寇鼎濤

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,100068,北京;2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室,100068,北京∥正高級工程師)

地鐵新建線路上穿既有線時,若穿越的地層淺薄,地質(zhì)松散軟弱,則新建工程施工很可能導致既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。許多學者圍繞此類問題開展了研究。文獻[1]針對具體項目提出上穿基坑分層開挖與下穿結(jié)構(gòu)分步交替施工方案,進而控制既有結(jié)構(gòu)的差異沉降。文獻[2]研究了某項目明暗挖施工時既有線結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力變化規(guī)律,從技術(shù)安全角度驗證了其明暗挖方案的可行性。文獻[3]研究了某淺埋暗挖隧道上穿既有盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律和受力分析。文獻[4]通過數(shù)值模擬,研究了盾構(gòu)施工近距離上穿既有線時對既有線的影響范圍和影響度。文獻[5]研究發(fā)現(xiàn)人工抽條放坡開挖+板錨支護能有效地控制既有地鐵隧道的變形。文獻[6-8]等對上穿既有線工程的變形影響和控制進行了理論、模擬及實測等多方面的研究,均取得了一系列成果。

然而,在我國目前的研究中,上穿既有線的新建隧道施工方法多為明挖法、盾構(gòu)法及礦山法,而鮮有PBA法(洞樁逆作法)。本文依托北京地鐵大興機場線磁各莊站—草橋站區(qū)間(以下簡稱“磁—草區(qū)間”)上穿既有北京地鐵10號線草橋站—紀家廟站區(qū)間工程(以下簡稱“既有線”),通過方案比選、數(shù)值模擬及施工監(jiān)測等,對PBA法暗挖隧道近距離上穿既有線的安全風險控制進行研究,以期為此類工程的安全推進提供借鑒。

1 工程基本情況

1.1 新建隧道工程概況

新建的磁—草區(qū)間隧道位于草橋站小里程端,于北京南三環(huán)西路玉泉營立交橋東側(cè)、鎮(zhèn)國寺北街下方,以68°平面交角上穿既有線。磁—草區(qū)間長約77.4 m,隧道結(jié)構(gòu)形式為單洞雙線單層框架結(jié)構(gòu)。開挖斷面寬度為11.8 m,高度為9.3 m,頂覆土厚度約為4.0 m。磁—草區(qū)間北半部分上方道路為雙向六車道,沿道路埋設有上水、燃氣、雨水、通信及污水共5根管線;管線埋深為1.0～3.0 m,與新建隧道結(jié)構(gòu)頂距離為1.4～2.2 m。磁—草區(qū)間南半部分下方為既有線;新建隧道結(jié)構(gòu)底板與既有線隧道的盾構(gòu)管片凈距僅為0.8 m。磁—草區(qū)間上穿既有線工程平面圖見圖1,縱剖面見圖2。

圖1 磁—草區(qū)間上穿既有線工程平面圖

尺寸單位:mm

1.2 地質(zhì)情況

磁—草區(qū)間上穿既有線工程新建隧道穿越地層主要為填土層、粉土層、粉細砂層、卵石圓礫層及卵石層,穿越處無地下水。既有線全斷面基本位于卵石地層中,局部拱頂位于粉細砂層。新建隧道頂板位于粉細砂層,下部位于卵石圓礫層,底板位于粉細砂層及卵石層。

磁—草區(qū)間上穿既有線工程范圍的地下水位埋深約為24.0 m,位于既有線結(jié)構(gòu)底以下9.0 m。

1.3 既有線概況

既有線于2012年底開通運營。既有線隧道外徑為6.0 m;管片采用C50混凝土,厚度為300 mm,環(huán)寬為1.2 m。既有線采用60 kg/m鋼軌無縫線路,鋪設整體道床及梯形軌枕道床,且道床高度為890 mm;拱頂埋深為13.24 m;全斷面位于卵石層中;南、北雙線隧道間距約為10 m,線路平曲線半徑為500 m,豎曲線半徑為3 000 m;線路自東向西為下坡,坡度為22‰。

2 施工方案比選

按照全線工程籌劃,大興機場線應與大興國際機場同期投入使用,故磁—草區(qū)間上穿既有線工程的如期貫通就尤為重要。由于磁—草區(qū)間的征地拆遷和管線改移等前期工作難度極大,因此為保障工期,需要在充分考慮施工安全的前期下,合理選擇施工方案。

2.1 明挖方案

明挖方案中,磁—草區(qū)間上穿既有線工程采用明挖法施工,且新建隧道上穿段結(jié)構(gòu)采用矩形斷面形式。為控制明挖開挖對既有線卸載作用的一次性影響,須分期施工:在磁—草區(qū)間上穿既有線工程施工前,將鎮(zhèn)國寺北街交通向北側(cè)疏解至草橋站上方;待鎮(zhèn)國寺北街下方區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)全部施工完成后,恢復鎮(zhèn)國寺北街交通;最后,進行草橋站南端頭施工。

隧道周圍土體卸載后,既有線會因土體回彈變形而產(chǎn)生變形風險。對此,明挖施工方案主要采取如下措施:

1) 既有線隧道外側(cè)2 m處打設57根φ800 mm板凳樁,間距為1 500 mm;基坑回填部分采用砂回填;在新建隧道結(jié)構(gòu)底部與既有線隧道上半部范圍進行雙液漿地面深孔注漿。明挖方案的既有線加固措施見圖3。

圖3 明挖方案的既有線加固措施圖

2) 明挖基坑沿縱向分塊開挖、分塊澆筑,先開挖板凳樁兩側(cè)區(qū)域并澆筑結(jié)構(gòu);待結(jié)構(gòu)達到80%設計強度后,開挖剩余區(qū)域。

2.2 暗挖方案

在暗挖方案中,受草橋站側(cè)式站臺的線間距限制,磁—草區(qū)間上穿既有線工程采用PBA法暗挖施工。

針對既有線隧道的變形問題,暗挖施工方案主要采取如下措施:

1) 新建隧道PBA法暗挖施工有4個上層導洞。首先,開挖邊洞;邊洞貫通后,在導洞內(nèi)近距離騎跨既有線處施工φ1 000 mm、間距為1 800 mm的人工挖孔樁,以及大截面樁頂冠梁;隨后,進行初期支護扣拱施工,再錯步開挖中間導洞;上層導洞開挖完成后,進行微拱直墻二次襯砌扣拱施工。上層導洞開挖前,進行超前深孔注漿,并對拱部180°范圍打設φ108 mm、間距為400 mm的大管棚,及用于超前注漿的DN 32(公稱直徑為32 mm)小導管。通過大管棚和超前深孔注漿來增強新建隧道頂部的支護剛度,以確保上方道路及周邊管線安全。二次襯砌扣拱時,須保留中間導洞型鋼制豎向支撐,以確保支撐拆除時的施工安全。

2) 在上層導洞施工期間,須適時在南端豎井內(nèi)向新建隧道底部打設φ402 mm、間距為450 mm的超前管幕。新建隧道上層結(jié)構(gòu)的二次襯砌扣拱完成后,采用臺階法分段開挖下層導洞;在吊腳樁范圍內(nèi)開挖過程中,應及時架設型鋼支撐,以確保既有線隧道的安全及洞身開挖的穩(wěn)定;開挖至既有線隧道上方時,施做鋼腰梁及錨索,主動控制既有線隧道的結(jié)構(gòu)隆起;完成底板及側(cè)墻施工后,進行底板下低壓填充注漿。

暗挖方案的施工措施橫斷面見圖4,縱斷面見圖5。

尺寸單位:mm

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2.3 方案比選

根據(jù)對既有線的變形影響、既有線的變形控制措施、對地面環(huán)境的影響、自身風險控制、工期及造價5個因素,對明挖方案和暗挖方案進行綜合比選,如表1所示。

表1 磁—草區(qū)間上穿既有線工程施工方案比選

由表1可見:

1) 暗挖方案中,新建隧道的上部結(jié)構(gòu)施工采取超前管棚注漿措施,增強了頂部支護剛度,確保上方道路及周邊管線安全;新建隧道的下部結(jié)構(gòu)施工采用管幕注漿+錨索等措施對既有線安全風險進行控制,可控性強。

2) 明挖法需要交通改行和市政管線改移,在周邊環(huán)境復雜的情況下耗時較長。相較于明挖方案,暗挖方案能有效規(guī)避交通改行和管線改移帶來的不可控工期風險,使總工期縮短了4個月。

3) PBA法暗挖施工技術(shù)已成熟應用于地鐵建設領(lǐng)域。導洞開挖安全可靠,施工靈活。通過精心組織和有效管理,能夠完全控制其自身風險。

4) 從工程造價角度看,對于磁—草區(qū)間上穿既有線工程,暗挖方案造價比明挖方案造價僅高約500萬元。綜合考慮環(huán)境風險、施工工期和通車壓力,增加的這部分造價顯得微乎其微。

由此可見,磁—草區(qū)間上穿既有線工程施工采用暗挖方案更優(yōu)。

3 施工過程的模擬計算

本文使用FLAC3D軟件建立三維模型,綜合考慮各種施工措施,模擬磁—草區(qū)間上穿既有線工程的施工過程,進而預測既有線的結(jié)構(gòu)變形值。根據(jù)對既有線安全性影響的評估,既有線的變形控制值見表2。

表2 磁—草區(qū)間上穿既有線工程的既有線變形控制值

3.1 三維模型的建立

三維模型尺寸為60 m(長)×60 m(寬)×46 m(高),土體從上到下依次為人工填土、粉細砂、砂卵石。磁—草區(qū)間上穿既有線工程三維模型如圖6所示。模型中:土體材料遵守摩爾-庫倫準則,襯砌采用實體單元,邊樁、錨索及管幕鋼管采用結(jié)構(gòu)單元模擬,鋼管間采用彈性介質(zhì)連接,錨索采用桁架單元,管片實體及螺栓均采用實體單元進行模擬,螺栓受拉的應力-應變關(guān)系采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

圖6 磁—草區(qū)間上穿既有線工程三維模型示意圖

磁—草區(qū)間上穿既有線工程三維模型的材料參數(shù)見表3。

表3 磁—草區(qū)間上穿既有線工程三維模型的材料參數(shù)表

3.2 施工步驟的模擬

為便于計算,在模擬計算中將施工步驟合理簡化。模擬計算的施工步驟如下:

1) 計算初始地應力至平衡狀態(tài),初始位移清零;

2) 模擬既有線的開挖及施作襯砌,并計算至平衡狀態(tài),將既有線周圍土體位移清零;

3) 上部導洞深孔注漿、開挖;

4) 施作板凳樁;

5) 上部導洞初期支護破除,施作頂部扣拱;

6) 打設超前管幕,進行補償注漿;

7) 下部土體分五段采用臺階式開挖,施作二次襯砌,打設錨索,底板下低壓注漿。

根據(jù)經(jīng)驗,以新建隧道中線為對稱軸,在圓形隧道頂部、底部及腰部兩側(cè)設置模擬測點,模擬測點間距為3 m,共設17個模擬監(jiān)測斷面。

3.3 模擬計算結(jié)果

經(jīng)模擬計算,施工完成后,既有線隧道結(jié)構(gòu)底部變形云圖見圖7,既有線隧道結(jié)構(gòu)頂部及底部的豎向最終變形圖見圖8,既有線隧道結(jié)構(gòu)位移最大點的時態(tài)曲線見圖9,既有線隧道結(jié)構(gòu)徑向收斂時態(tài)曲線見圖10。各施工階段的既有線隧道變形量模擬計算結(jié)果如表4所示。

表4 各施工階段的既有線隧道變形量模擬計算結(jié)果

圖7 既有線隧道結(jié)構(gòu)底部豎向變形云圖

圖8 既有線隧道結(jié)構(gòu)頂部及底部的豎向最終變形圖

圖9 既有線隧道結(jié)構(gòu)位移最大點的時態(tài)曲線圖

圖10 既有線隧道結(jié)構(gòu)徑向收斂時態(tài)曲線圖

分析圖7—圖10以及表4,可以看出:

1) 在上部小導洞開挖階段,既有線隧道結(jié)構(gòu)底部上浮0.16 mm,頂部上浮0.46 mm,變形微小。

2) 在板凳樁施工、扣拱二次襯砌施工及管幕注漿施工階段,既有線隧道發(fā)生沉降。該階段末,既有線隧道底部和頂部累計豎向位移分別為-1.2 mm和-1.1 mm,說明板凳樁、扣拱及管幕的施工對既有線隧道上浮的加載下壓作用有較明顯效果。

3) 在新建隧道的下部土體開挖階段,既有線隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯隆起。新建隧道中部下方的既有線隧道結(jié)構(gòu)隆起值最大。該階段末,既有線隧道結(jié)構(gòu)底部和頂部的累計豎向位移分別為0.18 mm和1.73 mm。

4) 新建隧道結(jié)構(gòu)施工完后,通過底板低壓注漿,使既有線隧道結(jié)構(gòu)底部和頂部的水平變形逐漸收斂穩(wěn)定,最終水平徑向收斂值穩(wěn)定在0.41 mm和1.72 mm。

5) 既有線隧道結(jié)構(gòu)水平徑向收斂變形與豎向位移的變化趨勢一致,先呈收縮狀態(tài)后呈拉伸狀態(tài)。最大收斂值為0.84 mm。

綜上可知,采用PBA法完成暗挖施工后,既有線隧道結(jié)構(gòu)底部和頂部均有上浮,且底部最終累計最大豎向位移為0.41 mm,頂部累計最大豎向位移為1.72 mm,符合表 2的控制要求,說明整個施工過程安全可控。這從理論上驗證了施工安全控制效果良好。

4 實際施工中的安全風險控制

根據(jù)模擬預測結(jié)果,現(xiàn)場實際施工應重點控制新建隧道的下部開挖階段。由于新建隧道底板與既有線管片凈距僅為0.8 m,管幕與既有線管片凈距僅為0.4 m,因此,須嚴格控制管幕的打設精度、土方開挖的卸荷效應及底板閉合加固的及時性。這是確保既有線安全的關(guān)鍵。

4.1 關(guān)鍵工序的安全風險控制措施

4.1.1 管幕

1) 管幕采用螺旋頂管機打設。單管長度為38.5 m,共26根。其端頭通過鎖扣橫向連接為整體。管幕施工前,應核對既有線隧道結(jié)構(gòu)的拱頂標高,以確保管幕施工中既有線管片的安全。

2) 正式施工前做試驗孔,以核實地層,修正鉆進參數(shù)。先打設中間定位管,再施工普通管。管幕施工應邊頂進,邊出土,要嚴格控制頂進速度,使頂進速度與出土速度相協(xié)調(diào)。

3) 管幕施工中,打設完成1～2根鋼管后,要及時進行管外補償注漿。注漿采用1∶1水泥漿,壓力小于0.1 MPa,采取插導管后退式注漿。在管幕施工過程中應加強對既有線的監(jiān)測和巡視。

4) 補償注漿根據(jù)注漿量和溢孔溢漿的現(xiàn)場觀察情況進行雙項指標控制,以確保管內(nèi)水泥砂漿填充密實。

4.1.2 土方開挖

新建隧道下部由南向北分5段采用臺階式開挖,并在開挖過程中密切監(jiān)測既有線的變形。新建隧道下部開挖分段布置見圖11。

尺寸單位:mm

前4段開挖長度分別為8.0、12.0、6.0、12.0 m,開挖范圍分別覆蓋一道錨索。土方開挖采用PC60型挖掘機。開挖前精確標出分段線,當挖至距管幕0.3 m時,由人工開挖清理,以減小對下臥層的擾動。

為加快施工進度,第五段(開挖長度為24.7 m)為南北對向開挖。隨開挖進展,在樁間施作噴錨網(wǎng)支護,并安裝對撐。

4.1.3 錨索

每段開挖支護完成后隨即施作錨索。通過橫向設置鋼腰梁卡扣,使每道鋼腰梁能橫向作用2根錨索。錨固體采用高強度無收縮灌漿料二次壓漿,且壓漿時需穩(wěn)壓2 min。

錨固體強度達到20 MPa后,進行錨索張拉。預應力錨索強度標準值為1 860 MPa。正式張拉前,按設計軸力的10%進行預張拉。張拉過程中須密切關(guān)注既有線監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化。

4.1.4 二次襯砌及低壓注漿

底板施工時應預留槽段,保留錨索及腰梁,并在底板預埋注漿管。注漿管預埋范圍為既有線投影范圍外3.0 m之內(nèi)。底板完成后隨即施作側(cè)墻,快速封閉成環(huán)。背后注漿在二次襯砌達到設計強度后進行,注漿管按照0.9 m×0.9 m間隔梅花形布置,采用低壓充填式注漿,注漿壓力不大于0.2 MPa,注漿漿液為1∶1水泥砂漿。注漿在既有線規(guī)定的夜間停運時間內(nèi)進行。注漿過程中應加強對既有線的現(xiàn)場監(jiān)測與巡視。

4.2 既有線的現(xiàn)場監(jiān)測

為確保既有線安全,須在新建隧道施工期間對既有線結(jié)構(gòu)的典型部位進行現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容主要包括隧道結(jié)構(gòu)沉降、軌道道床結(jié)構(gòu)沉降、隧道結(jié)構(gòu)水平位移、管片結(jié)構(gòu)收斂、管片錯臺、軌道靜態(tài)幾何形位等。隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測同時采用靜力水準自動化監(jiān)測方法和人工監(jiān)測方法,兩種方法的監(jiān)測結(jié)果互為校核。

監(jiān)測點布設范圍為新建隧道結(jié)構(gòu)及兩側(cè)40 m內(nèi),其中每個新建隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)布設3排。既有線的現(xiàn)場監(jiān)測點布置見圖12。

a) 平面布置

4.3 實際監(jiān)測結(jié)果分析

選取新建隧道中心線下方一排監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,得到既有線隧道結(jié)構(gòu)沉降變形時態(tài)曲線見圖13。結(jié)合圖13可看出,整個施工階段既有線結(jié)構(gòu)變形變化趨勢整體與模擬情況較一致,細部過程中有較大起伏波動。

圖13 既有線隧道結(jié)構(gòu)沉降時態(tài)曲線

由于道床變形直接影響列車運行,故施工過程中還加強了對既有線道床的監(jiān)測。既有線道床變形時態(tài)曲線見圖14。由圖14可以看出,道床與隧道結(jié)構(gòu)底部的變形趨勢高度一致。

圖14 既有線隧道道床沉降時態(tài)曲線

人工監(jiān)測的準確性通常會受到列車運行影響。為了更加精確地觀測,采用靜力水準自動化監(jiān)測方法對既有線結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)測。經(jīng)統(tǒng)計,繪制新建隧道下部開挖階段既有線隧道結(jié)構(gòu)靜力水準變形時態(tài)曲線見圖15。

圖15 新建隧道下部開挖階段既有線隧道結(jié)構(gòu)靜力水準變形時態(tài)曲線

由圖15可以看出,新建隧道下部開挖階段施工時的既有線隧道結(jié)構(gòu)變形波動也較明顯,待施工完成后數(shù)據(jù)才逐漸穩(wěn)定。經(jīng)分析,這是由新建隧道下部開挖時復雜的施工工況導致的。

磁—草區(qū)間上穿既有線工程完成后,既有線隧道最終變形的實測值與預測值對比見表5。表5表明,既有線結(jié)構(gòu)上浮及收斂的實測值均低于預測值,其余項目也均滿足控制要求,說明既有線結(jié)構(gòu)變形控制措施有效,項目實際的安全控制效果良好。

表5 既有線隧道最終變形的實測值與預測值對比

5 結(jié)語

1) 通過方案比選,確定磁—草區(qū)間上穿既有線工程采用PBA法暗挖施工,有效規(guī)避了因交通改行和管線改移帶來的工期不可控風險,使得磁—草區(qū)間隧道按原計劃節(jié)點實現(xiàn)了貫通,有力保障了北京地鐵大興機場線的如期開通。

2) 運用FLAC3D軟件進行模擬,預測在PBA法暗挖施工影響下既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形量。預測結(jié)果表明,PBA法暗挖施工完成后既有線隧道底部和頂部均有上浮,底部上浮最大值為0.41 mm,頂部上浮最大值為1.72 mm,符合累計最大變形為2 mm的控制要求,使整個施工過程變形風險安全可控。此外,根據(jù)模擬得到的既有線結(jié)構(gòu)變形規(guī)律,進一步明確了管幕、分段分層開挖、均衡卸荷、預應力錨索及底板下低壓注漿等關(guān)鍵工序的變形控制措施,并在現(xiàn)場施工時重點把控。

3) 通過對工程實施過程加強監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)在PBA法暗挖施工期間,既有線隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果未發(fā)生預警,施工自身安全及既有線安全始終可控。根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果,既有線主體結(jié)構(gòu)上浮1.32 mm,水平收斂1.00 mm,道床上浮1.20 mm,管片錯臺-0.04 mm,均在控制值允許范圍以內(nèi),說明磁—草區(qū)間上穿既有線工程總體安全控制情況良好。