暗挖车站下穿既有地铁隧道柱洞法结合超前管幕施工控制技术

暗挖车站下穿既有地铁隧道柱洞法结合超前管幕施工控制技术

不可避免地，大型城市的轨道交通建设必须导致不同地铁线路之间的交叉和过渡问题，以及许多节点和车站。受地下空间的限制以及换乘需要,新建地铁工程不可避免地要近距离穿越既有地铁线路。穿越方式有上穿、下穿和侧穿3种,其中下穿既有地铁线路工程,特别是暗挖地铁车站下穿既有地铁隧道工程技术难度最大,风险最高。迄今为止,工程界和学术界对暗挖地铁车站穿越建筑物及管线的施工控制技术进行了大量研究,但对暗挖地铁车站近距离下穿既有地铁隧道施工控制技术研究甚少。北京地铁5号线崇文门站下穿既有地铁隧道区域选择采用柱洞法作为施工方案。根据柱洞法施工特点和工程实际情况,选取Ø600超前管幕、全断面注浆、跟踪注浆等辅助措施来避免土体坍塌并控制周围土体和既有地铁隧道结构的沉降变形。具体施工步序参见文献。本文在文献的基础上以北京地铁5号线崇文门车站暗挖施工为背景,研究暗控地铁车站近距离下穿既有地铁隧道施工的控制技术。1隧道底板结构加固新建地铁车站施工前,为了加强既有地铁结构抵抗附加变形的能力,对其进行了加固,主要包括以下方面。(1)为防止钢轨移位,采用轨距拉杆、护轨等对钢轨进行了防护加固。(2)为防止轨枕块之间钢轨产生不均匀下沉,对轨枕块间钢轨与整体道床之间的空隙用木板进行塞紧,使钢轨承受的荷载能够均匀地传递至整体道床上。(3)为防止变形缝处结构产生不均匀沉降,用扣轨梁对隧道底板结构进行加固。加固长度35m,两端比变形缝1处和变形缝2各长10m。扣轨梁用50kg·m-1轨组成,轨道与中心水沟之间用2根、轨道外侧用3根50kg·m-1轨。扣轨梁每隔0.6m设一道“U”形卡,“U”形卡用厚6mm、宽50mm的扁钢,扁钢与结构底板及整体道床间用地脚螺栓连结,地脚螺栓穿透整体道床,进入底板内30cm,地脚螺栓上端做丝扣与“U”形卡用螺帽固定。2结构变形控制标准检测评估新建地铁车站施工对既有地铁结构变形影响的流程如图1所示。由图1可见,新建地铁车站施工过程中,由于开挖扰动、地层损失和固结沉降等因素会引起地层产生移动和变形,导致赋存于地层中的既有地铁隧道结构随之发生移动和变形,进而引起隧道净空产生变化,隧道内的轨道也将发生移动和变形。因此,既有地铁隧道结构变形的有效控制是实现线路变形控制的关键,而变形缝处的绝对沉降和变形缝两侧的差异沉降又是既有地铁隧道结构变形控制的核心和重点。为制定合理的结构变形控制标准,在施工前对既有地铁结构进行了详细的检测和评估。包括混凝土外观及裂缝调查、混凝土强度检测、混凝土炭化深度检测、钢筋保护层厚度检测、混凝土氯离子含量检测、混凝土碱含量检测、钢筋锈蚀状况检测。检测评估结果显示,既有地铁结构基本是完好的。根据检测评估和结构安全检算结果,并参考国内外类似工程经验,制定了既有地铁隧道结构和轨道结构的变形控制标准,见表1和表2。由于大断面隧道施工是一项庞杂的系统工程,涉及到多种工艺、多道工序,每一个施工步序都会对既有地铁隧道结构与轨道产生不同程度的影响,既有地铁结构的最终沉降量是由诸多工序累计形成的,因此,每一阶段均应有其相应的沉降值控制标准。由前述分析可知,既有地铁隧道结构沉降控制标准为40mm,为确保其安全,取36mm作为既有地铁隧道结构沉降的控制目标值。根据既有地铁隧道结构的变形过程和特点,按照结构变位分配的原理和方法,通过数值模拟计算并结合经验修正,对既有地铁隧道结构沉降控制标准按施工步序进行了分解,确定了各施工步序的控制值,从而实现结构沉降的分阶段控制,如图2所示。由图2可见,既有地铁隧道结构各施工步序的沉降控制标准值分别为:中洞管幕施工阶段4mm,中洞导洞开挖支护阶段16mm,地梁、钢管柱、天梁施工及中洞上导洞剩余土体开挖和扣拱衬砌阶段5mm,侧洞管幕施工阶段3mm,侧洞开挖支护阶段5mm,侧洞衬砌施工阶段3mm。中洞导洞开挖导致既有地铁隧道结构沉降量占累计沉降量的44.4%,为施工控制的关键阶段。3当前，对地铁结构变形的监测和控制3.1既有地铁结构轨道变形监测传统的监测技术在高密度行车区间难以实施,也无法实现实时的数据采集和反馈,因此选用以静力水准系统为主的高精度远程自动化实时监测系统对既有地铁隧道结构和轨道变形进行不间断的监测。考虑到新建地铁车站施工引起的沉降槽分布情况,以及既有地铁隧道结构、轨道结构的特点,在既有地铁结构上布设了隧道结构沉降、轨道结构沉降、两轨水平间距、两轨高差和变形缝胀缩等监测点。既有地铁结构测点布置如图3所示。3.2工段及中洞施工及侧洞管幕施工引起隧道结构沉降通过实时监测发现,两轨水平间距、高差和变形缝胀缩等监测点数据变化不大,均在控制标准以内。但隧道结构沉降和道床沉降较大,隧道结构最大沉降量发生在变形缝处,特别是位于新建地铁车站结构正上方的右线隧道变形缝2(对应里程1K261+66)处。因此,变形缝处是施工控制的重点部位。从施工过程看,中洞管幕施工导致隧道结构沉降4.95mm,中洞4个导洞施工导致隧道结构沉降17.48mm,地梁、钢管柱、天梁施工阶段和中洞剩余土体开挖及衬砌阶段共导致隧道结构沉降4.26mm,侧洞管幕施工引起隧道结构沉降4.57mm。其中,中洞管幕施工、中洞4个导洞施工和侧洞管幕施工3个阶段均超过了对应阶段的沉降控制标准,而且中洞和侧洞管幕施工导致的既有地铁隧道沉降超出控制值的幅度最大,分别为24%和52%,二者合计引起的隧道沉降达9.52mm,占总控制值的26%。因此,超前管幕应慎重选用。图4给出了既有地铁隧道结构纵向沉降图。由图4可见,随着开挖施工的推进,由于既有地铁隧道结构刚度很大而变形缝处刚度很小,隧道结构呈现出典型的刚体特征,最大沉降出现在变形缝处,并将沉降曲线分割成若干近似直线段。至2004年12月30日侧洞超前管幕施工完成时,既有地铁左线隧道结构累计最大沉降27.05mm,而右线隧道结构累计最大沉降31.26mm,已超过该阶段的累计沉降控制标准(28mm)。既有地铁左线隧道结构变形缝1(对应里程1K216+84)和变形缝2的差异沉降分别为14.0和8.8mm,差异沉降最大值已接近允许值;右线隧道结构变形缝1和变形缝2的差异沉降分别为10.4和10.3mm,均已超过预警值。由于道床刚度较小,且道床与隧道无连接,其沉降曲线呈非线性,不协调沉降导致变形缝附近既有地铁隧道结构与道床出现了严重脱离,最大脱离值达12.7mm,最大脱离区域约7.0m。因此,这里也是施工控制的重点。4当前的地铁结构沉降和脱开控制措施4.1通过升降注浆,加强隧道结构控制为了保证既有地铁线路的安全运营及后续施工的安全,考虑到新建地铁车站中洞已形成封闭结构,先期施工完毕的中洞管棚和中洞结构刚度很大,具备了高压注浆条件,因此决定在新建地铁车站结构与既有地铁隧道结构间的土体内进行抬升注浆,以恢复既有地铁隧道结构在前期施工中损失的高程。抬升注浆从上导洞的天梁两侧进行。注浆分5个区域,其中1区和5区位于既有地铁隧道的外侧,3区位于既有地铁两隧道之间,2区和4区位于既有地铁隧道正下方。通过排管进行注浆,注浆管间距0.5m,2区和4区注浆管长2.5m,其余区域注浆管长3m,如图5所示。浆液采用可灌性好、早凝早强的HSC浆液,水灰比控制在0.9,凝固时间为20min左右,以满足列车夜间停运注浆、运营时浆液已达规定强度的要求。通过6台压力可控性好的双液注浆泵进行抬升注浆,终压控制在0.8MPa左右。采用分阶段低速注浆,每抬升5mm为1个施工循环。施工中为防止浆液渗漏,先通过排管注浆在侧洞与中洞交接处形成两道止浆帷幕,起到防止浆液渗漏的防渗帷幕作用,同时将新建地铁车站中洞范围内土体基础与侧洞范围内土体基础分割开,减小侧洞施工对中洞范围基础的扰动。然后再对1,3,5区域进行注浆液,达到加固土体的效果,并在下一阶段抬升既有地铁隧道结构过程中起到止浆墙作用,最后对既有地铁隧道正下方2和4区域进行注浆,以更好地加固土体并抬升既有地铁隧道结构。注浆过程中发生漏浆时及时封堵,防止串浆带出土体引起沉降。注浆过程中对结构变形进行实时监控,确保安全。抬升注浆持续近1个月时间,既有地铁隧道结构累计最大抬升达16.0mm,左、右线隧道结构抬升速率均较为平稳,如图6所示。注浆过程中,隧道结构呈现出刚体位移特征,且为整体均匀抬升,没有出现过大的应力集中而导致结构破坏,变形缝处差异沉降明显减小,抬升效果显著。通过抬升注浆不仅使既有地铁线路高程损失得到一定的恢复,也为后续施工过程中沉降控制积累了宝贵的经验。在侧洞开挖中,根据沉降情况,及时通过注浆抬升既有地铁隧道结构,最终将其沉降量控制在16.75mm以内,保证了运营的安全。4.2地铁列车通过灌浆为保证道床的正常工作和运营安全,在侧洞施工前,对道床与隧道结构的脱开部位进行了灌浆加固。灌浆采用高位漏斗法进行,保证浆液能够在一定的压力下进入脱离处缝隙,同时不会出现压力过大而引起道床的隆起。浆液采用经过进一步加工处理的CGM—4型早强、高强无收缩超流态灌浆料。通过实验,浆液在具有较好的流动性和扩散性的前提下,能够满足灌浆2h后地铁列车通过时浆体强度大于15MPa。灌浆后,通过现场取芯,证明浆液填充饱满,加固效果良好,保证了道床在列车运营状态下的安全稳定。5既有地铁隧道结构变形控制及沉降控制建议(1)施工前对既有地铁轨道和变形缝处隧道结构采取加设轨距拉杆、护轨及扣轨梁等措施进行加固处理。(2)既有地铁隧道净空变化和轨道结构变形均是由隧道结构变形引起的。因此,控制好既有地铁隧道结构的变形特别是变形缝处的隧道结构沉降是实现运营线路下方成功修建地铁车站的关键。(3)根据检测评估和结构安全检算结果,参考国内外类似工程经验,制定既有地铁隧道结构和轨道结构的变形控制标准,并将隧道结构沉降控制标准按施工步序进行分解,实施沉降的分阶段控制。(4)监测结果表明:既有地铁隧道变形缝处结构沉降量最大,是施工控制的重点部位;中洞管幕、中洞导洞和侧洞管幕3个施工阶段引起的结构沉降量均超过了阶段控制标准,其中管幕施工引起隧道结构沉降达9.52mm,选用时应慎重;侧洞管幕施工完成时,变形缝处隧道结构累计沉降超限,变形