密贴下穿地下工程施工新工艺“CRD+多重预顶撑”研究

陶连金，安军海，边 金，李积栋，黄凯平

(北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124)

密贴下穿地下工程施工新工艺“CRD+多重预顶撑”研究

陶连金†，安军海，边 金，李积栋，黄凯平

(北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124)

基于北京地铁10号线公主坟站密贴下穿1号线公主坟站的工程背景，参照其采用“CRD+多重预顶撑工艺”的真实施工步序，运用有限差分软件FLAC3D建立了三维精细化数值计算模型，研究了新建站的施工过程中土体塑性区的变化及既有站的变形规律.结果表明,采用“CRD+多重预顶撑”工艺进行密贴下穿施工可有效控制既有结构的变形，满足其沉降控制要求，对比模拟与实测的变形分布曲线，二者吻合较好.施工完成后，既有结构纵断面呈双凹槽式变形，横向为“V”字形沉降，与Peck曲线相似，且底板沉降值较顶板的略大.千斤顶卸除时可能造成结构局部较大变形或开裂，应分级释放其轴力.开挖过程中，土体主要发生剪切破坏，塑性区在四个角点区域向外延伸成蝴蝶形.提出“同步顶升，伺服控制”的施工理念，以实现对既有结构沉降变形的主动控制.

交叉中隔壁(CRD)法；预顶撑系统；正交下穿；沉降分析；变形控制

城市轨道交通的快速发展，使得更多的新建线路不可避免地穿越已建线路，致使地下空间组合结构愈来愈普遍，已成为引领未来地铁发展的一种趋势[1-4].对于多线交叉的地铁换乘站，为达到线路之间快捷换乘的目的，要求新建车站与既有站之间的竖向间距尽量缩小，于是，新建结构密贴下穿既有地下结构逐渐成为建设单位优先考虑的结构形式[5-6].然而，运营单位明确提出，在新建地铁工程下穿既有线路时，新建线的施工引起既有结构的沉降变形指标不得超过3 mm，局部地区甚至要求零沉降[7],这给建设单位进行近距离穿越工程的施工带来很大挑战.目前，学术界对新建线穿越既有结构物的变形施工控制进行了一些研究，但对新建地铁车站零距离下穿既有车站的技术研究仍鲜有报道[8-10].因此，提出一种严格满足沉降要求的地下结构密贴下穿既有线施工工艺具有重大的现实意义和应用价值.

北京地铁10号线公主坟站密贴下穿既有1号线公主坟站，首次提出并创造性地应用了“CRD+多重预顶撑”暗挖施工工艺，使得既有站的沉降值成功限制在3 mm以内.本文以该工程为研究对象，基于有限差分软件FLAC3D对其施工过程进行精细化数值模拟，再现既有结构的变形过程，以期获得应用CRD+多重预顶撑工法的理论依据，为该工法的推广和应用提供有价值的参考.

1 工程背景

新建的北京地铁10号线二期公主坟车站位于复兴路与西三环中路交汇的新兴桥桥区绿地内，呈南北向布置，车站从下部穿越既有地铁1号线公主坟站并与其呈十字交叉换乘，采用“分离岛”站台形式.1号线公主坟站为端头厅式车站，车站覆土4.51 m，底板埋深12.46 m，采用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；10号线公主坟站全长193.65 m，为两端双层、中间单层车站，其单层段密贴下穿既有1号线公主坟站.密贴下穿段长26.1 m，顶板覆土约12.5 m，为单层双跨平顶直墙矩形结构，采用“CRD+多重预顶撑”工艺对该单层段进行暗挖施工.

新建10号线公主坟站单层段下穿施工影响范围内存在既有1号线车站的4条变形缝，左线左侧距变形缝1.271 m，右侧距变形缝11.659 m；右线左侧距变形缝10.521 m，右侧距变形缝2.409 m.地铁10号线公主坟站与1号线公主坟站的相对位置关系如图1所示.

(a)新建站与既有站位置关系横断面图

(b)新建站与既有站位置关系纵断面图

2 “CRD+多重预顶撑”工法简介

CRD暗挖工法是在进行土体开挖时，先将整个洞室分为若干垂向分块，每个分块开挖及初衬完成后，尽早在该洞室内完成结构二衬的施作，进而形成竖向传力体系，以保证土体稳定并减少沉降，然后逐步分块完成整个洞室的开挖及衬砌施作.“多重预顶撑”工艺为在开挖及砌筑过程中，根据实际需要，设置不同量值的顶升设备，并根据施工时序对其进行连续操作，用以减少洞室上部环境沉降变形的技术措施.因顶升设备在整个施工过程中，经历了与工法在横向、纵向及时序上三维度结合，故称其为“多重”.采用“CRD+多重预顶撑”工法进行施工时应严格遵循“快封闭，早加顶；密监测，勤调整；不卸力，重转换；慎拆顶，高注浆”的二十四字方针，确保既有线结构的安全.其主要施工步序如图2所示.

图2 主要施工步序图

3 数值仿真分析

3.1 计算模型

基于有限差分软件FLAC3D计算平台，建立土-结构相互作用的数值模型.土体及公主坟车站结构均采用实体单元模拟；场地土层采用Mohr-Coulomb破坏准则，混凝土结构材料选为弹性本构模型，变形缝选取无厚度接触面单元模拟，接触面模型采用库伦剪切模型，通过指派NULL模型来实现土体的开挖，选取不同材料参数模拟超前注浆和预加固措施，采用beam单元模拟钢支撑初期支护，地面车辆荷载按20 kPa的均布荷载施加在模型上表面.模型顶部取为自由边界，对底部进行法向和切向约束，其他4个侧面均为法向约束.建立的土-地下结构相互作用的数值分析模型见图3，沿既有站结构纵、横断面布置的监测面如图4所示.

图3 数值计算模型图

图4 既有站监测面布置

3.2 材料参数

根据岩土工程勘察报告，将一定深度范围内土层性质及物理力学参数相似的岩土体进行合并，建筑场地自上而下土层名称及其物理特性指标如表1所示.既有及新建地铁车站结构的计算参数如表2所示.

表1 场区地层参数

表2 结构计算参数

3.3 设计方案的确定

参照以往近距离穿越工程案例，结合本工程实际情况，设计了3种支护方式计算工况.工况1：全断面注浆.工况2：PBA洞桩式+局部注浆.工况3：“CRD+多重预顶撑”工艺.将工况1和工况2分别应用于10号线公主坟站密贴下穿1号线公主坟站的施工过程进行数值模拟，得到既有结构的沉降值随施工步序的变化曲线如图5所示.

施工步序

从图5可以看出，采用全断面注浆工法施工时，既有结构的最终沉降值达到18.21 mm，而应用PBA洞桩式+局部注浆工艺进行施工模拟，既有车站的沉降值有了大幅度的减少，最大沉降量为5.38 mm，但仍不能满足运营单位3 mm的沉降要求.于是，在比较设计方案的基础上，采用“CRD+多重预顶撑”的施工工艺并对其施工过程进行了数值模拟分析.

4 “CRD+预顶撑”工艺应用分析

应用“CRD+多重预顶撑”工艺的最大优势在于，其能够实现在新建结构密贴下穿既有结构的情况下，仍能有效控制既有结构的沉降及不均匀变形；其施工最大的难度在于如何控制卸除千斤顶平台系统时所引发的既有结构的瞬时沉降.下面从既有结构的累计沉降、千斤顶卸除时引起的瞬时沉降、变形缝的差异变形及开挖导致的塑性区变化等方面进行分析.

4.1 既有结构沉降分析

定义既有地铁车站顶、底板的中心线为坐标原点，结构沿纵、横向长度为横坐标轴，监测点的沉降值为纵坐标轴.图6给出了1号线公主坟站顶、底板监测点沿结构纵、横断面的沉降变化曲线.

距中心线距离/m(a)纵断面

距中心线距离/m(b)横断面

由图6可知，1)新建10号线公主坟站下穿既有1号线公主坟站结构底板中心部位的沉降值最大，为2.98 mm，说明采用“CRD+多重预顶撑”工艺可有效控制既有结构的竖向变形，满足既有线不超过3 mm的沉降控制标准.2)结构顶、底板的沉降曲线变化几乎保持一致，而底板沉降值较顶板的稍大，这是因为开挖引起地应力的释放造成了力的平衡被破坏，而这种失衡对既有站的底板率先造成了最直接影响的结果.3)图6(a)中既有地铁车站结构的顶板和底板沿纵向均出现了双凹槽式的沉降，左半部分最大沉降值较右半部分稍大，这是因变形缝附近结构的整体性较差，而10号线公主坟站左线与临近变形缝的距离比右线更近之故.4)图6(b)中，随着新建结构从南北相向开挖的施工过程，既有车站沉降最大值也从两边逐步转移至中间，最终形成“V”字形沉降槽，与peck曲线相似，为正态分布型，且竖向变形的最大值之间的差距有增大的趋势，说明随着开挖的进行，既有站的不均匀沉降有所增加.

4.2 千斤顶卸除瞬时沉降分析

在预顶力施加前，所有的沉降控制只能依靠传统的工程措施，效果不直接，要尽早完成初衬封闭，尽快施加预顶撑力，才能变被动为主动，更好地控制上部结构的沉降.然而，千斤顶顶撑卸除时，既有结构会瞬间产生较大的沉降，可能产生不利影响，应对其予以分析并严格控制.图7给出了千斤顶加、卸力过程中既有结构的沉降变化曲线.

施工步序

由图7可知，数值模拟的既有结构沉降计算值开始由初始值(土体扰动引起)快速增加，到一定值后一段时间内几乎保持不变，之后迅速下降.沉降维持在一恒定值附近变化的过程正是不断调整千斤顶顶力大小的过程，体现了千斤顶在主动控制沉降方面的有效性，而当千斤顶顶力卸除后，既有车站的沉降值由1.25 mm迅速增加到2.98 mm，沉降增加量为1.73 mm，成为既有结构沉降最主要的贡献部分，急剧的竖向变形于结构安全不利，可能会造成应力一定程度的增加，且顶撑力的瞬间卸除或许还会导致结构局部的变形、开裂.因此，在千斤顶加力之前，应注意两个问题：既有结构底板的局部抗压和顶撑力的基底承载力，施工中应根据监测反馈及时增加必要的构造措施及其他调整措施，防止造成既有结构的局部破损及因基底承载力破坏带来的不利影响.另外，要谨慎处置顶撑系统，顶撑支点原则上直接浇筑在结构中不再拆除，对由于工序要求必须拆除的支点，遵守“不卸力，重转换”的原则.

4.3 变形缝差异沉降分析

在地铁下穿既有线施工中，结构在变形缝处往往会产生较大的差异沉降，致使道床和轨道发生明显的变位而影响列车的正常运行，因而变形缝处既有结构的差异变形控制非常严格，要求不得超过2 mm.图8给出了1号线公主坟站变形缝两侧的当前沉降值及下穿施工完成后的数值模拟沉降结果.

沉降缝编号

由图8可知，未开挖时既有结构4条变形缝两侧的差异变形很小，且彼此之间的不均匀沉降也不明显；施工完成后，变形缝处的差异沉降有所增加，但其最大值仍不足1 mm，可完全满足运营单位的要求，说明千斤顶预顶撑工艺在主动控制变形缝差异沉降方面效果明显.

4.4 土体塑性区变化分析

对周围土体而言，施工中往往会受到横向效应、纵向效应及加卸载效应等因素的影响，引起围岩应力状态多次重分布，从而引发地层和结构的沉降与变形.

塑性区准则是对近接施工影响度判别的一个很重要的准则.近接施工引起周边应力重分布后，若地层仍处于弹性状态，说明围岩强度仍有潜力，对既有结构引起的受力变化不大，只有出现塑性区且与既有侧连通时，才会引起对既有结构物的较大影响.限于篇幅，仅给出施工完成时的土体横、纵断面塑性区的分布图，如图9所示.在理想情况下，土中的塑性区形状与开挖形状基本一致，且呈轴对称状.当开挖形状为圆形时，塑性区的形状为圆环形；开挖形状为矩形时，塑性区在四个角点区域会向外延伸，像蝴蝶形，而在实际工程中，塑性区的形状会有很大变化.在本工程施工过程中，临近开挖部分的土体卸载最多，也最可能出现塑性区，见图9.从图9可以看出，开挖部分上部的土体塑性区范围很大，厚度约为12.5 m；底部较小.在顶部区域，土体因自重作用而产生向下的位移趋势，周围土体对其的挟制作用减小，带动更大范围内的土体向下位移，使其应力减小；而在底部区域，土体自重由其下部土体承担，这种挟制作用基本未减弱，仅因表层土体应力释放而产生很薄的塑性区.

图9 土体塑性区变化纵、横断面图

5 计算值与实测值对比分析

为验证数值模拟结果的准确性并及时掌握既有地铁线结构的变形状况，给今后的同类工程设计提供类比依据，对既有地铁1号线公主坟站的变形情况进行了动态的自动化远程监测和静态的人工监测.图7及图10分别给出了既有车站结构典型监测点的实测值与数值模拟的计算值的变形曲线，由此可以发现：既有站沿纵断面监测点实测值与计算值的最终变形规律(图10)及其随施工步序变化的累计沉降规律(图7)均大体上保持一致，满足3 mm的沉降控制指标，而实测值稍大，究其缘故，主要是由于在实际施工中，结构受到地面移动荷载及施工中出现的各种不确定性因素的影响造成的，二者之间的微小偏差在可预见的范围内.因此，对采用“CRD+多重预顶撑工艺”的密贴下穿地铁车站工程进行数值模拟可较为准确地预测结构的变形规律和变形值，其对施工具有参考指导意义，是切实可行的.

距中心线距离/ m

6 既有结构变形控制体系

为了有效控制既有结构的沉降，结合数值仿真分析的结果及实际的施工过程，提出了适用于“CRD+多重预顶撑”工法的变形控制体系，如图11所示.

图11 施工过程变形控制体系

该体系包括土体开挖控制沉降措施、初支结构施工控制沉降措施、二衬施工控制措施及贯穿全过程的监测体系，其中以如何基于实时监测所反馈的数据合理控制千斤顶顶升平台控制系统是整个控制体系最重要的部分.对此，提出了应用于地铁穿越工程中“同步顶升，伺服控制”的施工理念[11]，以形成对既有线结构沉降的主动控制.“同步顶升，伺服控制”的核心理念为基于现场总线技术，对位移传感器、液压设备进行网络监控，将各支撑点采集的变形数据反馈到计算机控制台，由控制台根据提前设定的变形要求自动控制千斤顶同步顶升，形成多点同步协调控制体系.

7 结 论

以北京地铁10号线公主坟站下穿既有1号线公主坟站为工程背景，运用FLAC3D有限差分软件对其施工过程进行精细化的数值模拟分析，并将计算值与实测值进行对比，得到如下主要结论：

1)采用“CRD+多重预顶撑”工艺进行地铁密贴下穿施工可有效控制既有结构竖向变形和沉降缝两侧结构的差异沉降，满足既有结构的沉降控制指标.

2)既有结构纵断面呈双凹槽式变形，横向为“V”字形沉降，与Peck曲线相似，呈正态分布型，且底板沉降值较顶板的大.

3)千斤顶卸除时引起既有结构的瞬时沉降可能造成结构局部较大变形或开裂，应确保千斤顶分段拆除，分级释放其轴力.

4)开挖过程中，土体主要发生剪切破坏，塑性区在四个角点区域向外延伸成蝴蝶形，开挖部分上部的土体塑性区范围大，底部塑性区范围较小.

5)提出“同步顶升，伺服控制”的施工理念，实现对既有结构沉降变形的主动控制.

[1] 王占生,张顶立.浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁的关键技术[J].岩石力学与工程学报,2007,26(S2): 4208-4214.

WANG Zhan-sheng, ZHANG Ding-li. Key techniques on shallow embedded tunnel constructed beneath existing subway tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007,26(S2): 4208-4214.(In Chinese)

[2] 吴海洋.北京地铁新线车站穿越既有地铁车站影响及安全控制措施研究[D].北京:北京交通大学土木建筑工程学院,2012:2-6.

WU Hai-yang. Research on impact and safety control measures of Beijing newly built subway station crossing the existing subway station[D].Beijing: School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University,2012:2-6. (In Chinese)

[3] MAZEK S A, LAW K T,LAU D T.Use of grouting to reduce deformations of an existing tunnel under passed by another tunnel [C]//Proceedings of the Third International Conference: Grouting and Ground Treatment.New Orleans：Geotechnical Special Publication，2003:1570-1581.

[4] 何川,苏宗贤,曾东洋.地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响[J].土木工程学报,2008,41(3):91-98.

HE Chuan, SU Zong-xian, ZENG Dong-yang. Influence of metro shield tunneling on existing tunnel directly above [J].China Civil Engineering Journal,2008,41(3):91-98. (In Chinese)

[5] 陶连金,李积栋,汪国峰.CRD+顶撑控制技术在密贴下穿工程中的应用[J].铁道工程学报,2013(7): 74-79.

TAO Lian-jin, LI Ji-dong, WANG Guo-feng. Application of CRD + top-bracing control technology in close-attached under-crossing engineering[J].Journal of Railway Engineering Society, 2013(7): 74-79. (In Chinese)

[6] 吴立.新建地铁车站近距离下穿既有地铁车站影响研究[D].北京:北京交通大学土木建筑工程学院,2008:1-6.

WU Li. Study on the effects of new metro station crossing under the existing metro station in small distance[D].Beijing: School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University,2008:1-6. (In Chinese)

[7] 北京城建设计研究总院有限责任公司.公主坟站下穿既有线站设计方案汇报[R].北京:北京城建设计研究总院有限责任公司,2011:6-8.

Beijing Urban Engineering Design & Research Institute Co. Ltd. Gongzhufen station under-cross existing line station design reporting[R]. Beijing: School of Civil Engineering, Beijing Urban Engineering Design & Research Institute Co. Ltd, 2011:6-8. (In Chinese)

[8] LUNARDI P,CASSANI G. Construction of an underpass at the Ravone railway yard in the city of Bologna: aspects of the design and construction[C]//TEUSCHER P, COLOMBO A. Progress in Tunneling after 2001(III). Bologna: Patron Editor,2001:319-328.

[9] 郭靖,陈健云.均质地基地铁车站对临近建筑层间位移角的影响[J].湖南大学学报:自然科学版,2013, 40(8) :40-45.

GUO Jing, CHEN Jian-yun. Influence of subway station buried in homogeneous foundations on the inter-story drift ratio of adjacent structures[J].Journal of Hunan University:Natural Sciences,2013,40(8) :40-45. (In Chinese)

[10]贾永刚,王明年,任世林.地铁区间下穿既有地铁车站结构安全力学分析[J].铁道学报,2007,29(6):89-94.

JIA Yong-gang, WANG Ming-nian, REN Shi-lin. Mechanical and security evaluation of the existing metro station structure under construction of through tunnel of new metro line[J].Journal of the China Rail Way Society,2007,29 (6):89-94. (In Chinese)

[11]周科,陈柏金,冯仪,等.基于PLC控制的液压同步顶升系统[J].机床与液压, 2007, 35 (12):149-150.

ZHOU Ke, CHEN Bai-jin, FENG Yi,etal. Hydraulic synchronous lift system[J].Machine Tool & Hydraul Ics,2007,35(12):149-150. (In Chinese)

Study on a New Technology of “CRD + Multiple Top Bracing” Applied in Closely-attached Intersecting Underground Structures

TAO Lian-jin†, AN Jun-hai, BIAN Jin, LI Ji-dong, HUANG Kai-ping

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing Univ of Technology, Beijing 100124,China)

Based on the Gongzhufen Station of Beijing Subway Line 10 closely-attached intersecting the existing Gongzhufen Station of Line 1, which has applied the technology of “center cross diagram(CRD) method + multiple top bracing”, the finite difference procedure FLAC3D was used to establish a 3D numerical calculation model. The change of soil plastic zones and deformation law of existing subway station in the construction process of the new station were studied. The results have shown that carrying on the closely-attached intersecting construction using “center cross diagram (CRD) method + multiple top bracing techniques” can effectively control the structure deformation and meet the requirements of settlement limiting value. By comparing the simulated deformation curves and the measurements, a good agreement was obtained. Once the construction is completed, the profile of the existing structure presents double-groove shape deformation while the lateral shows “V” glyph settling tank, which is similar to Peck curve, and the sedimentation value of the bottom plate is slightly larger than that of the top plate. Jacks unloading may cause large deformation or even cracking on the structures' local parts, so the axial force should be graded to release. During the process of excavation, the soil mainly experiences a shear failure and the plastic zones tend to extend outward into a butterfly shape in the four corner area. In order to realize the active control of the settlement deformation of existing structures, the construction idea of “synchro jacking-up, servo control” was put forward.

center cross diagram(CRD) method; bracing systems; undercrossing construction; sedimentation analysis; deformation control

1674-2974(2015)01-0097-07

2014-03-05

国家自然科学基金资助项目(51038009), National Natural Science Foundation of China(51038009);北京市教育委员会科技计划重点资助项目(KZ200910005009)

陶连金(1964-)，男，黑龙江鸡西人，北京工业大学教授，博士生导师†通讯联系人，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn

U231; TU94

A