H001-论文全文

地铁下穿既有线且临近桥基施工的方案研究

梁韵,谭忠盛,王云龙,李健

(北京交通大学土建学院,北京 100044)

摘要:北京地铁六号线朝阳门—东大桥区间隧道下穿既有地铁二号线朝阳门站且临近朝阳门桥扩大基础施工。为研究地铁施工过程对周边围岩与既有结构的影响,采用数值计算软件MIDAS-GTS模拟不同施工方案,分析其对围岩与临近建筑物的变形控制效果。依据既有结构沉降控制标准,最终提出采用新建隧道与既有车站零距离刚对刚接触、自隧道两侧同时开挖、在既有车站两侧同时施做水平旋喷桩的方案,该方案将为六号线下穿既有车站、临近桥基的设计与施工提供理论依据。

关键词:浅埋暗挖、既有建筑、下穿施工、数值模拟、变形控制

中图分类号:U495 文献标识码:A 文章编号

Study on undercrossing existing metro station and closing to bridge foundations construction scheme of metro

LIANG Yun,TAN Zhong-sheng,W ANG Yun-long,LI Jian

(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract:Beijing metro line 6 underpass the existing Chaoyangmen station of subway line 2 and is built around the extended foundations of Chaoyangmen Bridge. Deformation control of extended foundations and existing station are of great importance during the tunnel construction, but there are few similar examples to be consulted In order to guarantee normal operation of subway line 6 and the existing structures’ safety, construction sequences of this tunnel is systematically simulated by using computer program MIDAS-GTS. The authors analyze different construction methods and put forward an optimized construction scheme that excavate from both sides of the tunnel and make horizontal whirling jet piles from both sides of the existing station. The numerical simulation results can be provided as the basis for design and construction of this tunnel.

Key words:Shallow burying mining;Existing structures;Undercrossing construction;Numerical simulation;Deformation control;

地铁隧道施工对城市环境的影响,即对临近既有地铁线路、桥梁基础、城市地下管线及房屋基础等设施正常使用的影响,已引起广泛重视。使用浅埋暗挖法时,如何确保施工过程中临近桥基和既有地铁结构的安全,一直是争论的焦点[1~2]。目前,国内外对于地铁隧道使用浅埋暗挖法穿越既有建筑物施工进行了大量研究[3~9],例如北京地铁五号线崇文门站采用柱洞法成功穿越既有地铁隧道,北京地铁十号线国贸站通过变换风道施工顺序确保了临近桥基的安全。然而,北京地铁六号线朝阳门

投稿日期:2010-08-24

作者简介:梁韵(1986-),女,山东济南人,硕士研究生,从事隧道及地下工程设计理论与技术的研究.

E-mail:cswx126@https://www.360docs.net/doc/f716041796.html,

通讯联系人:梁韵

导师:谭忠盛,男,教授,博士生导师。

E-mail: zstan@https://www.360docs.net/doc/f716041796.html, —东大桥区间在下穿既有地铁车站的同时临近桥基施工,类似情况国内外鲜有研究,故工程施工难度极大,工程施工安全的控制极其重要。为确保安全施工,需要对目前主要的施工方法进行对比分析和综合评价。

本文利用MIDAS-GTS软件对六号线朝—大区间穿越既有地铁车站和临近桥基施工过程进行动态数值模拟,对比分析不同施工方案引起的围岩变形和既有结构沉降,并确定最佳施工方案,为安全施工提供理论依据。

1工程概况

北京地铁六号线朝阳门—东大桥区间隧道总长1482 m,穿越的土层主要为粉质粘土,标准断面高度6 m,覆土埋深15.4~22 m,属浅埋隧道[10]。区间隧道下穿既有地铁二号线朝阳门车站、二环主

路朝阳门桥、盖板河、一座人行天桥、二个过街地道等,区间沿线地下管线密集、纵横交错。经过专家多次评议,区间隧道K14+537~K14+585段下穿既有车站、朝阳门桥段分别被列为特级、一级环境安全风险点。该工程的平面、剖面位置关系如图1、2所示。

图1 工程平面图 Fig.1

Plan view of the project

图2 工程剖面图

Fig.2 Cross section of the project

既有地铁二号线车站日常运营任务繁重。新建地铁六号线以矿山法开挖施工,采用马蹄形复合式衬砌结构。隧道外顶标高距既有二号线车站外底标高最大处1.06 m ,最小处仅0.94 m 。地铁运营部门要求新线施工时既有线必须正常运营,工程施工难度极大。

二环主路朝阳门桥位于朝阳门车站正上方,长48 m ,中间两跨为连续梁、两侧为简支梁,采用扩大基础。区间隧道中心线距桥基最近距离为14.3 m ,区间隧道顶部距桥基17.4 m 。既有车站设防爆层,防爆层覆盖车站结构上方,厚度0.5~1.2 m ,埋置于地面下0.5 m~1 m 。桥基均位于防爆层上方[11]。《桥涵地基和基础》规定[12]:相邻桥基沉降差不得大于10L mm(L 为桥梁相邻两跨中较短桥跨的跨度)。为保证桥梁安全,施工中须严格控制桥基沉降。

2施工方案

为了达到控制既有结构沉降的目的,除采取合理有效的工程措施外,对施工方案和路线的选取也很重要,本文将针对两者进行施工过程动态模拟。

六号线朝—大区间隧道目前有两种备选方案: 方案一:区间隧道穿越桥区段采用台阶法施工,穿越既有车站段采用CRD 法施工,区间隧道开挖自桥基两侧相对施工。在区间隧道距既有线两侧20 m 处施做注浆工作室,在工作室内施做水平旋喷桩加固既有线两侧隧道拱顶及两侧土体,既有车站两侧隧道拱部旋喷桩长度20 m ,过既有线下部隧道两侧旋喷桩长度63 m 。开挖中掌子面采取全断面注浆方式加固土体。

图3 方案一平面示意图 Fig.3 Plan view for scheme 1

图4 方案一剖面示意图 Fig.4 Section plan for scheme 1

方案二:区间隧道穿越桥区段采用台阶法施工,穿越既有车站段采用CRD 法施工,区间隧道开挖自二号线朝阳门地铁站由东向西施工。在区间隧道距既有车站20 m 处施做注浆工作室,在工作室内施做水平旋喷桩加固隧道拱顶及两侧土体,过既有线下部隧道两侧旋喷桩长度43 m ;区间隧道下穿朝阳门桥西侧开挖隧道周边采用小导管双排管超前注浆加固土体止水。开挖中掌子面采取全断面注浆方式加固土体。

考虑到由于二号线与新建六号线间隔土层极

薄,且上部列车运行对新建隧道施工有强烈的冲击作用,两方案均采取六号线区间隧道的初支顶部与二号线车站的结构底板零距离密贴的方式,剥离上下两条隧道间隔土层,实现两结构“零距离、刚对刚”接触,采用刚性支护紧贴二号线底板的方法进行新建隧道的施工。

图5 方案二平面示意图

Fig.5 Plan view for scheme 2

图6 方案二剖面示意图

Fig.6 Section plan for scheme 2

3数值模拟分析

3.1计算模型

建模范围考虑到尺寸效应引起的计算误差,根据潘昌实等学者[13~14]的研究,计算范围取:上边界取至地表,下边界为1倍新建隧道结构高,左边界距区间隧道外缘1倍洞径,右边界距桥基外缘1倍桥基长度。整个模型宽50 m,高30 m,长100 m,共有60321个单元。计算中围岩与既有结构采用四节点四面体实体单元模拟,初支用板单元模拟,水平旋喷桩、全断面注浆及小导管双排管超前注浆加固用提高土层弹模的方法模拟。

采用MIDAS-GTS计算软件动态模拟整个施工过程,对计算模型作如下说明:

(1)土体和注浆加固区域的物理行为按Mohr-Coulomb屈服准则、大变形模型计算,既有结构和防爆层的物理行为按弹性材料模型计算[15]。

(2)假定地表和各土层均匀水平分布,各层间分隔面保持水平和平行。

(3)开挖步长为2 m,水平旋喷桩、全断面注浆及小导管双排管超前注浆加固分别采用提高地层参数的20倍、50%、30%的方式模拟[16~18]。

(4)地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化,地应力场由重力自动生成。

图7、8分别为两种施工方案下六号线区间隧道、既有二号线朝阳门站、朝阳门桥扩大基础及防爆层的位置关系图。

图7 采用方案一施工时各结构位置关系图

Fig.7

Location of all structures for scheme 1

图8 采用方案二施工时各结构位置关系图

Fig.8 Location of all structures for scheme 2

3.2计算参数

六号线区间隧道结构顶板位于粉质粘土层,底板位于圆砾卵石层,隧道范围内的土体主要为粉质粘土。既有地铁朝阳门站为明挖车站,勘测显示车站上方土体回填密实,且回填区内没有潜水。

本场区内存在2层地下水:第一层为潜水,水位标高为26.15 m,水位埋深为15.3 m;第二层为承压水,水位标高为19.31 m,水位埋深为21.2 m。潜水位于区间结构上方及区间隧道结构上半断面,承压水位于区间隧道结构中部、底部。结构抗浮水位为33.0 m,施工前降低地下水位,因而,本文不考虑降水施工的影响,仅考虑开挖引起的影响。

计算所采用的围岩及支护材料参数见表1和表2。

表 1 土层物理力学性质

Table. 1 Physic-mechanical parameters of soils

层序 岩土名称 厚度 h /m 密度 γ/(kg·m -3)

粘聚力c /kPa

内摩擦角?/(°) 泊松比

μ

弹性模量E /MPa 1 杂填土 1.2 1930 25 12 0.35 4.30 2 卵石填土 6.7 2100 0 30 0.20 35.2 3 粉细砂 3.6 2050 0 26 0.31 25.4 4 中粗砂 5.9 2080 0 30 0.25 29.7 5 粉质粘土 8.1 1880 39 19 0.31 10.3 6

圆砾卵石

6.2

2150

33

0.21

45.5

表 2 既有结构及加固段主要物理力学参数

Table. 2 Physic-mechanical parameters of existing tunnel and strengthen area

结构 密度 γ/(kg·m -3)

粘聚力 c /kPa 内摩擦角?/(°)

泊松比

μ

弹性模量 E /GPa 二号线车站 2500 — — 0.2 27.5 防爆层 2500 — — 0.2 27.5 基础 2500 — — 0.2 27.5 全断面加固段 2300 33 23 0.27 0.015 水平旋喷桩加固段 2300 35 25 0.25 0.4 小导管双排管加固段

2300

33

23

0.25

0.013

3.3模拟结果分析

(1)拱顶沉降

在模型计算中,方案一中单向开挖至隧道贯通共需43步;方案二中,前8步为自东、西两侧相对掘进16 m 至距2号线车站两侧各20 m ,9至35步为自二号线车站东侧单向开挖至隧道贯通。两种

降量分别为12.8 mm 、13.4 mm ,差距不大;

②方案一的拱顶沉降收敛较快,开挖至第9步时趋于稳定,方案二开挖至第15步时趋于稳定;采用方案一施工时,前8步的拱顶沉降约占总沉降量的93%,其数值和曲线斜率均明显大于方案二;

开挖前期,方案一的拱顶沉降量比方案二大约12.5%;

③方案一中双向开挖对地层扰动大,使开挖初期拱顶下沉较为剧烈,施工中要注意采取有效措施控制拱顶沉降,可以采用对钢架拱脚进行加固的方式进行。

(2)二号线车站沉降

Fig.10 Ultimate vertical displacement curves of the metro line2

Chanyangmen station

由图10看出:

①采用方案一、二施工,既有车站的最大沉降量分别为5.9 mm 、8.8 mm ;

②随着车站结构底板距原点距离的增大,车站的沉降量逐渐减小;在-14 m 至18 m 范围内,采用方案一施工引起的既有车站沉降量小于方案二,在隧道跨度范围内小约17.8%;在20 m 至36 m 范围内,采用方案二施工时,车站结构略有抬起;

③在新建隧道下穿既有车站段,通过结构之间的刚性接触及采取地层加固措施,强化了地层自身强度和抗变形能力,增强了底层结构对既有车站的支撑力度;比起方案二中施做水平旋喷桩和小导管双排管的加固措施,方案一中在车站两侧同时施做水平旋喷桩的加固措施对车站结构起到了更好的支撑作用,有效控制了车站沉降。

(3)桥基沉降

图11为采用两种施工方案,隧道开挖完毕后5个桥基的沉降曲线图。图中:x 坐标表示桥基距隧道东侧破挖面的水平距离;y 坐标表示5个基础横剖面上各点的垂直位移;沿x 轴正向桥基标号为1—5。

图 11 5个桥基的最终沉降曲线图

Fig.11 Ultimate vertical displacement curves of the 5

bridge foundations

由图11看出:

①在垂直方向上,3号基础埋深最小,为1.2 m ,位于二号线车站正上方;2、4号基础埋深最大,为2.4 m ,位于二号线车站边缘上方;1、5号基础埋深1.6 m ,距二号线车站外缘的水平距离为12.3 m ;采用方案一、二施工,桥基的最大沉降量分别为0.61mm 、0.68 mm ,两方案中相同编号基础的沉降值相差不大;方案一、二中基础的最大差异沉降分别为1.9 mm 、2.3 mm ,均满足安全使用要求;

②由沉降曲线可见,防爆层对桥基沉降起到较好的控制作用;2、3、4号基础由二号线车站和防爆层共同支撑,故沉降较小;1、5号基础仅有防爆层支撑,沉降偏大;施工时要采取适当措施控制1、5号基础的沉降,可以在桥区范围内采用长管深孔前进式劈裂预注浆加固。

由以上分析看出,两种施工方案均可满足安全施工的要求。而在缩短周边围岩变形收敛时间和减

小周边围岩与既有建筑物的持续变形方面,方案一优势明显;在控制既有结构沉降方面,方案一同样较方案二有优势。

4工程实施

朝阳门—东大桥区间隧道工程目前还在施工中,区间隧道下穿既有车站段基本按照本文模拟的方案一进行施工。

5结论

(1)采用方案一施工,隧道拱顶沉降收敛较快;在既有车站两侧同时施做水平旋喷桩的加固措施增强了地层对车站的支撑力度,既有车站的变形得到有效控制;相对开挖使得施工进度大大加快;因而就变形收敛时间和控制既有结构沉降两方面而言,方案一更具优势。

(2)朝阳门桥的1、5号基础仅有防爆层支撑,

(3)施工中,开挖后尽快进行架立刚拱架、挂网、 参考文献(References):

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