多重预顶撑技术在地铁密贴穿越工程中的应用

李积栋 油新华 郝志宏 张金喜

(1. 中国建筑工程总公司技术中心 北京 101300； 2. 北京工业大学建筑工程学院 北京 100124；3. 北京市轨道交通设计研究院有限公司 北京 100037)



多重预顶撑技术在地铁密贴穿越工程中的应用

李积栋1，2油新华1郝志宏3张金喜2

(1. 中国建筑工程总公司技术中心 北京 101300； 2. 北京工业大学建筑工程学院 北京 100124；3. 北京市轨道交通设计研究院有限公司 北京 100037)

以北京地铁新建10号线公主坟站密贴下穿既有1号线为工程背景，探讨多重预顶撑施工技术，并设计一种新型的顶撑平台系统，研究多重预顶撑施工技术在大跨度密贴穿越施工中的应用。数值分析及实测结果表明，在暗挖施工中，多重预顶撑技术是一种主动防御变形、控制沉降的有效措施，按照既有站的变形状况，动态调整千斤顶顶力，达到控制沉降发展的效果，在密贴穿越施工中具有非常高的实用性。

城市轨道交通；密贴穿越；千斤顶；沉降；多重预顶撑；动态调整

北京地铁新建10号线公主坟车站下穿既有1号线车站工程，为保证既有线路正常运行，要求新建车站施工引起的既有站沉降值不大于3 mm，变形缝两侧差异沉降不大于2 mm，工程难度极大。在此严格要求下，提出了“平顶直墙CRD+多重预顶撑”的暗挖新工法。该技术的提出和实施，有望解决地下工程的一个较大难题，突破下穿工程的瓶颈，为国内地铁建设的发展奠定重要的基础[1-8]。

1 工程概况

1.1 工程背景

新建10号线二期公主坟车站下穿1号线既有站,位于复兴路与西三环中路交会的新兴桥桥区绿地内，两车站形成双十字换乘，新建站主体单层段采取零距离刚性接触下穿既有站。其中，新建左右线下穿段结构宽14.05 m、高9.32 m、穿越长度达26.1 m，为单层双跨平顶直墙矩形结构；既有站结构建于1967年，为钢筋混凝土矩形框架结构，车站结构长169.69 m，宽20.3 m，高7.95 m。新建站与既有站的位置关系如图1所示。

图1 新建站与既有站位置关系

1.2 地质情况

新建车站拱顶(顶板)位置土层主要为粉土层、粉质黏土层、粉细砂层。

新建车站中楼板位置土层主要为卵石层、中粗砂层，砾岩层。

新建车站底板位置土层主要为砾岩层，局部有泥岩层、砂岩层。

下穿既有1号线段位置土层主要为砾岩层，局部有泥岩层、卵石层。

1.3 施工方案

根据工程要求及地质条件，下穿段采用“平顶直墙CRD+多重预顶撑”工法施工，并根据上部结构变形监测结果配合实施液压同步顶撑控制技术，新建站横剖面如图2所示。

图2 新建站横剖面

从开挖、支护、顶撑和二衬工艺流程来看，该下穿工程可分为10个步序:① 注浆加固单层段结构周边土体；② 超前深孔加固1部上半部地层、按施工步序进行1、2部的初支施工(每榀型钢格栅成环后及时利用千斤顶加力)；③ 通过1部侧壁向3、5部深孔注浆；④ 1、2部范围内二衬的施工；⑤ 3、4部的初支施工(每榀型钢格栅成环后及时利用千斤顶加力)；⑥ 3、4部范围内二衬施工；⑦ 5、6部的初支施工；⑧ 架设临时钢支撑(根据监测施加顶力)、分段拆除初支临时中隔墙和千斤顶；⑨ 进行5、6部范围内二衬施工；⑩ 二衬背后注浆、分段拆除临时钢支撑。

2 顶撑控制方案

新建10号线二期公主坟车站密贴穿越1号线既有站采用同步液压顶撑系统，主动控制、动态调整既有站沉降，使既有站结构沉降值满足设计要求，从而保证既有线路的正常运行。

2.1 同步液压顶撑系统

PLC液压控制系统是通过计算机软件控制液压泵站和液压元件，输入指令控制液压千斤顶，按照结构的实荷重，通过力的平衡自动调整各台千斤顶的顶撑力，在施工过程中保持各顶撑力的平衡，保证各顶撑点所需的顶力值与实际提供值能够相符，使顶撑过程中结构受到的附加内力最小。同时,千斤顶根据分布位置进行分组，与结构各控制点的位移传感器组成位置闭环路，保证顶撑过程各千斤顶的同步精度最高[9-15]。

2.2 顶撑阶段划分

千斤顶顶撑加力共分为3个阶段，每个阶段千斤顶顶撑力都不是恒定的，而是根据监测数据动态变化的，即通过调整千斤顶顶撑力，主动控制既有站沉降。

1) 在1、2导洞开挖过程中，每榀型钢格栅成环后通过千斤顶加力(间隔1.5 m)，预压地层，动态控制既有站底板沉降。同时，1、2导洞二衬结构完成后，在顶板与底板间架设带千斤顶钢管的垂直支撑，略加垂直支撑顶力，以顶紧密贴为原则。

2) 在3、4导洞开挖过程中，千斤顶加力同1、2导洞。

3) 5、6导洞开挖完成后，加大两侧垂直钢管支撑顶力，在监测应力允许的情况下，拆除小导洞5两侧壁的型钢格栅及千斤顶(1、3部外侧墙上的千斤顶直接浇入结构砼内、内侧的千斤顶进行拆除)；在二衬结构混凝土达到设计强度95%以上时，根据应力监测，逐步减少垂直支撑千斤顶顶力直至拆除。

2.3 千斤顶布置

下穿段采用H 300×300型钢支撑，其上方安装150 t液压数显自锁式千斤顶，纵向间距1.5 m，每断面设4个，共112个千斤顶，每台移动泵站负责14台千斤顶施加及补偿顶力。临时钢支撑采用φ609钢管撑，纵向间距3.0 m，每根临时钢支撑顶端设置一台70 t液压自锁千斤顶，共36个。千斤顶布置纵、横断面见图3。

图3 千斤顶布置

2.4 千斤顶顶撑平台研究

在“平顶直墙CRD+多重预顶撑”工法中，需要设计一个全新的结构体系，作为顶撑作业的操作平台及受力平台。传统的钢筋格栅抗压性能相对较弱、刚度小，容易发生抗压破坏、失稳破坏等，无法结合顶撑进行作业。将顶撑基础平台与初支刚架结合，设计的一种新型型钢组合构件体系，既可作为预顶撑操作的平台，又可作为开挖洞室的初支结构，并巧妙利用初支洞室的整体刚度，解决顶撑平台的基础承载力不足问题。

该顶撑平台由千斤顶、工字钢、堵头板、加劲肋板、千斤顶支座、连接板、高强螺栓组成，横向型钢与竖向格栅由连接板、高强螺栓连接，组成承受竖向及横向土压力的受力体系。该平台的竖向格栅上设置堵头板，在堵头板上设置千斤顶支座并放置千斤顶，此部分为平台设计中的顶撑部分，千斤顶上部单独设置横向工字钢梁，通过该梁将千斤顶顶力均匀传递给上覆结构。千斤顶下部的竖向工字钢间设置横向工字钢，以提高竖向工字钢的稳定性。顶撑平台及平台型钢构件如图4、5所示。

图4 千斤顶顶撑平台

图5 千斤顶顶撑大样

本支撑平台的上部横向托梁作为千斤顶的上部受力托架，分别承受千斤顶的顶力，并保证在下部基座受到适度的挤压密实后，可给上部托梁提供足够的顶力，以起到控制上部沉降的作用。在初衬侧壁的千斤顶设置了安装基座及固定措施。为中跨后续的沉降应急处理或加强处理预留了实施条件：在上部横向托梁的下方设置了上部横向支撑横梁，可作为横向支撑来平衡导洞侧土压力，也可作为后期实施过程中的应急千斤顶支点的平台，平台下可根据情况设置临时立柱将顶力传向地基。

该平台的优点及创新在于：1) 机械操作工艺与传统土建工程工法结合后的操作平台，既能满足土建施工需要，又能满足机械操作平台需求；2) 本平台可解决顶撑受力转换与土建工序中的受力转换间关系，两者毋须相互协调，也能起到控制作用；3) 可解决顶撑上基顶、下基底结构受力框架与顶撑力间的力学关系问题，即顶撑力不能转化为土建框架内力的问题；4) 本平台可满足土建工法中其他辅助措施的有效实施，如侧壁超前小导管、锁脚锚管、格栅步距调整、土体加固等。

2.5 千斤顶施工

在暗挖施工过程中，千斤顶通过人工进行安装固定，对洞室初支结构顶部施加顶力。千斤顶施加顶力时，采用移动泵站对千斤顶施加液压顶力，顶力按每5 t分级逐步进行施加。顶力施加完毕后，采用钢楔子将顶部工钢与初支结构之间的缝隙楔死。每台移动泵站均设专人进行不间断看管，并做好阶段检查及交接班记录。若千斤顶出现异常或沉降数据过大，则及时由工作面其他工种人员协助对顶力进行补偿，同时楔紧钢楔子。千斤顶施工图如图6所示。

图6 多台千斤顶同时加力顶撑

3 数值模拟

图7 计算模型

为了有效地控制既有站沉降，需要预先确定千斤顶在施工过程中的主动控制值。结合既有站3 mm沉降控制指标，采用有限差分软件FLAC3D数值模拟新建站密贴穿越既有站施工过程，确定施工各阶段千斤顶顶撑加力值。数值模型如图7所示，地层参数及结构计算参数参考文献[7]，数值计算过程严格按照设计方案模拟施工全过程，并利用注浆、调节千斤顶顶力等方法主动控制既有站沉降。

施工过程中千斤顶顶撑力分布曲线和在千斤顶主动控制下施工各阶段沉降曲线分别如图8、9所示。可以看出：1) 在2导洞施工完成后，结合监测数据动态调整千斤顶顶撑力，抬升既有站结构，控制既有站沉降，千斤顶顶撑力达到120 t,其中顶撑力变化幅度较大阶段位于1、2导洞二衬施工前后；2) 6导洞开挖结束，千斤顶卸载，造成既有站大幅度沉降，阶段沉降值达到1.2 mm，但既有站沉降量最终稳定在3 mm以内。其中，加载、卸载为了保证既有结构稳定，采用逐级加载、卸载的方式。施工各阶段沉降变位分配控制值与顶撑控制关系见表1。

图8 各步序沉降曲线

图9 顶撑力分布曲线

4 实时监测

在暗挖施工过程中，自动化与人工监测相结合，加强对既有1号线公主坟车站结构及轨道变形的实时监测，根据变位控制原理沉降指标，通过同步液压顶撑系统，结合实时监测数据调整加力值，并随时监测每个千

表1 施工各阶段既有线结构沉降控制

斤顶轴力的稳定情况，保证顶力持续在设计规定范围以内，主动控制既有站沉降[16-17]。

通过监测数据可知：1) 1、2#导洞初支施工完成，既有地铁道床及结构竖向变形累计变形量较大，最大的累计变形值达到-1.66 mm，超设计分布沉降量，共占沉降量的55.6%；2) 开挖3、4、5、6#导洞通过增加临时立柱数量及千斤顶预加力，加强超前注浆及初支背后补注浆等措施控制既有站沉降量，3、4#导洞初支施工完成，最大的累计变形值达到-2.99 mm，极接近控制值，且千斤顶顶撑力达到135 t；3) 5、6#导洞开挖前对整个开挖面进行加固，并通过千斤顶增加顶力，不拆除1、3#导洞内侧千斤顶等措施，避免再发生较大沉降，使施工对上方既有地铁1号线公主坟站的影响较小。既有结构施工各阶段沉降量如图10所示。

图11给出了千斤顶顶撑加力分布图，从图中可以看出，千斤顶实际顶撑力要大于设计顶撑力，最终顶撑力高达150 t，高出设计值30 t。其主要原因在于列车运营和人群流动产生的振动荷载较大且持续相当长的时间，很大程度上影响了既有站沉降。同时，可发现，5、6#导洞二衬施工完成，型钢支撑上方千斤顶仍保持其顶撑力，表示1、3#导洞内千斤顶均未拆除，并一起浇筑于二衬结构内，保证了既有站结构沉降量。

图10 各步序沉降曲线

图11 顶撑力分布曲线

5 结论

本文以北京地铁新建10号线公主坟站密贴下穿既有1号线为工程背景，研究了多重预顶撑施工工艺在大跨度密贴穿越施工中的应用。

1) 探讨了多重预顶撑控制系统，包括同步液压顶撑系统、顶撑阶段划分、千斤顶布置、千斤顶顶撑平台研究、千斤顶施工。

2) 通过数值计算分析，确定新建站各阶段施工过程中既有站沉降控制值与千斤顶顶撑力的大小关系。

3) 实时监测数据表明，多重预顶撑施工工法可以有效控制既有站沉降，满足沉降要求。但是需根据施工情况，采取一定额外措施控制沉降，如注浆加固、增加临时立柱数量及千斤顶预加力等措施。

致谢：感谢北京市轨道交通建设管理有限公司、北京城建设计发展集团股份有限公司、中国中铁隧道集团有限公司北京地铁十号线二期12标项目部、北京城建勘测设计研究院有限责任公司无私提供的宝贵资料。同时，在这里特别感谢郝志宏工程师给予的帮助及支持。

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(编辑：郝京红)Research on the Multiple Pre-top Bracing Technology in Subway Close-attached Undercrossing Engineering

Li Jidong1You Xinhua1Hao Zhihong2Zhang Jinxi2

(1. Technology Center, China State Construction Engineering Corporation, Beijing 101300;2. College of Architecture and Civil Engineering of BJUT,Beijing 100124;3. Beijing Rail Transit Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing 100037)

It is of great significance for the design and construction of similar underground projects to study the multiple pre-top bracing technology in subway close-attached undercrossing engineering. In this paper, by taking the New Gongzhufen station of Beijing Subway Line 10, which is close-attached undercrossing the existing Subway Line 1 as background, the application of multiple pre-top bracing construction technology is explored, and a new kind of top bracing platform system is designed, and the application of multiple pre-top bracing construction technology in the large span of close-attached undercrossing engineering is studied. Numerical analysis and experimental results show that, the multiple pre-top bracing construction technology is an active deformation defense and effective measure to control the settlement. This technology is highly practical in the close-attached undercrossing construction if the jack pressure is dynamically adjusted to control the settlement in line with the deformation conditions of existing stations.

urban rail transit; close-attached undercrossing; jack; settlement; multiple pre-top bracing; dynamic adjustment

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.05.016

2015-12-23

李积栋，男，博士，主要从事岩土与地下工程方面的研究，ljd0911@emails.bjut.edu.cn

国家自然科学基金面上项目(41242337)

U231

A

1672-6073(2016)05-0079-05