李志佳 劉力 劉衍峰

(1.北京市基礎設施投資有限公司 100101; 2.北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082)

引言

近年來,為了解決城市交通擁堵問題,全國許多城市均在加快修建城市軌道交通。城市軌道交通的大規(guī)模建設必然帶來新建線路與既有線路的交叉。在穿越、鄰近既有線工程中,要保證工程的順利實施,更重要的是保證既有線的安全運營。要實現(xiàn)安全、成功地穿越既有線,就需要采取相應的風險控制措施。

張金偉[1]對單洞單線暗挖地鐵區(qū)間穿越城市大型立交橋橋區(qū)風險工程設計優(yōu)化方法進行了研究。李兆平等[2]探討了北京地鐵鄰近橋梁施工風險等級劃分應考慮的因素和風險等級劃分方法,形成了對鄰近橋梁的風險控制與保護技術程序。王東清[3]對地鐵暗挖隧道近距離穿越城市立交橋橋樁施工技術進行了分析。王力勇[4]等對地鐵隧道下穿高架橋施工控制技術進行了研究,通過在隧道施工過程中增設臨時仰拱等工程措施加固土體,控制建筑物沉降。上述文獻多就單洞單線地鐵暗挖隧道穿越市政橋梁進行研究和討論,而對單洞雙線暗挖大斷面隧道穿越既有地鐵高架區(qū)間的研究較少。本文以北京地鐵15 號線單洞雙線大斷面區(qū)間隧道側(cè)穿及區(qū)間風井、風道鄰近既有13 號線地鐵高架區(qū)間為例,對風險控制措施進行了研究,并結(jié)合數(shù)值分析、施工監(jiān)控量測,在保證地鐵13 號線正常運營的前提下,順利完成了工程的施工。

1 工程概況

北京地鐵15 號線清華東站站后折返線區(qū)間為單洞雙線暗挖大斷面隧道,采用雙側(cè)壁導坑法施工。如圖1 所示,隧道自東向西暗挖下穿13號線高架橋區(qū)間,區(qū)間風井及風道位于既有地鐵13 號線高架橋區(qū)間西側(cè)。

圖1 區(qū)間及區(qū)間風井、風道與既有13 號線關系Fig.1 Relationship between the metro section,ventilation shaft,air duct and Line 13

地鐵13 號線五道口站—上地站區(qū)間為高架區(qū)間,穿越段為18.5m+27m+20.75m 三跨連續(xù)梁,隧道穿越處橋跨18.5m,承臺尺寸為6.0m×5.5m×2m,覆土約7m; 承臺下設四根直徑1.0m 橋樁,樁長約34m。

折返線區(qū)間下穿13 號線區(qū)間段范圍為23.58m,結(jié)構斷面型式為單洞雙線大斷面,開挖尺寸為12.3m(寬) × 10.02m(高),覆土約17.36m。如圖2 所示,下穿處隧道初支外皮距離南側(cè)橋樁水平凈距為0.74m,距離北側(cè)橋樁水平凈距為0.46m,折返線隧道與南側(cè)承臺豎向垂直凈距約為8.37m,與北側(cè)承臺豎向垂直凈距約為8.33m。

圖2 區(qū)間與既有13 號線關系Fig.2 Relationship between the metro section andLine 13

區(qū)間風井及風道位于地鐵13 號線高架橋西側(cè)。風井開挖尺寸為8.4m(長) ×5.2m(寬),采用倒掛井壁法施工; 風道開挖尺寸為7.4m(寬)×13.47m(高),拱頂直墻雙層斷面,臺階法施工,覆土14.26m。如圖3 所示,區(qū)間風道初支外皮距離東側(cè)橋樁水平凈距為5.92m,距離東側(cè)橋樁承臺水平凈距為5.42m。

圖3 區(qū)間風道與既有13 號線關系Fig.3 Relationship between the air duct and Line 13

該工程所處地層從上到下依次為雜填土①1層、粉土填土①層、粉土③層、粉細砂③3層、粉質(zhì)粘土③1層、粉土④2層、粉質(zhì)粘土④層、粉土⑥2層、粉質(zhì)粘土⑥層、中粗砂⑦1層、圓礫卵石⑦層。

地下水包括上層滯水(一)、潛水(二)、層間水(三)和承壓水(四)。區(qū)間及區(qū)間風道開挖范圍主要為潛水(二)(位于區(qū)間風道拱頂位置)及層間水(三)(位于區(qū)間風道底板以上約4m 位置),承壓水(四)位于結(jié)構底板以下。

2 區(qū)間風井、風道及區(qū)間施工步序

區(qū)間風井、風道及區(qū)間的施工步序見圖4,具體步序如下：

(1)對既有13 號線橋樁所在區(qū)域進行地面深孔注漿加固土體(Ⅰ);

(2)對豎井(即區(qū)間風井)周邊土體進行深孔注漿止水(Ⅱ);

(3)豎井采用倒掛井壁法開挖,開挖至施工通道拱部時,在豎井內(nèi)沿施工通道馬頭門外輪廓打設超前注漿小導管加固地層,開挖至井底并封底(Ⅲ);

(4)采用深孔注漿縱向超前預加固橫通道(即區(qū)間風道)地層,分區(qū)鑿除施工通道馬頭門范圍井壁混凝土,同步架設施工通道格柵鋼架,采用CRD 法施工橫通道(Ⅳ);

(5)在施工通道內(nèi)進行區(qū)間穿越13 號線區(qū)間高架橋樁的大斷面隧道全斷面深孔注漿加固(Ⅴ);

(6)采用雙側(cè)壁導坑法對區(qū)間進行開挖,直至到達區(qū)間風道(Ⅵ);

(7)先后依次澆筑區(qū)間正線二襯結(jié)構、風道二襯結(jié)構及豎井內(nèi)風井二襯結(jié)構。

圖4 區(qū)間風井、風道及區(qū)間施工步序Fig.4 Construction plan of the metro section,ventilation shaft and air duct

3 區(qū)間風井、風道及區(qū)間風險控制措施

區(qū)間風道初支外皮與東側(cè)橋樁水平凈距僅為5.92m,為一級環(huán)境風險工程。區(qū)間開挖寬度12.3m,下穿處隧道初支外皮與南側(cè)、北側(cè)橋樁水平凈距分別為0.74m、0.46m,屬于特級環(huán)境風險工程。該工程開挖斷面大,又緊鄰既有地鐵橋樁,還有風井、風道及區(qū)間的多次擾動,為保證既有13 號線高架區(qū)間的正常運營,需要保證橋梁和橋樁的變形在一定控制值之內(nèi)(控制值見第5 節(jié))。因此,該工程采取了以下措施。

3.1 地面深孔注漿加固橋樁區(qū)域土體

由于區(qū)間風道初支外皮與東側(cè)橋樁水平凈距僅為5.92m,折返線隧道初支外皮與南側(cè)、北側(cè)橋樁水平凈距分別為0.74m、0.46m,隧道的開挖必然導致上部土體沉降,進而對既有結(jié)構的安全產(chǎn)生影響。常見的鄰近施工加強措施可以分為兩種,即加固既有結(jié)構和強化支護措施。由于區(qū)間風道與既有13 號線為平行關系,區(qū)間與既有13 號線為正交關系,二者綜合影響比較復雜,因此應優(yōu)先考慮對既有結(jié)構進行加固,經(jīng)過對比擬選用地面深孔注漿加固橋樁所在區(qū)域的土體。

地面深孔注漿加固范圍為最外側(cè)橋樁外皮外放2m,隧道開挖拱部以上3m,仰拱以下2.5m,見圖5。漿液配比、擴散半徑、注漿壓力等指標應根據(jù)實驗確定,推薦深孔注漿壓力控制在1.0MPa ～1.5MPa,單孔擴散半徑不小于0.5m,注漿漿液采用水泥- 水玻璃雙液漿,根據(jù)地層條件添加調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時間和可注性的外加劑; 注漿加固后土體無側(cè)限抗壓強度不應小于1.0MPa。

3.2 開挖前在橋跨下放置滿堂紅支架預支頂

工程施工前對施工影響的橋跨下放置滿堂紅支架進行預支頂,根據(jù)橋梁變形監(jiān)測情況采用千斤頂進行頂升,并針對環(huán)境風險的工程特點,制定完善的應急預案并報產(chǎn)權單位備案。

3.3 開挖前深孔注漿止水

暗挖工程需保證無水作業(yè),否則易影響側(cè)壁及掌子面的穩(wěn)定。為保證無水作業(yè),可以選擇降水或者止水措施。一般情況下多選擇降水,但此工程由于臨近既有13 號線,若降水會造成較大的地表沉降,從而影響其正常運營,因此采用深孔注漿止水,保證開挖時無水作業(yè)。

圖5 地面深孔注漿加固范圍Fig.5 Reinforcement range by ground deep hole grouting

圖6 深孔注漿止水范圍Fig.6 Sealing range by deep hole grouting

區(qū)間風井(兼施工豎井)隨開挖對井壁周圈進行超前向下深孔注漿止水,風道在開挖前對支護外圍采取洞內(nèi)深孔注漿止水措施,深孔注漿區(qū)為初支外皮外放1.5m,見圖6。每段深孔注漿縱向長度12m,挖10m,段與段間搭接2m,每一段注漿前在掌子面設置0.3m 厚止?jié){墻。推薦注漿壓力控制在0.8MPa ～1.0MPa,漿液采用水泥-水玻璃雙液漿,注漿加固后土體無側(cè)限抗壓強度為不小于0.5MPa,注漿止水后要求土體滲透系數(shù)不大于1.0 ×10-6cm/s。

3.4 開挖前區(qū)間隧道洞內(nèi)全斷面注漿加固土體

區(qū)間隧道除對橋樁區(qū)域采取地面深孔注漿加固土體外,其余施工影響范圍采用洞內(nèi)全斷面注漿加固土體措施。全斷面注漿加固范圍為仰拱外放2.5m,其他位置外放3.0m,見圖7。推薦注漿壓力、漿液、注漿加固后土體無側(cè)限抗壓強度及土體滲透系數(shù)要求同區(qū)間風井深孔注漿的要求。

圖7 區(qū)間全斷面注漿加固范圍Fig.7 Reinforcement range by deep hole grouting in the metro section

4 區(qū)間風井、風道及區(qū)間施工變形預測

4.1 區(qū)間風井及風道臨近既有13 號線施工變形預測

本文采用MIDAS -GTS 巖土工程數(shù)值分析軟件,建立二維數(shù)值分析模型。土體采用摩爾-庫侖模型,采用提高注漿范圍內(nèi)土體強度及彈性模量的方式模擬注漿加固效果。模型中各地層物理力學參數(shù)見表1。模型底部約束豎向位移,側(cè)邊約束水平位移。

表1 地層物理力學性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of the stratum

模型計算過程中,先進行地應力平衡,然后按照風井、風道的施工步序進行模擬計算。根據(jù)計算結(jié)果,風井及風道施工引起的橋墩總沉降為1mm,地表總沉降為2.9mm。

4.2 區(qū)間側(cè)穿既有13 號線施工變形預測

同樣采用MIDAS-GTS 有限元程序進行沉降變形分析計算。區(qū)間隧道各個施工步驟引起的地表沉降計算結(jié)果如下：

第一步： 左側(cè)上部洞室的開挖及支護,地表沉降值為1.1mm; 第二步： 左側(cè)下部洞室的開挖及支護,地表沉降值為1.6mm; 第三步： 右側(cè)上部洞室的開挖及支護,地表沉降值為2.4mm; 第四步： 右側(cè)下部洞室的開挖及支護,地表沉降值為3.0mm; 第五步： 中間上部洞室開挖及支護,地表沉降值為3.8mm; 第六步： 中間下部洞室開挖及支護,地表沉降值為4.3mm; 第七步： 分步拆除支撐,施做二次襯砌,地表沉降值為5.4mm。區(qū)間隧道施工引起的橋墩總沉降為0.8mm。

根據(jù)以上計算結(jié)果,區(qū)間風道及折返線區(qū)間隧道施工引起的橋墩累計總沉降為1.8mm。

5 既有13 號線變形控制指標

由北京交通大學完成的《既有地鐵13 號線高架橋五道口站—上地站區(qū)間結(jié)構及軌道安全性影響評估報告》依據(jù)其他類似工程經(jīng)驗及相應的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),在綜合考慮預測變形值和結(jié)構允許變形值的基礎上考慮一定的安全系數(shù),確定了既有13 號線區(qū)間橋梁及軌道變形控制指標見表2 ～表4。

表2 地鐵區(qū)間橋梁結(jié)構累計變形控制指標Tab.2 Cumulative deformation control index of metro bridge structure

表3 地鐵區(qū)間軌道結(jié)構累計變形控制指標Tab.3 Cumulative deformation control index of metro track structure

表4 相鄰橋墩累計差異沉降變形控制指標Tab.4 Accumulated differential settlement deformation control index of adjacent bridge pier

根據(jù)變位分配法原理[5],將變形控制指標分解至各個施工步序。根據(jù)沉降變形分析計算結(jié)果及評估結(jié)論,結(jié)合北京類似工程經(jīng)驗,13 號線區(qū)間橋墩控制指標分解如下(區(qū)間風井、風道及區(qū)間下穿總控制值為3mm)：

區(qū)間風井、風道： 區(qū)間風井累計變形為15%,風道累計變形為35%;

區(qū)間開挖： 第一步累計變形為50%,第二步累計變形為60%,第三步累計變形為70%,第四步累計變形為80%,第五步累計變形為90%,第六步為95%,第七步為100%。

6 現(xiàn)場施工監(jiān)測結(jié)果分析

經(jīng)過采取第3 節(jié)所述各項風險控制措施,暗挖大斷面區(qū)間隧道初支及二襯施工完畢后,實測橋墩最大沉降量為2.84mm,最大差異沉降為1.68mm,軌道結(jié)構變形最大值2.34mm。實測橋墩最大沉降量比數(shù)值模擬略大,主要由于隧道的拱腰及拱底位于卵石層,注漿止水難以保證完全密封。但經(jīng)過對比,各項變形數(shù)據(jù)均滿足《既有地鐵13 號線高架橋五道口站～上地站區(qū)間結(jié)構及軌道安全性影響評估報告》給定的13 號線區(qū)間橋梁及軌道變形控制指標,表明設計、施工采取的措施是有效的。

7 結(jié)論

1.對既有13 號線高架區(qū)間的保護,優(yōu)先選用加固既有結(jié)構的方法,采用地面深孔注漿加固橋樁所在區(qū)域的土體,同時對施工影響的橋跨下放置滿堂紅支架進行預支頂,根據(jù)橋梁變形監(jiān)測情況采用千斤頂進行頂升。

2.在加固既有13 號線的同時,對區(qū)間風井及風道采用深孔注漿止水措施,對大斷面區(qū)間隧道采用全斷面注漿加固措施(兼具止水效果),可以避免降水導致較大的沉降,從而減小13 號線的沉降。

3.通過數(shù)值模擬分析,區(qū)間風井、風道及暗挖大斷面隧道施工引起的橋樁累計總沉降為1.8mm,預判工程采用的各項安全控制措施效果較好。

4.根據(jù)沉降變形分析計算結(jié)果及評估結(jié)論,結(jié)合北京類似工程,將13 號線區(qū)間橋樁控制指標分解到各個施工步驟,使變形的過程控制可以達到較好的效果。

5.通過現(xiàn)場施工監(jiān)測結(jié)果分析,施工完畢后各項變形數(shù)據(jù)均滿足評估報告給定的指標,很好地驗證了各項風險控制措施的有效性,也為類似工程提供了有力的技術支持。