模拟，对施工引起的地表沉降进行预测规划。计算结果见表1，从中可以看出，侧洞开挖后的地表沉降为主要部分，占最终沉降的72.7%，侧洞二衬施作完后的沉降占最终沉降的83.8；各施工步序开挖产生的地表沉降分别占最终沉降的百分比有很大差别，1步开挖（1号导洞开挖）所占的百分比最大。隧道正上方地表测点沉降，隧道中心线左侧6m地表测点沉降随施工时步变化曲线见图3。表1 沉降分阶段控制计算值施工步序隧道中心线正上方地表累计下沉量（mm）隧道中心线左侧6m处地表累计下沉量（mm）与最终沉降的百分比各施工步序百分比1（导洞1开挖支护）-5.82-7.2515.1%15.1%2（导洞2开挖支护）-9.21-14.5227.3%12.2%3（导洞3开挖支护）-15.51-20.2541.2%13.9%4（导洞4开挖支护）-18.36-26.1351.2%10.0%5（导洞5开挖支护）-24.22-30.2462.8%11.6%6（导洞6开挖支护）-28.92-34.0972.7%9.9%7（两侧中拄支护）-33.17-36.0480.0%7.3%8（侧洞二衬）-34.42-38.1083.8%3.8%9（中洞拱部开挖）-35.11-39.5086.2%2.4%10（中洞拱部横撑）-36.25-40.2488.3%2.2%11（中洞2步开挖）-37.18-41.3990.7%2.4%12（中洞拱部二衬）-38.28-42.1492.9%2.2%13（中洞二步横撑）-39.59-43.5796.1%3.2%14（中洞三步开挖）-41.13-44.0598.4%2.4%15（中洞三步二衬）-41.90-44.63100.0%1.6%图3 地表沉降随施工步序变化曲线 考虑工程环境的要求，根据数值计算结果，同时结合以往的施工经验，将地表沉降最大值设置为45mm，施工过程中按照表1所列各步序地表沉降数据进行控制。3.2 预测规划与实际施工监测数据比对分析地表沉降实测各施工阶段的结果见表2和图4。从表2和图4分析，数值模拟计算结果隧道中心线正上方在两侧中柱支护施工完毕后地表累计下沉量为-33.17mm，实际监测的地表断面隧道中心线正上方地表累计下沉量三断面的均值为-34.67mm。数值模拟结果与地表A断面监测结果基本相吻合，略小于B断面的测值，C断面的监测结果较大的原因为在施工过程该断面附近有大量上层滞水所致。另从数值模拟结果来看，各分部沉降与最终沉降所占的百分比最大为13.9%（导洞3开挖支护），最小为1.6%（15中洞三步二衬），而实际监测结果和此基本相同。可见，数值模拟能基本反映隧道开挖地层相应规律，对施工监测有一定的指导作用；而对于开挖过程中出现渗水等特殊情况则预测失真。图4 实测地表沉降历时曲线与数值模拟曲线比较表2 各阶段实际沉降值及分配施工步序实测地表累计最大下沉量（mm）与最终沉降的百分比(%)各施工步沉降增量(mm)各施工步百分比增量(%)各施工步沉降增量差异百分比 (%)1（导洞1开挖支护）-5.82 13.1-4.9515.122（导洞2开挖支护）-10.77 24.23-5.712.23.073（导洞3开挖支护）-16.47 37.06-7.1513.94.144（导洞4开挖支护）-23.62 50.2-4.991015（导洞5开挖支护）-28.61 61.9-4.3911.60.96（导洞6开挖支护）-33.00 74.26-1.679.9-1.567（两侧中拄支护）-34.67 78.02-2.267.31.988（侧洞二衬）-36.9383.1-1.823.80.79（中洞拱部开挖）-38.7587.2-0.622.4-110（中洞拱部横撑）-39.3788.6-1.252.2-0.311（中洞2步开挖）-40.6291.4-0.582.4-0.712（中洞拱部二衬）-41.2092.7-1.152.20.213（中洞二步横撑）-42.3595.3-1.63.20.814（中洞三步开挖）-43.9598.9-0.492.4-0.515（中洞三步二衬）-44.44100-4.951.604地层变位控制的技术措施为实现整个隧道施工过程中地层变位的分配与控制，在详尽研究预测变形、规划变形和如何控制变形的基础上，在勘测、预测、监测、控制对策各主要环节阶段，通过研究有针对性的采取了多种地层变位控制的技术措施，实现了控制暗挖地铁车站穿越各类管线和道路的最终地表沉降值不大于45mm的核心目标。1）超前注浆大管棚支护工程实践和理论研究均表明，超前预支护对于地表沉降的约束作用始于工作面前方一定距离处，一般为1至2倍洞径，其对地表沉降的控制可达3035，对洞顶沉降的控制可高达40。基于预测分析，为控制暗挖结构上方各类管线和平安大街的沉降均匀，采取了自两端明挖基坑，对68.6m长的暗挖段，实施了注浆大管棚技术措施。监测数据表明，在隧道轴向方向，相应监测点的差异沉降在5mm范围内，达到了控制差异沉降的目的，保证了现况管线和道路的安全。2）超前钢花管引排水针对开挖工作面局部因上覆管线渗漏严重，且拱顶为粉细砂，工作面难以稳定等问题，采取了在工作面上下台阶分界处增设两根108钢花管，实施超前引水，基本解决了工作面难以形成台阶开挖的问题，同时也起到了土体固结，控制过大沉降的作用。3）优化导洞群的开挖顺序基于理论分析、数值模拟和工程类比等方法，详尽地进行了多导洞开挖变形叠加效应的分析，确定了各导洞开挖错距必须保证不小于15m，有条件时应尽量加大左右两侧导洞的施工距离。工程实践表明，该措施具有控制地表沉降累加的明显效果。4）单一导洞的开挖参数优化依据预测分析，同一导洞内台阶长度最佳宜控制在0.75倍跨度，最大控制在1倍跨度，核心土至少宜且保留为2m，并严格按照正台阶法环向开挖施工。5）超前小导管支护超前小导管采用32.53.5 mm热轧钢管加工而成，小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。小导管中间部位钻8mm呈梅花形布置的溢浆孔，间距110mm，尾部1.0m范围内，为防止漏浆不钻孔，末端焊6环形箍筋，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管联接。外插角控制在10左右，风镐打入。因隧道拱部处于粉细砂中，经对比试验，浆液材料选用改性水玻璃。注浆初压0.3MPa，终压0.5MPa。水玻璃浆液的配比：甲液：浓水玻璃:水1:3；乙液：浓硫酸:水1:3；改性水玻璃：甲:乙3:1；PH控制在2.53。6）优化上导洞格栅布置针对导洞拱顶处于粉细砂中，原设计钢格栅尺寸过大，工人架立困难，掌子面土体容易失稳等问题，通过优化，上导洞采用正台阶法开挖，侧墙钢格栅增设连接板，以降低开挖高度，从而提高了工效和施工安全性，确保了地表沉降的控制。7）增设注浆锁脚锚管研究表明，注浆锁脚锚管对控制初支结构整体下沉起关键作用。为此在优化上导洞格栅布置的同时，又在原设计基础上增设了注浆锁脚锚管（如图所示），起到了较好的效果。图5 锁脚锚管布置示意图8）掌子面注浆在地层复杂条件下，采用掌子面正面注浆措施可大大减少土体的水平和竖向位移。为此根据粉细砂层的特点，正面注浆采用PVC管预注改性水玻璃浆液，极大地改善了掌子面围岩稳定性，保证了核心土的留设，基本上杜绝了坍方，日进尺由一天两榀增加为三至四榀，大大提高了施工进度。9）初支背后以及二衬壁后回填注浆基于分析，开挖面前方和后方0.5倍洞跨是沉降速率的最大发生范围，因此及时进行初支背后回填注浆是控制沉降的关键环节。此外为即时控制沉降，还预埋了注浆管，依据监