北京地铁大兴机场线矩形断面大跨度隧道上穿施工时对既有线结构变形的控制

寇鼎涛

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司,100068,北京;2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室,100068,北京∥正高级工程师)

地铁新建线路上穿既有线时,若穿越的地层浅薄,地质松散软弱,则新建工程施工很可能导致既有线结构产生变形。许多学者围绕此类问题开展了研究。文献[1]针对具体项目提出上穿基坑分层开挖与下穿结构分步交替施工方案,进而控制既有结构的差异沉降。文献[2]研究了某项目明暗挖施工时既有线结构的变形及内力变化规律,从技术安全角度验证了其明暗挖方案的可行性。文献[3]研究了某浅埋暗挖隧道上穿既有盾构隧道的变形规律和受力分析。文献[4]通过数值模拟,研究了盾构施工近距离上穿既有线时对既有线的影响范围和影响度。文献[5]研究发现人工抽条放坡开挖+板锚支护能有效地控制既有地铁隧道的变形。文献[6-8]等对上穿既有线工程的变形影响和控制进行了理论、模拟及实测等多方面的研究,均取得了一系列成果。

然而,在我国目前的研究中,上穿既有线的新建隧道施工方法多为明挖法、盾构法及矿山法,而鲜有PBA法(洞桩逆作法)。本文依托北京地铁大兴机场线磁各庄站—草桥站区间(以下简称“磁—草区间”)上穿既有北京地铁10号线草桥站—纪家庙站区间工程(以下简称“既有线”),通过方案比选、数值模拟及施工监测等,对PBA法暗挖隧道近距离上穿既有线的安全风险控制进行研究,以期为此类工程的安全推进提供借鉴。

1 工程基本情况

1.1 新建隧道工程概况

新建的磁—草区间隧道位于草桥站小里程端,于北京南三环西路玉泉营立交桥东侧、镇国寺北街下方,以68°平面交角上穿既有线。磁—草区间长约77.4 m,隧道结构形式为单洞双线单层框架结构。开挖断面宽度为11.8 m,高度为9.3 m,顶覆土厚度约为4.0 m。磁—草区间北半部分上方道路为双向六车道,沿道路埋设有上水、燃气、雨水、通信及污水共5根管线;管线埋深为1.0～3.0 m,与新建隧道结构顶距离为1.4～2.2 m。磁—草区间南半部分下方为既有线;新建隧道结构底板与既有线隧道的盾构管片净距仅为0.8 m。磁—草区间上穿既有线工程平面图见图1,纵剖面见图2。

图1 磁—草区间上穿既有线工程平面图

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1.2 地质情况

磁—草区间上穿既有线工程新建隧道穿越地层主要为填土层、粉土层、粉细砂层、卵石圆砾层及卵石层,穿越处无地下水。既有线全断面基本位于卵石地层中,局部拱顶位于粉细砂层。新建隧道顶板位于粉细砂层,下部位于卵石圆砾层,底板位于粉细砂层及卵石层。

磁—草区间上穿既有线工程范围的地下水位埋深约为24.0 m,位于既有线结构底以下9.0 m。

1.3 既有线概况

既有线于2012年底开通运营。既有线隧道外径为6.0 m;管片采用C50混凝土,厚度为300 mm,环宽为1.2 m。既有线采用60 kg/m钢轨无缝线路,铺设整体道床及梯形轨枕道床,且道床高度为890 mm;拱顶埋深为13.24 m;全断面位于卵石层中;南、北双线隧道间距约为10 m,线路平曲线半径为500 m,竖曲线半径为3 000 m;线路自东向西为下坡,坡度为22‰。

2 施工方案比选

按照全线工程筹划,大兴机场线应与大兴国际机场同期投入使用,故磁—草区间上穿既有线工程的如期贯通就尤为重要。由于磁—草区间的征地拆迁和管线改移等前期工作难度极大,因此为保障工期,需要在充分考虑施工安全的前期下,合理选择施工方案。

2.1 明挖方案

明挖方案中,磁—草区间上穿既有线工程采用明挖法施工,且新建隧道上穿段结构采用矩形断面形式。为控制明挖开挖对既有线卸载作用的一次性影响,须分期施工:在磁—草区间上穿既有线工程施工前,将镇国寺北街交通向北侧疏解至草桥站上方;待镇国寺北街下方区间隧道结构全部施工完成后,恢复镇国寺北街交通;最后,进行草桥站南端头施工。

隧道周围土体卸载后,既有线会因土体回弹变形而产生变形风险。对此,明挖施工方案主要采取如下措施:

1) 既有线隧道外侧2 m处打设57根φ800 mm板凳桩,间距为1 500 mm;基坑回填部分采用砂回填;在新建隧道结构底部与既有线隧道上半部范围进行双液浆地面深孔注浆。明挖方案的既有线加固措施见图3。

图3 明挖方案的既有线加固措施图

2) 明挖基坑沿纵向分块开挖、分块浇筑,先开挖板凳桩两侧区域并浇筑结构;待结构达到80%设计强度后,开挖剩余区域。

2.2 暗挖方案

在暗挖方案中,受草桥站侧式站台的线间距限制,磁—草区间上穿既有线工程采用PBA法暗挖施工。

针对既有线隧道的变形问题,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个上层导洞。首先,开挖边洞;边洞贯通后,在导洞内近距离骑跨既有线处施工φ1 000 mm、间距为1 800 mm的人工挖孔桩,以及大截面桩顶冠梁;随后,进行初期支护扣拱施工,再错步开挖中间导洞;上层导洞开挖完成后,进行微拱直墙二次衬砌扣拱施工。上层导洞开挖前,进行超前深孔注浆,并对拱部180°范围打设φ108 mm、间距为400 mm的大管棚,及用于超前注浆的DN 32(公称直径为32 mm)小导管。通过大管棚和超前深孔注浆来增强新建隧道顶部的支护刚度,以确保上方道路及周边管线安全。二次衬砌扣拱时,须保留中间导洞型钢制竖向支撑,以确保支撑拆除时的施工安全。

2) 在上层导洞施工期间,须适时在南端竖井内向新建隧道底部打设φ402 mm、间距为450 mm的超前管幕。新建隧道上层结构的二次衬砌扣拱完成后,采用台阶法分段开挖下层导洞;在吊脚桩范围内开挖过程中,应及时架设型钢支撑,以确保既有线隧道的安全及洞身开挖的稳定;开挖至既有线隧道上方时,施做钢腰梁及锚索,主动控制既有线隧道的结构隆起;完成底板及侧墙施工后,进行底板下低压填充注浆。

暗挖方案的施工措施横断面见图4,纵断面见图5。

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2.3 方案比选

根据对既有线的变形影响、既有线的变形控制措施、对地面环境的影响、自身风险控制、工期及造价5个因素,对明挖方案和暗挖方案进行综合比选,如表1所示。

表1 磁—草区间上穿既有线工程施工方案比选

由表1可见:

1) 暗挖方案中,新建隧道的上部结构施工采取超前管棚注浆措施,增强了顶部支护刚度,确保上方道路及周边管线安全;新建隧道的下部结构施工采用管幕注浆+锚索等措施对既有线安全风险进行控制,可控性强。

2) 明挖法需要交通改行和市政管线改移,在周边环境复杂的情况下耗时较长。相较于明挖方案,暗挖方案能有效规避交通改行和管线改移带来的不可控工期风险,使总工期缩短了4个月。

3) PBA法暗挖施工技术已成熟应用于地铁建设领域。导洞开挖安全可靠,施工灵活。通过精心组织和有效管理,能够完全控制其自身风险。

4) 从工程造价角度看,对于磁—草区间上穿既有线工程,暗挖方案造价比明挖方案造价仅高约500万元。综合考虑环境风险、施工工期和通车压力,增加的这部分造价显得微乎其微。

由此可见,磁—草区间上穿既有线工程施工采用暗挖方案更优。

3 施工过程的模拟计算

本文使用FLAC3D软件建立三维模型,综合考虑各种施工措施,模拟磁—草区间上穿既有线工程的施工过程,进而预测既有线的结构变形值。根据对既有线安全性影响的评估,既有线的变形控制值见表2。

表2 磁—草区间上穿既有线工程的既有线变形控制值

3.1 三维模型的建立

三维模型尺寸为60 m(长)×60 m(宽)×46 m(高),土体从上到下依次为人工填土、粉细砂、砂卵石。磁—草区间上穿既有线工程三维模型如图6所示。模型中:土体材料遵守摩尔-库伦准则,衬砌采用实体单元,边桩、锚索及管幕钢管采用结构单元模拟,钢管间采用弹性介质连接,锚索采用桁架单元,管片实体及螺栓均采用实体单元进行模拟,螺栓受拉的应力-应变关系采用理想弹塑性本构关系。

图6 磁—草区间上穿既有线工程三维模型示意图

磁—草区间上穿既有线工程三维模型的材料参数见表3。

表3 磁—草区间上穿既有线工程三维模型的材料参数表

3.2 施工步骤的模拟

为便于计算,在模拟计算中将施工步骤合理简化。模拟计算的施工步骤如下:

1) 计算初始地应力至平衡状态,初始位移清零;

2) 模拟既有线的开挖及施作衬砌,并计算至平衡状态,将既有线周围土体位移清零;

3) 上部导洞深孔注浆、开挖;

4) 施作板凳桩;

5) 上部导洞初期支护破除,施作顶部扣拱;

6) 打设超前管幕,进行补偿注浆;

7) 下部土体分五段采用台阶式开挖,施作二次衬砌,打设锚索,底板下低压注浆。

根据经验,以新建隧道中线为对称轴,在圆形隧道顶部、底部及腰部两侧设置模拟测点,模拟测点间距为3 m,共设17个模拟监测断面。

3.3 模拟计算结果

经模拟计算,施工完成后,既有线隧道结构底部变形云图见图7,既有线隧道结构顶部及底部的竖向最终变形图见图8,既有线隧道结构位移最大点的时态曲线见图9,既有线隧道结构径向收敛时态曲线见图10。各施工阶段的既有线隧道变形量模拟计算结果如表4所示。

表4 各施工阶段的既有线隧道变形量模拟计算结果

图7 既有线隧道结构底部竖向变形云图

图8 既有线隧道结构顶部及底部的竖向最终变形图

图9 既有线隧道结构位移最大点的时态曲线图

图10 既有线隧道结构径向收敛时态曲线图

分析图7—图10以及表4,可以看出:

1) 在上部小导洞开挖阶段,既有线隧道结构底部上浮0.16 mm,顶部上浮0.46 mm,变形微小。

2) 在板凳桩施工、扣拱二次衬砌施工及管幕注浆施工阶段,既有线隧道发生沉降。该阶段末,既有线隧道底部和顶部累计竖向位移分别为-1.2 mm和-1.1 mm,说明板凳桩、扣拱及管幕的施工对既有线隧道上浮的加载下压作用有较明显效果。

3) 在新建隧道的下部土体开挖阶段,既有线隧道结构产生明显隆起。新建隧道中部下方的既有线隧道结构隆起值最大。该阶段末,既有线隧道结构底部和顶部的累计竖向位移分别为0.18 mm和1.73 mm。

4) 新建隧道结构施工完后,通过底板低压注浆,使既有线隧道结构底部和顶部的水平变形逐渐收敛稳定,最终水平径向收敛值稳定在0.41 mm和1.72 mm。

5) 既有线隧道结构水平径向收敛变形与竖向位移的变化趋势一致,先呈收缩状态后呈拉伸状态。最大收敛值为0.84 mm。

综上可知,采用PBA法完成暗挖施工后,既有线隧道结构底部和顶部均有上浮,且底部最终累计最大竖向位移为0.41 mm,顶部累计最大竖向位移为1.72 mm,符合表 2的控制要求,说明整个施工过程安全可控。这从理论上验证了施工安全控制效果良好。

4 实际施工中的安全风险控制

根据模拟预测结果,现场实际施工应重点控制新建隧道的下部开挖阶段。由于新建隧道底板与既有线管片净距仅为0.8 m,管幕与既有线管片净距仅为0.4 m,因此,须严格控制管幕的打设精度、土方开挖的卸荷效应及底板闭合加固的及时性。这是确保既有线安全的关键。

4.1 关键工序的安全风险控制措施

4.1.1 管幕

1) 管幕采用螺旋顶管机打设。单管长度为38.5 m,共26根。其端头通过锁扣横向连接为整体。管幕施工前,应核对既有线隧道结构的拱顶标高,以确保管幕施工中既有线管片的安全。

2) 正式施工前做试验孔,以核实地层,修正钻进参数。先打设中间定位管,再施工普通管。管幕施工应边顶进,边出土,要严格控制顶进速度,使顶进速度与出土速度相协调。

3) 管幕施工中,打设完成1～2根钢管后,要及时进行管外补偿注浆。注浆采用1∶1水泥浆,压力小于0.1 MPa,采取插导管后退式注浆。在管幕施工过程中应加强对既有线的监测和巡视。

4) 补偿注浆根据注浆量和溢孔溢浆的现场观察情况进行双项指标控制,以确保管内水泥砂浆填充密实。

4.1.2 土方开挖

新建隧道下部由南向北分5段采用台阶式开挖,并在开挖过程中密切监测既有线的变形。新建隧道下部开挖分段布置见图11。

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前4段开挖长度分别为8.0、12.0、6.0、12.0 m,开挖范围分别覆盖一道锚索。土方开挖采用PC60型挖掘机。开挖前精确标出分段线,当挖至距管幕0.3 m时,由人工开挖清理,以减小对下卧层的扰动。

为加快施工进度,第五段(开挖长度为24.7 m)为南北对向开挖。随开挖进展,在桩间施作喷锚网支护,并安装对撑。

4.1.3 锚索

每段开挖支护完成后随即施作锚索。通过横向设置钢腰梁卡扣,使每道钢腰梁能横向作用2根锚索。锚固体采用高强度无收缩灌浆料二次压浆,且压浆时需稳压2 min。

锚固体强度达到20 MPa后,进行锚索张拉。预应力锚索强度标准值为1 860 MPa。正式张拉前,按设计轴力的10%进行预张拉。张拉过程中须密切关注既有线监测数据的变化。

4.1.4 二次衬砌及低压注浆

底板施工时应预留槽段,保留锚索及腰梁,并在底板预埋注浆管。注浆管预埋范围为既有线投影范围外3.0 m之内。底板完成后随即施作侧墙,快速封闭成环。背后注浆在二次衬砌达到设计强度后进行,注浆管按照0.9 m×0.9 m间隔梅花形布置,采用低压充填式注浆,注浆压力不大于0.2 MPa,注浆浆液为1∶1水泥砂浆。注浆在既有线规定的夜间停运时间内进行。注浆过程中应加强对既有线的现场监测与巡视。

4.2 既有线的现场监测

为确保既有线安全,须在新建隧道施工期间对既有线结构的典型部位进行现场监测。监测内容主要包括隧道结构沉降、轨道道床结构沉降、隧道结构水平位移、管片结构收敛、管片错台、轨道静态几何形位等。隧道结构监测同时采用静力水准自动化监测方法和人工监测方法,两种方法的监测结果互为校核。

监测点布设范围为新建隧道结构及两侧40 m内,其中每个新建隧道结构内布设3排。既有线的现场监测点布置见图12。

a) 平面布置

4.3 实际监测结果分析

选取新建隧道中心线下方一排监测点的监测数据进行分析,得到既有线隧道结构沉降变形时态曲线见图13。结合图13可看出,整个施工阶段既有线结构变形变化趋势整体与模拟情况较一致,细部过程中有较大起伏波动。

图13 既有线隧道结构沉降时态曲线

由于道床变形直接影响列车运行,故施工过程中还加强了对既有线道床的监测。既有线道床变形时态曲线见图14。由图14可以看出,道床与隧道结构底部的变形趋势高度一致。

图14 既有线隧道道床沉降时态曲线

人工监测的准确性通常会受到列车运行影响。为了更加精确地观测,采用静力水准自动化监测方法对既有线结构变形进行监测。经统计,绘制新建隧道下部开挖阶段既有线隧道结构静力水准变形时态曲线见图15。

图15 新建隧道下部开挖阶段既有线隧道结构静力水准变形时态曲线

由图15可以看出,新建隧道下部开挖阶段施工时的既有线隧道结构变形波动也较明显,待施工完成后数据才逐渐稳定。经分析,这是由新建隧道下部开挖时复杂的施工工况导致的。

磁—草区间上穿既有线工程完成后,既有线隧道最终变形的实测值与预测值对比见表5。表5表明,既有线结构上浮及收敛的实测值均低于预测值,其余项目也均满足控制要求,说明既有线结构变形控制措施有效,项目实际的安全控制效果良好。

表5 既有线隧道最终变形的实测值与预测值对比

5 结语

1) 通过方案比选,确定磁—草区间上穿既有线工程采用PBA法暗挖施工,有效规避了因交通改行和管线改移带来的工期不可控风险,使得磁—草区间隧道按原计划节点实现了贯通,有力保障了北京地铁大兴机场线的如期开通。

2) 运用FLAC3D软件进行模拟,预测在PBA法暗挖施工影响下既有线结构产生的变形量。预测结果表明,PBA法暗挖施工完成后既有线隧道底部和顶部均有上浮,底部上浮最大值为0.41 mm,顶部上浮最大值为1.72 mm,符合累计最大变形为2 mm的控制要求,使整个施工过程变形风险安全可控。此外,根据模拟得到的既有线结构变形规律,进一步明确了管幕、分段分层开挖、均衡卸荷、预应力锚索及底板下低压注浆等关键工序的变形控制措施,并在现场施工时重点把控。

3) 通过对工程实施过程加强监测,发现在PBA法暗挖施工期间,既有线隧道结构监测结果未发生预警,施工自身安全及既有线安全始终可控。根据实际监测结果,既有线主体结构上浮1.32 mm,水平收敛1.00 mm,道床上浮1.20 mm,管片错台-0.04 mm,均在控制值允许范围以内,说明磁—草区间上穿既有线工程总体安全控制情况良好。