趙光泉

(中鐵十四局集團(tuán)隧道公司，山東 濟(jì)南 250014)

1 概述

隨著城市地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，新建地鐵結(jié)構(gòu)下穿既有線的情況也越來(lái)越多，新建隧道的下穿施工如何保證既有線結(jié)構(gòu)的安全，不影響既有線的正常運(yùn)營(yíng)，越來(lái)越受到研究人員的重視［1-3］。北京地鐵9號(hào)線軍事博物館站主體下穿既有一號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，與既有線區(qū)間結(jié)構(gòu)軸向呈81°夾角。車(chē)站地面周邊建筑物密集且多為高層建筑，地下管線密布，地面交通異常繁忙。

車(chē)站主體站兩端主體結(jié)構(gòu)為三拱兩柱雙層結(jié)構(gòu)，下穿段采用分離式的單層雙洞形式。隧道開(kāi)挖斷面高10.505m，寬9.55m，兩隧道間凈距僅4.7 m，單層段結(jié)構(gòu)拱頂與既有1號(hào)線區(qū)間隧道框架結(jié)構(gòu)底板底面的垂直距離為10.8 m。下穿段總長(zhǎng)度為23.2 m。既有1號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)為雙跨單層矩形框架的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂板厚0.75m，底板厚0.7 m，側(cè)墻厚0.7 m，區(qū)間縱向每22.8 m設(shè)置一道變形縫。下穿段隧道斷面和既有1號(hào)線區(qū)間隧道的情況及相互位置關(guān)系如圖1。

下穿隧道支護(hù)為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初支為35 cm厚C25格柵拱架?chē)娀炷粒r為800 cm厚的C30模筑混凝土結(jié)構(gòu)，初支與二襯之間設(shè)防水板。

在車(chē)站下穿施工過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制施工引起的地層變位及既有結(jié)構(gòu)的沉降，保證1號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)，因此，必須選擇合適的施工方案并分析施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的安全性。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

(1)工程地質(zhì)。車(chē)站工程范圍內(nèi)的地形略有起伏，地層從上至下分別為:含磚塊碎石等雜填土層、含磚灰渣的粉土填土層;局部含粉砂夾層的粉土層③;粉質(zhì)粘土③1層;粉土層③2;細(xì)砂粉砂層④;級(jí)配良好的卵石及圓礫層⑤(卵石最大直徑8 cm);粉質(zhì)粘土層⑤1;以粘粒為主而膠結(jié)的強(qiáng)風(fēng)化礫巖層○11極軟巖;礫巖層○111和粘土巖地層等。隧道穿越地層主要為礫巖○111層和粘土巖地層。礫巖○111層:強(qiáng)風(fēng)化，成巖性較差，粘粒膠結(jié)，局部含細(xì)砂，易掰碎;粘土巖層:中等風(fēng)化，中等膠結(jié)，含少量中粗砂粒及云母。

(2)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件。北京地鐵九號(hào)線軍事博物館站車(chē)站施工范圍內(nèi)存在一層地下潛水水，水位埋深8.0～8.7 m，含水層為卵石、圓礫⑤層。因下穿既有線段距上方的含水層最近處約9.5m，隔水層厚度較大，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)掌子面比較干燥，地下水對(duì)施工影響較小。

圖1 車(chē)站下穿段隧道斷面及1號(hào)線區(qū)間隧道情況示意圖(單位:m)

3 隧道下穿施工方案

3.1 施工方案的確定

下穿既有1號(hào)線區(qū)間隧道段的新建軍事博物館站主體結(jié)構(gòu)斷面為分離式雙洞形式，斷面9.55m(寬)×10.505m(高)。為盡可能減小少下穿施工對(duì)既有線區(qū)間隧道的影響，保證既有線正常運(yùn)營(yíng)，先進(jìn)行大剛度和強(qiáng)度的超前支護(hù)，然后再采用安全性較高的能夠有效控制地層變位的CRD法施工，且嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工步序進(jìn)行施工，待一側(cè)隧道開(kāi)挖并襯砌施作完畢后再施工另一側(cè)隧道。

3.2 隧道施工順序

車(chē)站下穿既有地鐵1號(hào)線區(qū)間隧道段采用CRD法施工，具體施工步驟如下:

(1)施作管棚。在開(kāi)挖前，在1號(hào)線區(qū)間結(jié)構(gòu)底板與新建隧道結(jié)構(gòu)外輪廓間施作三層的管棚貫穿整個(gè)下穿段，并進(jìn)行注漿。

(2)施作右側(cè)隧道。按1、2、3、4、5、6的開(kāi)挖順序分步施工右側(cè)隧道，并施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，相鄰兩部之間間隔5m，直至各部全部施工完畢。

(3)逐段拆除臨時(shí)橫撐，施作底板及部分側(cè)墻防水層和二次襯砌。

(4)將臨時(shí)豎撐拆除，施作剩余部分側(cè)墻及拱部防水層和二次襯砌。

(5)開(kāi)挖另一側(cè)結(jié)構(gòu)。按7、8、9、10、11、12的開(kāi)挖順序分步開(kāi)挖，并施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，相鄰兩部間隔5m，直至各部全部施工完畢。

(6)逐段拆除橫撐，施作底板及部分側(cè)墻防水層和二次襯砌。

(7)拆除豎撐，鋪設(shè)剩余部分邊墻及拱部防水層，澆注主體邊墻及頂部混凝土。

(8)二次襯砌背后注漿。澆注站臺(tái)板，施作附屬結(jié)構(gòu)及內(nèi)部裝修。

新建地鐵九號(hào)線軍事博物館站施工工序圖如圖2。

4 隧道施工對(duì)既有線影響的安全性分析

為了解多分部CRD施工過(guò)程中地層的變形及施工對(duì)既有區(qū)間隧道的影響，利用三維數(shù)值差分軟件FLAC3D［4］，對(duì)下穿既有1號(hào)線的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算模擬步驟如圖2。

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

模型邊界條件的選取為模型側(cè)面和底面為位移邊界，模型頂面取到地面，為自由邊界，底面采用豎向約束，側(cè)面采用水平約束。地層、既有結(jié)構(gòu)和新建隧道支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元模擬，劃分單元后的模型如圖3，模型中共192 100個(gè)實(shí)體單元。

計(jì)算荷載考慮既有地鐵結(jié)構(gòu)自重、土體自重力及地表超載取20kPa。

模型中各地層參數(shù)見(jiàn)表1，既有線結(jié)構(gòu)及下穿段隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 軍博站地鐵線施工工序簡(jiǎn)圖

表1 軍博站地層參數(shù)

表2 下穿段既有結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

(1)既有結(jié)構(gòu)的豎直沉降。在兩側(cè)隧道全部施工完成后引起既有結(jié)構(gòu)的最大豎向沉降為2.38mm，小于運(yùn)營(yíng)線路的豎向沉降控制值3mm。

(2)既有結(jié)構(gòu)沉降縫處的差異沉降。軌道的差異沉降是影響列車(chē)安全運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，既有結(jié)構(gòu)縱向每22.8 m設(shè)置一道變形縫，位置如圖3。兩側(cè)隧道均施工完成后引起的既有結(jié)構(gòu)不同沉降縫處的差異沉降如圖4。從圖4可知，既有結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)4兩端變形縫3和變形縫4處的差異沉降最大，分別是0.49mm和0.31mm，兩端變形縫的最大差異沉降為0.18mm，小于差異沉降控制值1mm。

圖3 既有線區(qū)間底板變形縫設(shè)置示意圖

圖4 下穿段施工引起的既有區(qū)間結(jié)構(gòu)線路沉降

(3)既有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析。由隧道下穿施工引起既有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉應(yīng)力過(guò)大時(shí)就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，影響既有結(jié)構(gòu)的正常使用，從而影響既有線路的正常運(yùn)營(yíng)。下穿隧道施工完成后上方既有區(qū)間段隧道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力－10.4kPa和最小主應(yīng)力－404.7kPa，均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)地板上，且均為數(shù)值都較小的壓應(yīng)力。

5 施工監(jiān)測(cè)

5.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

在下穿既有區(qū)間結(jié)構(gòu)布置下沉測(cè)點(diǎn)，在右側(cè)隧道中部處設(shè)一監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)既有結(jié)構(gòu)下沉、圍巖與初支間的接觸應(yīng)力、初期支護(hù)噴混凝土層的應(yīng)力、初期支護(hù)與二次襯砌之間的接觸應(yīng)力、二襯鋼筋的應(yīng)力和二襯混凝土應(yīng)力等項(xiàng)目，測(cè)點(diǎn)布置如圖5。

5.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.2.1 既有結(jié)構(gòu)下沉

在結(jié)構(gòu)側(cè)墻底部共布置18個(gè)測(cè)點(diǎn)，線路軌道上布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)。在施工過(guò)程中，曾經(jīng)在隧道上方與既有結(jié)構(gòu)底板以下地層中進(jìn)行多次補(bǔ)償注漿，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的曲線波動(dòng)較大。從右線隧道從破除馬頭門(mén)，至下穿開(kāi)挖完成，結(jié)構(gòu)最大沉降1.63mm，軌道最大沉降0.64mm。

5.2.2 圍巖與初支間接觸壓力

地層與初期支護(hù)間測(cè)點(diǎn)的接觸應(yīng)力變化曲線如圖6。從圖6可以看出:監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的接觸應(yīng)力變化曲線的波動(dòng)幅度以左拱腳為最大，其次是拱頂;波動(dòng)幅度較大的原因與多次的袖閥管補(bǔ)償注漿密切相關(guān)，尤其是注漿壓力較大的注漿施工，注漿壓力最大曾經(jīng)到達(dá)2.5mPa，導(dǎo)致局部接觸壓力在短時(shí)間內(nèi)急劇增大，隨著注漿結(jié)束，接觸壓力很快跌落下來(lái)，這樣的規(guī)律與下面討論的其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的規(guī)律有相似之處。應(yīng)力最大處為拱頂和左拱腳兩處，量值在20kPa左右，其次是左側(cè)拱肩，其余各點(diǎn)均較小。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖6 地層與初支間的接觸應(yīng)力

5.2.3 初支混凝土應(yīng)力

初期支護(hù)混凝土測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線如圖7。從圖7可以看出:初支噴混凝土各點(diǎn)應(yīng)力在整個(gè)施工過(guò)程中都存在多次震蕩波動(dòng)的現(xiàn)象，有的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力波動(dòng)幅度甚至很大，如拱頂測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力。在監(jiān)測(cè)斷面的多個(gè)測(cè)點(diǎn)中，兩側(cè)拱肩處的噴混凝土應(yīng)力為拉應(yīng)力，左拱肩處稍大一些，為0.37 MPa;其它各點(diǎn)應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大值在左側(cè)墻中，施工過(guò)程中曾達(dá)1.82 MPa，最終應(yīng)力為1.26 MPa。

5.2.4 初期支護(hù)與二次襯砌間的接觸應(yīng)力

初支與二襯間各點(diǎn)接觸應(yīng)力變化曲線如圖8。從圖8看出:各點(diǎn)接觸應(yīng)力都非常小，波動(dòng)幅度也較小，而且增長(zhǎng)速率較小，多數(shù)點(diǎn)的應(yīng)力增長(zhǎng)速度已經(jīng)明顯放緩，且逐漸趨于穩(wěn)定。由于隧道開(kāi)挖采用了比較強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，因而，在限制地層變位的同時(shí)，也基本上承擔(dān)了全部的地層壓力及既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載等作用。此時(shí)隧道已經(jīng)穩(wěn)定，二次襯砌在這里也僅僅是作為支護(hù)體系的安全儲(chǔ)備。

圖7 初支噴混凝土應(yīng)力

圖8 初期支護(hù)與二次襯砌之間的接觸應(yīng)力變化曲線

5.2.5 二次襯砌混凝土應(yīng)力

各點(diǎn)二襯外層混凝土的應(yīng)力變化曲線如圖9。從圖9可以看出:除個(gè)別點(diǎn)位二襯混凝土應(yīng)力一度出現(xiàn)拉應(yīng)力外，其它各點(diǎn)處的應(yīng)力全部為壓應(yīng)力，且比較小。由于混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，根據(jù)應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線來(lái)看，各點(diǎn)處混凝土的應(yīng)力仍然處于緩慢增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，但是增長(zhǎng)速度較慢，一些點(diǎn)處也表現(xiàn)出趨于穩(wěn)定狀態(tài)，增長(zhǎng)幅度非常有限，如左側(cè)拱肩和左側(cè)墻中。二襯混凝土出現(xiàn)這樣小的應(yīng)力，可能是由于大強(qiáng)度和大剛度的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)主要地層壓力和既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載，在此情況下二襯結(jié)構(gòu)可以作為安全儲(chǔ)備隧道結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。

5.3 結(jié)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

隧道施工引起既有結(jié)構(gòu)沉降的計(jì)算結(jié)果為2.38mm，而在施工過(guò)程中的沉降監(jiān)測(cè)值為1.63mm，計(jì)算值大于監(jiān)測(cè)值，計(jì)算值比監(jiān)測(cè)值大31.5%。

隧道施工引起既有結(jié)構(gòu)底板的最大壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為404.7kPa。隧道施工過(guò)程中地層與初支監(jiān)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定值全部小于在240kPa，這一數(shù)值量值與引起既有結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力的量值相當(dāng)?？傊?，由于采取了大剛度和大強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，將隧道施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響降低到了較小的程度，保證了既有地鐵的正常運(yùn)營(yíng)和新建隧道的安全。

圖9 二襯混凝土應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

6 結(jié)論

采用三維數(shù)值方法分析了新建地鐵車(chē)站隧道下穿既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的安全性，在施工過(guò)程中進(jìn)行多項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。數(shù)值分析和監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)果表明，在進(jìn)行大剛度和強(qiáng)度超前支護(hù)條件下，按多分部開(kāi)挖的CRD法進(jìn)行下穿施工引起既有線結(jié)構(gòu)的沉降、差異沉降變形和附加應(yīng)力均控制在允許范圍內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)本身的受力也較小，保障了既有地鐵線路的正常運(yùn)營(yíng)和新建隧道的安全。下穿段隧道的順利完工，說(shuō)明所選施工方案是合理性的。

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