郭劍勇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，北京市近年來(lái)投入大量資金新建和改造城市道路及橋梁，但仍然難以滿足機(jī)動(dòng)車(chē)輛增長(zhǎng)的需求，道路堵塞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重［1］。如何充分利用好地下空間資源，成為北京市現(xiàn)代化城市基礎(chǔ)建設(shè)的重要一環(huán)。目前，北京市地下空間開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)進(jìn)入了快步發(fā)展階段，近5年來(lái)，地下空間建成面積以每年約300萬(wàn)m2的速度增長(zhǎng)［2］。城市軌道交通成為拓展地下空間的必然選擇，截至2013年5月，北京地鐵擁有17條線路270座車(chē)站，單日最高運(yùn)送乘客已突破1 000萬(wàn)人次，運(yùn)營(yíng)線路總里程為456 km。預(yù)計(jì)到2016年底，北京地鐵運(yùn)營(yíng)總里程將達(dá)到660 km以上，在遠(yuǎn)景規(guī)劃中，到2020年時(shí)，運(yùn)營(yíng)總里程將超過(guò)1 000 km。

隨著地鐵的大規(guī)模建設(shè)，在有限的地下空間中，地鐵隧道之間彼此“擦肩而過(guò)”、“上跨”和“下穿”的情況越來(lái)越多，近接隧道甚至雙層隧道的工程實(shí)例層出不窮。那么，新建隧道如何施工才能保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全就成為設(shè)計(jì)者亟待解決的難題。目前，國(guó)內(nèi)同行業(yè)者對(duì)鄰近隧道施工的問(wèn)題做了大量而廣泛的研究。姚捷等［3］對(duì)鄰近雙線地鐵隧道盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究了相鄰平行隧道施工的相互影響;閆朝霞等［4］以北京地鐵工程為例，研究運(yùn)用了淺埋暗挖和注漿法穿越既有線的施工技術(shù)，較好地控制了既有結(jié)構(gòu)的變形;錢(qián)雙彬等［5］對(duì)某地鐵盾構(gòu)近距離下穿地鐵出入口過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，得到了施工過(guò)程中既有結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，并提出了施工中應(yīng)采用的安全處理措施。

新建北京地下直徑線前三門(mén)隧道上跨既有地下結(jié)構(gòu)工程的難點(diǎn)在于該隧道與既有地鐵聯(lián)絡(luò)通道與電力隧道在空間的交叉復(fù)雜度和凈距問(wèn)題都超出了一般鄰近隧道工程，且對(duì)于既有結(jié)構(gòu)變形控制的要求極高。本文在總結(jié)以往類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出“隔離樁保護(hù)，分步開(kāi)挖”的隧道上跨施工方案，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證其對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形的有效控制，探索應(yīng)對(duì)城市高復(fù)雜度鄰近隧道工程施工的新方法。

1 工程背景與概況

北京地下直徑線是北京市正在建設(shè)中的一條鐵路地下聯(lián)絡(luò)線，兩端分別連接北京西站和北京站，是北京鐵路樞紐的重要組成部分。其中，前三門(mén)隧道全長(zhǎng)7 285 m，隧道進(jìn)口段位于北京站西街與崇文門(mén)內(nèi)外大街的交叉路口段，線路呈東西走向，從北京站西端引出后線間距由5 m漸變?yōu)? m，且僅能在地鐵2號(hào)線東南出入口與崇文門(mén)飯店之間的狹小地段鋪設(shè)通過(guò)。該地區(qū)地下管線密集，地面交通繁忙，有多條有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)。

前三門(mén)隧道在DK0+792～+850段上跨地鐵5號(hào)線與地鐵2號(hào)線南聯(lián)絡(luò)通道和電力隧道，隧道結(jié)構(gòu)頂板覆土約為2.95 m。隧道與聯(lián)絡(luò)通道的最小凈距為4.61 m，隧道與電力通道的最小凈距為1.9 m，地鐵聯(lián)絡(luò)通道與電力隧道最小凈距為0.75 m。考慮隧道穿越的地下空間狹小且矩形斷面空間利用率較高，故采用矩形斷面。隧道與地鐵聯(lián)絡(luò)通道及電力隧道的關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 隧道與地鐵聯(lián)絡(luò)通道及電力隧道的交叉平面圖Fig.1 Plan showing relationship among mentioned tunnel，existing Metro connection gallery and existing power tunnel

地鐵5號(hào)線與地鐵2號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道采用暗挖法施工，復(fù)合式襯砌，斷面最大開(kāi)挖寬度為6.5 m，高度為5.95 m。襯砌的初期支護(hù)為格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)及0.3 m厚C20噴射混凝土;二次襯砌采用C30，S10鋼筋混凝土，厚度為0.4 m。

電力隧道最小覆土厚度為0.7 m，最大覆土厚度為12.1 m，埋深最大15.2 m。縱坡最小為0.5%，最大為21.4%。

圖2 隧道與地鐵聯(lián)絡(luò)通道及電力隧道的橫斷面圖(單位:mm)Fig.2 Profile showing relationship among mentioned tunnel，existing Metro connection gallery and existing power tunnel(mm)

前三門(mén)隧道上跨既有地鐵聯(lián)絡(luò)通道和電力隧道區(qū)段穿越地層由上至下分別為雜填土、粉土、細(xì)砂及黏土等，詳見(jiàn)表1，該區(qū)段隧道開(kāi)挖深度范圍位于地下潛水位以上。

表1 工程地質(zhì)情況Table 1 Geological conditions

2 前三門(mén)隧道施工保護(hù)方案

考慮地面交通繁忙等因素，宜采用蓋挖法或暗挖法施工。相對(duì)于暗挖法而言，蓋挖法對(duì)地面施工場(chǎng)地有特殊要求，更適宜于地鐵車(chē)站深基坑的施工，而本工程穿越區(qū)段地面可供施工的空間狹小，綜合考慮施工便利性及工程經(jīng)濟(jì)性，確定采用暗挖法開(kāi)挖隧道。

2.1 采用臨時(shí)路面支撐體系與隔離樁防護(hù)體系

1)在前三門(mén)隧道結(jié)構(gòu)上方增設(shè)臨時(shí)路面支撐體系，于隧道結(jié)構(gòu)施工期間承擔(dān)地面活載。臨時(shí)路面支撐體系一般使用軍便梁或標(biāo)準(zhǔn)化路面板結(jié)合鋼筋混凝土縱橫梁實(shí)施，軍便梁適用于大跨度基坑臨時(shí)支撐，但其為戰(zhàn)備物質(zhì)，租賃使用的經(jīng)濟(jì)性較差。臨時(shí)路面板可采用3 m×1 m的標(biāo)準(zhǔn)化路面板，標(biāo)準(zhǔn)化路面板通常有3種不同的型式:鋼筋混凝土路面板、鋼板路面板及型鋼組合路面板。其中，鋼筋混凝土路面板自重偏大，裝運(yùn)困難，對(duì)下部支撐體系影響較大;鋼板路面板吊裝方便，但剛度偏小，不適合大跨度基坑使用;型鋼組合路面板用并排H型鋼焊接，自重適中，剛度大，布置靈活，適合較大跨度基坑使用，經(jīng)濟(jì)效益良好。本工程臨時(shí)路面體系采用5根H型鋼焊接而成，兩端用平鋼焊接加固。

2)使用隔離樁防護(hù)既有地下結(jié)構(gòu)。隔離樁是一種廣泛應(yīng)用于工程施工防護(hù)的手段，其主要目的是將主體部分與相鄰部分隔離開(kāi)來(lái)，起到減少或消除相互之間的影響作用。根據(jù)具體工程情況，一般有鉆孔灌注樁及水泥攪拌樁等?？紤]本工程施工場(chǎng)地狹小，故采用φ800 mm鉆孔灌注樁和φ300 mm復(fù)合錨桿樁作為隔離樁，在隧道主體結(jié)構(gòu)施工前布置于隧道主體結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，形成隔離樁防護(hù)體系，避免在隧道施工過(guò)程中影響既有地鐵聯(lián)絡(luò)通道及電力隧道。

2.2 采用超前支護(hù)及暗挖加強(qiáng)措施開(kāi)挖隧道

前三門(mén)隧道采用超前支護(hù)及暗挖加強(qiáng)措施方法進(jìn)行施工，其施工工法步驟如下:第1步，待完成路面支撐體系和隔離樁防護(hù)體系后，施作頂部雙層小導(dǎo)管，超前注漿加固，并開(kāi)挖中部導(dǎo)坑1，及時(shí)封閉初期支護(hù);第2步，開(kāi)挖下導(dǎo)坑2，及時(shí)封閉初期支護(hù);第3步，施作頂部雙層小導(dǎo)管，超前注漿加固，開(kāi)挖左上導(dǎo)坑3，及時(shí)封閉初期支護(hù);第4步，開(kāi)挖左下導(dǎo)坑4，及時(shí)封閉初期支護(hù);第5步，施作頂部雙層小導(dǎo)管，超前注漿加固，開(kāi)挖右上導(dǎo)坑5，及時(shí)封閉初期支護(hù);第6步，開(kāi)挖右下導(dǎo)坑6，及時(shí)封閉初期支護(hù);第7步，分步開(kāi)挖7—9導(dǎo)坑，并及時(shí)封閉初期支護(hù);第8步，在臨時(shí)支撐節(jié)點(diǎn)處鑿除孔洞，安設(shè)格柵，噴混凝土封閉初期支護(hù);第9步，分段鑿除內(nèi)部臨時(shí)初期支護(hù)，用水泥砂漿找平后分段鋪設(shè)底板防水層，施作保護(hù)層后綁扎鋼筋，再澆筑底板及部分邊墻混凝土;第10步，鋪設(shè)邊墻、頂板防水層，施作邊墻及頂板混凝土，最后完成附屬結(jié)構(gòu)。隧道防護(hù)措施示意如圖3所示。隧道分布開(kāi)挖示意如圖4所示。

圖3 隧道防護(hù)措施示意圖Fig.3 Protection of tunnel

圖4 隧道分步開(kāi)挖示意圖Fig.4 Sequence excavation of tunnel

3 隧道結(jié)構(gòu)安全計(jì)算

3.1 建立有限元模型

前三門(mén)隧道與電力隧道為矩形結(jié)構(gòu)，地鐵聯(lián)絡(luò)通道拱頂與仰拱為弧形結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元軟件對(duì)其分別進(jìn)行三維幾何建模及單元?jiǎng)澐帧Ｇ叭T(mén)隧道與既有地鐵聯(lián)絡(luò)通道及電力隧道的空間相對(duì)位置如圖5所示。根據(jù)圣維南原理，彈性體小部分面積或體積內(nèi)荷載作靜力等效變換時(shí)，只在局部產(chǎn)生不同效應(yīng)而對(duì)遠(yuǎn)處沒(méi)有影響，隧道模型仰拱或底板下方圍巖厚度取值為隧道高度的3倍［6］。圍巖土體幾何模型尺寸為水平方向65 m;豎直方向32 m，向上取自地表，向下取自隧道底板以下20 m;縱向58 m，沿隧道方向由DK0+792取至DK0+850。有限元模型單元?jiǎng)澐秩鐖D6所示。

圖5 隧道與聯(lián)絡(luò)通道及電力隧道相對(duì)位置示意圖Fig.5 Model showing relationship among mentioned tunnel，existing Metro connection gallery and existing power tunnel

圖6 有限元計(jì)算模型Fig.6 FE calculation model

隧道頂部為管棚加固區(qū)域，兩側(cè)為隔離樁。圍巖材料采用摩爾－庫(kù)倫模型［7－8］，隔離樁采用結(jié)構(gòu)樁單元模擬。前三門(mén)隧道、地鐵聯(lián)絡(luò)通道及電力隧道的襯砌結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見(jiàn)表2，圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。襯砌模型的邊界設(shè)置采用頂面自由邊界，下部鉸接，兩側(cè)全約束固定邊界。數(shù)值模擬計(jì)算中，采用地層結(jié)構(gòu)模型來(lái)計(jì)算隧道圍巖自重應(yīng)力，豎向壓力采用圍巖自重［9－10］。

表2 襯砌結(jié)構(gòu)主要尺寸參數(shù)Table 2 Main dimension parameters of lining structure cm

表3 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of materials

3.2 模擬隧道開(kāi)挖工況

前三門(mén)隧道采用分步開(kāi)挖法模擬開(kāi)挖工況，開(kāi)挖步驟如下:第1步，施作隔離樁，完成頂部小導(dǎo)管超前注漿加固，開(kāi)挖中部導(dǎo)坑1和導(dǎo)坑2，進(jìn)尺5 m，封閉初期支護(hù);繼續(xù)施作頂部雙層小導(dǎo)管超前注漿加固，開(kāi)挖左上導(dǎo)坑3和左下導(dǎo)坑4，封閉初期支護(hù);施作頂部雙層小導(dǎo)管超前注漿加固，開(kāi)挖右上導(dǎo)坑5和右下導(dǎo)坑6，封閉初期支護(hù);分步開(kāi)挖7—9步導(dǎo)坑，封閉初期支護(hù)。第2步，去除中間臨時(shí)初期支護(hù)，施作邊墻及底板初期支護(hù)和二次襯砌。第3步，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺5 m，重復(fù)第1步和第2步開(kāi)挖斷面，直至隧道開(kāi)挖完成［11］。

3.3 鄰近施工既有構(gòu)筑物的控制標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容

根據(jù)對(duì)既有地鐵聯(lián)絡(luò)通道和電力隧道結(jié)構(gòu)混凝土外觀、強(qiáng)度、裂縫的安全監(jiān)測(cè)和評(píng)估，同時(shí)參考北京地鐵運(yùn)營(yíng)公司《北京地鐵工務(wù)維修規(guī)則》針對(duì)既有線路軌道變形控制標(biāo)準(zhǔn)和北京地鐵5號(hào)線上跨1號(hào)線等類(lèi)似鄰近隧道施工安全控制經(jīng)驗(yàn)，制定了以下既有結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)既有結(jié)構(gòu)變形值達(dá)到預(yù)警值時(shí)，須降低施工速度，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)既有結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)，嚴(yán)格按照施工步驟施工;當(dāng)變形值達(dá)到允許值時(shí)，應(yīng)立即停止施工，及時(shí)封閉掌子面，加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)措施，等變形趨于穩(wěn)定并小于允許值時(shí)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)反饋信息重新制定超前支護(hù)方案，逐步完成施工過(guò)程。鄰近施工既有構(gòu)筑物的控制標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 鄰近施工既有構(gòu)筑物的控制標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Control standards of adjacent existing structures during tunnel construction mm

3.4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

見(jiàn)圖7—12。

圖7 隔離樁彎矩分配圖Fig.7 Distribution of bending moment of isolating piles

圖8 未采用防護(hù)方案既有結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力圖Fig.8 The first principal stress of existing structures without protection measures

圖9 采用防護(hù)方案后既有結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力圖Fig.9 The first principal stress of existing structures with protection measures

圖11 開(kāi)挖完成后地鐵聯(lián)絡(luò)通道位移云圖Fig.11 Cloud of displacement of Metro connection gallery when the excavation of the mentioned tunnel is completed

圖12 聯(lián)絡(luò)通道DK0+828斷面處各點(diǎn)隨開(kāi)挖進(jìn)尺的豎向位移Fig.12 Vertical displacement of Metro connection gallery at DK0+828 Vs tunnel excavation progress

3.5 對(duì)模擬結(jié)果的分析

對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道數(shù)值模擬應(yīng)力、位移云圖及位移數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析如下:

1)在未采用防護(hù)方案，即全斷面開(kāi)挖且沒(méi)有施作隔離樁的工況下，既有結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力最大值為3.0× 103kPa;在采用了防護(hù)方案后，即施作了隔離樁分步開(kāi)挖的工況下，既有結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力最大值為2.7× 103kPa。由此可知，在隔離樁的防護(hù)作用下，既有結(jié)構(gòu)在施工中的應(yīng)力明顯下降。通過(guò)對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，其安全性符合要求。

2)在前三門(mén)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，于隧道與聯(lián)絡(luò)通道最接近的DK0+828處，分別設(shè)置拱頂、左右邊墻和底板4個(gè)測(cè)點(diǎn)，提取4個(gè)測(cè)點(diǎn)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的位移值，可以得到聯(lián)絡(luò)通道在DK0+828處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨隧道開(kāi)挖進(jìn)尺的位移曲線。結(jié)果表明:在開(kāi)挖進(jìn)尺前25 m，聯(lián)絡(luò)通道最大位移發(fā)生在右側(cè)邊墻，最大位移值為1.3 mm;在開(kāi)挖進(jìn)尺25～35 m，聯(lián)絡(luò)通道各測(cè)點(diǎn)位移明顯增大，最大位移值為2.7 mm(因?yàn)檫@一區(qū)段為隧道與聯(lián)絡(luò)通道最接近的區(qū)段，其位移值的明顯增大與實(shí)際情況相吻合);在開(kāi)挖進(jìn)尺35～58 m，聯(lián)絡(luò)通道各測(cè)點(diǎn)位移趨于穩(wěn)定，最大位移值為2.9 mm，符合聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

3)在前三門(mén)隧道開(kāi)挖完成后，聯(lián)絡(luò)通道在最接近于前三門(mén)隧道的區(qū)段內(nèi)位移值最大，最大位移值為2.9 mm，符合聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與建議

1)在前三門(mén)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，地鐵聯(lián)絡(luò)通道與電力隧道均受到一定的影響，但是與地鐵聯(lián)絡(luò)通道相比，電力隧道結(jié)構(gòu)斷面較小，且不是人行通道，其安全性要求遠(yuǎn)低于地鐵聯(lián)絡(luò)通道，故本次計(jì)算主要以地鐵聯(lián)絡(luò)通道的位移值作為結(jié)構(gòu)安全性檢算標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)數(shù)值模擬分析，前三門(mén)隧道采用臨時(shí)路面支撐體系與隔離樁防護(hù)體系及加強(qiáng)措施分步開(kāi)挖隧道的施工方案是可行的。

2)與以往新建隧道下穿、上跨既有構(gòu)筑物不同，前三門(mén)隧道需要穿越的地段非常狹小，在空間上與多處既有地下結(jié)構(gòu)交叉，工程變形控制標(biāo)準(zhǔn)較高。本文提出了“隔離樁保護(hù)，分步開(kāi)挖”的隧道上跨施工方案。通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了既有構(gòu)筑物在鄰近隧道施工時(shí)的位移變化趨勢(shì)和極值，分析結(jié)果表明:“隔離樁保護(hù)，分步開(kāi)挖”的方案有效地減小了鄰近隧道施工對(duì)既有地下構(gòu)筑物的影響，既有構(gòu)筑物的數(shù)值模擬位移值符合變形控制的要求。

3)本文是通過(guò)有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)新建隧道上跨既有地下結(jié)構(gòu)工程施工進(jìn)行模擬，受有限元建模與圍巖參數(shù)設(shè)置局限性的影響，對(duì)隧道周?chē)馏w不同土層的分界情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化，這樣得出的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際結(jié)果會(huì)有一定的偏差。這些不足之處有望通過(guò)以后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行分析校正，將數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析相結(jié)合可以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

4)為確保既有地鐵聯(lián)絡(luò)通道與電力隧道的結(jié)構(gòu)安全，在施工中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控既有結(jié)構(gòu)的變形情況，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與構(gòu)筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，并預(yù)測(cè)其變形趨勢(shì);按規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行隧道開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺和各臺(tái)階開(kāi)挖步距;根據(jù)開(kāi)挖地層的實(shí)際情況可用C25噴射混凝土封閉上導(dǎo)坑掌子面。

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