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        地鐵上穿工程中既有隧道結(jié)構(gòu)周圍土體注漿加固范圍研究

        2012-07-26 08:05:34許有俊陶連金李文博
        鐵道建筑 2012年11期
        關(guān)鍵詞:號(hào)線寬度土體

        許有俊,陶連金,李文博,王 楓

        (1.內(nèi)蒙古科技大學(xué),內(nèi)蒙古包頭 014010;2.北京工業(yè)大學(xué),北京 100124;3.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,山西太原 030012)

        新建地鐵車站上穿既有地鐵線路時(shí),將不可避免地?cái)_動(dòng)其周圍的土體,打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)。新建隧道下方的土體,正處于隧道開挖作用的卸荷區(qū),產(chǎn)生了向上的卸荷附加應(yīng)力場,引起新建隧道底部一定深度范圍內(nèi)的土體隆起變形。土體的隆起帶動(dòng)既有隧道產(chǎn)生局部縱向上浮變形及附加內(nèi)力,使既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切、拉伸和扭轉(zhuǎn)變形,嚴(yán)重者使結(jié)構(gòu)破壞。造成道床變形開裂、道床脫離,兩軌高差超限、單軌垂直和水平位移超限、軌道曲率超限等,從而影響既有線列車的正常、安全運(yùn)營[1]。因此,在地鐵上穿工程中,其核心問題就是采用合理的施工工法及抗浮工程技術(shù)措施,并根據(jù)既有線的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測結(jié)果,把既有線的上浮變形控制在允許的范圍內(nèi),保護(hù)既有結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞以及既有線的運(yùn)營安全。

        為此,通??刹扇扔械罔F隧道結(jié)構(gòu)周圍土體預(yù)加固或抗浮錨桿等措施來抑制既有線的上浮變形??垢″^桿的施工工藝復(fù)雜,對小導(dǎo)洞的施工造成一定的干擾,影響施工的進(jìn)度,其抗浮作用需要現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證[2]。注漿加固土體的主要原理為漿液通過滲透、壓密、劈裂等方式與土體相互作用,改善了巖土顆粒間的膠結(jié)作用,在使膠結(jié)力明顯增大的同時(shí),由于粒狀漿液填充了土體顆粒間的孔隙,改變了其孔隙度和飽和度,改善了土體的物理力學(xué)參數(shù),較大地提高了土體自穩(wěn)能力及抗變形能力,將既有線結(jié)構(gòu)的變形控制在允許的范圍之內(nèi)。但是,目前地鐵上穿工程的實(shí)例較少,對上穿既有線的相關(guān)理論研究成果亦較少,仍處于經(jīng)驗(yàn)探索階段。對于既有隧道結(jié)構(gòu)周圍土體的合理加固范圍,即加固的寬度和深度數(shù)值,主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)取值。因此,有必要對該問題進(jìn)行深入地研究,其研究成果可為今后類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn),完善上穿近接工程施工理論和方法。

        1 工程概況

        1.1 站址環(huán)境

        北京地鐵4號(hào)線西單站位于復(fù)興門內(nèi)大街(長安街)與宣武門內(nèi)大街、西單北大街相交處十字路口的東側(cè),呈南北走向,與1號(hào)線西單地鐵車站呈“T”字型換乘。4號(hào)線車站結(jié)構(gòu)中間段為上穿1號(hào)線區(qū)間部位,長度46.8 m,采用暗挖法施工,如圖1。中間暗挖段底板底面與1號(hào)線既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂凈距0.5 m,地鐵4號(hào)線結(jié)構(gòu)頂至地面覆土層厚度約4.0 m,屬于超淺埋結(jié)構(gòu)。且此部分覆土層主要為人工填土,屬Ⅵ級(jí)圍巖,圍巖穩(wěn)定性極差。車站采用兩個(gè)單洞馬蹄型斷面形式,中間設(shè)聯(lián)絡(luò)通道,將兩個(gè)單洞斷面相連。新建地鐵4號(hào)線西單車站與地鐵1號(hào)線區(qū)間線路平面關(guān)系如圖 1[3]。

        圖1 4號(hào)線西單站與1號(hào)線的平面關(guān)系(單位:mm)

        1.2 主要設(shè)計(jì)及施工參數(shù)

        1)設(shè)計(jì)參數(shù)

        單洞最大斷面為9 900 mm×9 170 mm,初襯采用350 mm厚C40鋼筋混凝土,二襯采用500 mm厚C50鋼筋混凝土,見文獻(xiàn)[4]的圖3。

        2)施工工序

        新建4號(hào)線西單車站隧道采用6步CRD法施工,嚴(yán)格貫徹淺埋暗挖法18字方針“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”。該法是通過臨時(shí)仰拱和臨時(shí)中隔壁把大斷面分割成小斷面的方法,以時(shí)間換取空間,可有效地控制洞室的收斂,減少了開挖對周圍地層的擾動(dòng),充分地體現(xiàn)了隧道開挖的時(shí)空效應(yīng)。施工時(shí)先施作左洞,待施工順利通過1號(hào)線上下行區(qū)間后,再施作右洞以減小對1號(hào)線區(qū)間上部土體的擾動(dòng)。

        3)深孔注漿加固措施

        為控制既有1號(hào)線的上浮變形,從1號(hào)、3號(hào)洞室底部對結(jié)構(gòu)底板與1號(hào)線區(qū)間隧道兩側(cè)土體進(jìn)行注漿加固。加固范圍主體結(jié)構(gòu)底板下10 m,兩側(cè)6.0 m,加固土層底部到達(dá)卵石層,如圖2和圖3所示。同時(shí),為減少對1號(hào)線區(qū)間單側(cè)土層注漿時(shí)產(chǎn)生不平衡側(cè)壓力,要求導(dǎo)洞開挖25 m后再進(jìn)行向下土體注漿,并盡量做到對區(qū)間結(jié)構(gòu)的兩側(cè)土體同時(shí)注漿加固。

        圖2 地層注漿加固橫剖面圖(單位:mm)

        圖3 地層注漿加固縱剖面圖(單位:mm)

        采用FLAC 3D有限差分軟件建立三維數(shù)值計(jì)算模型,對新建地鐵車站的施工全過程進(jìn)行了模擬。模型幾何尺寸為100 m×60 m×50 m,夯管帷幕、小導(dǎo)管加固地層、新建隧道與既有隧道結(jié)構(gòu)二次襯砌均采用實(shí)體單元,中隔壁采用Shell單元。注漿加固地層效果按提高加固范圍內(nèi)土體物理力學(xué)參數(shù)等效[4-5]。

        2 合理注漿加固范圍的確定

        對既有隧道周圍一定范圍內(nèi)的土層采取深孔注漿加固等措施,可提高該范圍內(nèi)土體的彈性基床系數(shù),有效地控制既有結(jié)構(gòu)的上浮變形。

        1)注漿加固寬度不變,深度增加

        加固深度從上層導(dǎo)洞底部算起,分8種計(jì)算工況,其中工況1表示注漿深度達(dá)到既有隧道結(jié)構(gòu)頂部時(shí)的距離,工況2表示注漿加固深度達(dá)到既有隧道結(jié)構(gòu)中部時(shí)的距離,工況3表示注漿加固深度達(dá)到既有隧道結(jié)構(gòu)底部時(shí)的距離,工況4,工況5,工況6,工況7,工況8分別表示注漿加固深度為既有隧道結(jié)構(gòu)底部以下1.5 m,2.5 m,3.5 m,4.5 m,6.5 m。加固寬度bz=6.0 m保持不變,深度hz的變化范圍見表1。

        表1 計(jì)算工況

        由圖4可知,隨著加固深度的增加,既有隧道結(jié)構(gòu)的上浮變形值逐漸減小。從中層導(dǎo)洞底部算起,當(dāng)深度達(dá)到10.0 m時(shí),既有結(jié)構(gòu)的最大上浮變形值為3.94 mm,小于既有隧道結(jié)構(gòu)上浮變形控制值4.0 mm。鑒于既有線的重要性,基于西單地層且認(rèn)為注漿加固措施到位的前提條件下,建議對既有隧道結(jié)構(gòu)的合理加固深度取13.5 m,既有注漿加固深度達(dá)到既有隧道結(jié)構(gòu)的底部。在該工程中,實(shí)際的加固深度為16.0 m,既有隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮值為2.57 mm。同時(shí),加固深度hz≥18.0 m時(shí),對既有隧道結(jié)構(gòu)的上浮變形值的控制不再起作用。

        圖4 不同注漿加固深度下既有隧道結(jié)構(gòu)上浮變形曲線

        2)深度不變,寬度增加

        分7種計(jì)算工況,hz=16.0 m,寬度bz的變化范圍見表2,其中工況4是西單上穿工程實(shí)際采用加固范圍。由圖5可知,隨著加固寬度的增加,既有結(jié)構(gòu)的上浮變形值逐漸減小。當(dāng)1.0 m≤bz<6.0 m時(shí),既有隧道結(jié)構(gòu)的最大上浮值由3.13 mm下降至2.57 mm;當(dāng)加固寬度6.0 m≤bz≤12.0 m時(shí),既有結(jié)構(gòu)的上浮變形值由2.57 mm下降至2.36 mm,既有隧道結(jié)構(gòu)最大上浮值下降緩慢。因此,鑒于既有結(jié)構(gòu)的重要性,合理的加固寬度取值為6.0 m。

        表2 計(jì)算工況表

        圖5 不同注漿加固寬度下既有隧道結(jié)構(gòu)上浮變形曲線

        3 結(jié)論與建議

        1)注漿寬度保持不變的情況下,隨加固深度的增加,既有隧道結(jié)構(gòu)的上浮變形值逐漸減小,對既有隧道結(jié)構(gòu)的合理加固深度為13.5 m(加固深度達(dá)到既有隧道結(jié)構(gòu)的底部)時(shí)即可將既有線結(jié)構(gòu)的上浮變形控制在安全的范圍之內(nèi)。同時(shí),加固深度hz≥18.0 m時(shí),對既有隧道結(jié)構(gòu)的上浮變形值的控制不再起作用。

        2)注漿深度保持不變的情況下,隨著加固寬度的增加,既有結(jié)構(gòu)的上浮變形值逐漸減小,合理的加固寬度取值為6.0 m。

        3)建議盡早施作新建隧道的二襯,隨著二襯的施作,對既有線已發(fā)生的上浮值有回調(diào)作用。

        [1] 張曉麗.淺埋暗挖法下穿既有地鐵構(gòu)筑物關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐[D].北京:北京交通大學(xué),2007.

        [2] 許有?。疁\埋暗挖法地鐵隧道上穿既有線結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2011.

        [3] 朱劍.新建上穿車站施工對既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響及控制研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2010.

        [4] 許有俊,李文博,王楓.新建地鐵車站上穿既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)上浮變形預(yù)測[J].鐵道建筑,2011(3):70-73.

        [5] 陶連金,張印濤,唐四海.礦山法開挖近距離上穿北京既有線隧道的三維數(shù)值模擬[C]//第三屆上海國際隧道工程研討會(huì)文集.上海:上海市土木工程學(xué)會(huì),2007:560-565.

        [6] 劉忻梅,姜峰,許有?。陆ǖ罔F隧道上穿既有線結(jié)構(gòu)抗浮加固效應(yīng)計(jì)算分析[J].鐵道建筑,2011(12):66-68.

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