浅埋暗挖地铁车站平行下穿大型城市隧道的施工方法研究
2015-03-13韩竹青逢显昱姜瑞军
张 宏,韩竹青,逢显昱,程 松,姜瑞军
(北京建工集团有限公司,北京 100028)
浅埋暗挖地铁车站平行下穿大型城市隧道的施工方法研究
张 宏,韩竹青,逢显昱,程 松,姜瑞军
(北京建工集团有限公司,北京 100028)
北京地铁15号线奥林匹克公园站首次采用零距离平行下穿既有大型城市隧道的设计方案,为保证新建车站施工和既有隧道运营的安全,工程采用单层导洞大直径桩预撑支柱盖挖暗作法施工。根据数值分析和现场监测结果,车站站厅层的施工尤其是导洞(2)和(3)的施工是该工法的关键施工步序,站厅层施工完成后,车站中心线处地表沉降最大值为-38.4 mm,占总沉降值(-42.1 mm)的91.2%,与数值分析结果一致。因此,该工法可以有效地控制地层和周围结构的变形,对以后类似工程施工具有一定的借鉴意义。
平行下穿 施工方法 地层变形 隧道结构变形
作为一种绿色公共交通工具,具有高效节能性和环境友好性特点的城市轨道交通有助于缓解城市的环境、资源压力,是世界各大城市解决交通拥堵问题的重要手段。但是,城市施工环境的复杂性给轨道交通工程的安全设计与施工带来了极大的挑战。因此,针对新建工程穿越既有建筑物这一城市地下工程的核心问题,国内外学者对新建地铁穿越既有桥梁桩基[1-2]、地下管线[3]、隧道[4-5]等各种地下建筑物及地表建筑物[6-11]的施工影响分区、地表和既有建筑物的变形以及施工技术措施等进行了研究。
新建奥林匹克公园站位于奥运中心区,是北京地铁15号线二期工程的关键控制节点,该站与既有地铁8号线奥林匹克公园站形成换乘节点。根据周围环境特点,工程采用零距离平行下穿既有大屯路隧道的设计方案,在国内尚属首次,无类似工程可供参考。为保证施工安全,本文采用数值模拟和现场监测方法,对新建地铁车站施工影响下既有大屯路隧道和地表的变形规律进行分析。
1 工程概况
1.1 车站设计概况
新建地铁奥林匹克公园车站的主体结构设计为地下两层三跨平顶直墙结构,车站总长205.5 m,总宽26.7 m,总建筑面积13 888.62 m2。站台采用暗挖双层双柱三跨岛式站台,宽度为14 m,车站顶板紧贴大屯路城市隧道底板,隧道上方覆土约为3.5 m,具体如图1所示。
图1 新建奥林匹克公园站与大屯路隧道断面位置关系(单位:mm)
1.2 水文地质条件
车站位于古温榆河与古金沟河的河间地块,场地地形平坦,无明显起伏现象。根据钻探资料及室内土工试验结果,土层可划分为人工堆积层、第四系全新统冲洪积层及第四系晚更新统冲洪积层,车站主体主要穿越杂填土、粉土、粉质黏土地层。
1.3 施工方案
为保证新建车站施工和大屯路隧道运营的安全,工程采用单层导洞大直径桩预撑支柱盖挖暗作法施工。工程首先开挖两个边导洞(1)和(4),随导洞的开挖及时施作临时支护结构和边桩,如图1所示。在边桩体系对大屯路隧道形成支顶后,继续开挖两个中导洞(2)和(3),并及时进行中导洞临时支护结构和中桩、中柱的施工。待桩—柱体系对大屯路隧道形成有效支撑后,进行扣拱、站厅层土方开挖及墙板结构施工。站厅层施工完成后,进行负二层土方的全断面开挖和车站结构施工。其中,四个导洞均为矩形断面结构,断面尺寸为4.7 m×5.7 m(宽 ×高)。导洞(1)和(4)内边桩有两种规格,一种直径 800 mm,桩长约26 m,共84根,另一种直径1 000 mm,桩长约26 m,共198根。导洞(2)和(3)内中桩直径为1 800 mm,桩长分别为22 m和30 m,总计58根。
2 数值模拟分析
2.1 计算模型与参数
本文以大屯路隧道双孔闭合框架段(标准段)为研究对象,采用有限元软件 MIDAS/GTS对大屯路隧道变形和地表沉降进行分析。模型尺寸为200 m× 80 m×30 m(长×高×宽)。
隧道周围土体采用实体单元模拟,本构为摩尔—库伦模型。车站采用弹性实体单元模拟,边桩、中桩和钢管柱采用弹性桩单元模拟,大屯路隧道结构采用弹性壳单元模拟。
2.2 计算结果分析
分析新建车站施工引起的地表沉降规律(见图2)和大屯路隧道底板沉降规律(见图3)可知:
图2 地表沉降曲线
1)新建车站施工完成后,车站中心线两侧 70 m范围内将出现明显的地表沉降。两个边导洞(1)和(4)开挖后,由于开挖面积较小,导洞开挖施工的影响范围也较小,约为55 m。施工开始后,大屯路隧道底板整个范围内均出现明显沉降,且各步序施工的影响范围一致。
图3 大屯路隧道底板沉降曲线
2)边导洞(1)和(4)开挖后,地表沉降曲线呈现出典型的双峰形态,最大变形出现在大屯路隧道边墙附近,这是由于大屯路隧道底板刚度较大,阻断了结构范围内地层变形的传递。大屯路隧道的底板沉降在两侧边墙处最大,在新建车站中心线处最小,这是由于导洞(1)和(4)位于边墙处,开挖后既有隧道结构在两侧失去支撑所致。
3)自中导洞(2)和(3)开挖至车站施工结束,地表沉降和大屯路隧道底板沉降的最大值均出现在车站中心线处,至两侧逐渐减小。
分析新建车站上方地表和大屯路隧道底板在不同步序的沉降值可知,中导洞(2)和(3)施工引起的地表沉降达到-33.0 mm,占地表最终沉降的78.4%;引起的隧道底板沉降达到-35.0 mm,占隧道底板总沉降的77.8%。可见,此步序为单层导洞大直径桩预撑支柱盖挖暗作法施工的关键步序。
3 监测结果分析
图4所示为车站西部大屯路隧道底板和中墙的沉降监测点布置情况,本文选取隧道北侧底板纵向典型测点、中墙典型测点及横断面15的测点进行分析。
图4 大屯路隧道沉降监测点布置情况(新建车站西部)
3.1 隧道结构沉降历时曲线分析
分析大屯路隧道测点位移监测曲线(图5)可知:
图5 大屯路隧道测点位移监测曲线
1)各测点沉降曲线变化趋势基本一致,即施工开始后,隧道底板和中墙沉降速率逐渐加快,至2013年3月21日站厅层施工完成后,沉降速率逐渐趋近于0,至2013年11月12日车站主体结构施工完成后,沉降基本稳定。可见,车站站厅层的施工是该工法变形控制的关键阶段,与2.2节的计算结果一致。
2)主体结构完工后,大屯路隧道北侧底板沉降最大值为-37.5 mm,出现在单侧开口段的测点BDB17-2处;大屯路隧道中墙沉降最大值为-47.4 mm,出现在双孔闭合框架段的测点BQ19-1处,与2.2节的数值计算结果(-45.0 mm)基本一致。
3.2 隧道结构横断面沉降曲线分析
图6为不同施工阶段大屯路隧道横断面15的位移监测曲线。分析可知,该位移曲线近似呈M型,隧道中墙处沉降最大;隧道沉降主要出现在站厅层结构施工期间。因此,此阶段是该工程施工的关键控制阶段,与前述分析结论一致。
图6 横断面15沉降监测曲线
4 结论
针对新建奥林匹克公园站下穿大屯路隧道工程穿越距离长,新建车站密贴既有隧道,变形控制困难等特点,工程选用单层导洞大直径桩预撑支柱盖挖暗作法进行施工。该工法可通过减少导洞开挖数量,及早施作支撑结构来控制地层和周围结构变形。
根据数值分析结果,车站站厅层结构的施工是该工法的关键施工步序。此阶段的车站中心线处地表累计沉降为-38.4 mm,占地表总沉降(-42.1 mm)的91.2%,大屯路隧道底板的累计沉降为-41.3 mm,占隧道底板总沉降(-45.0 mm)的91.8%。至站厅层施工完成时,隧道中墙沉降最大值为-38.4 mm,占该断面最终沉降(-43.0 mm)的89.3%,与数值分析结果基本一致。
因此,该工法能够有效地控制地层变形,适用于新建地下结构零距离平行下穿大型城市隧道工程,对类似工程施工具有一定的借鉴意义。
[1]XU Qianwei,ZHU Hehua,MA Xianfeng,et al.A Case History of Shield Tunnel Crossing through Group Pile Foundation of a Road Bridge with Pile Underpinning Technologies in Shanghai[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2015 (45):20-23.
[2]王明年,崔光耀,喻波.广州地铁西村站近接高架桥桩基影响分区及应用研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28 (7):1396-1404.
[3]范德伟,李大勇,张学臣.地铁隧道开挖引起临近地下管线竖向位移及内力分析[J].工业建筑,2009,39(9):85-89.
[4]常翔.地铁车站近接正交下穿既有地铁隧道的变形分析[J].现代隧道技术,2011,48(3):69-73.
[5]徐前卫,尤春安,李大勇.盾构近距离穿越已建隧道的施工影响分析[J].岩土力学,2004,25(增):95-98.
[6]GUO Jing,CHEN Jianyun,BOBET A.Influence of a Subway Station on the Inter-Story Drift Ratio of Adjacent Surface Structures[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2013(35):8-19.
[7]ZHANG Dingli,FANG Qian,HOU Yanjuan,et al.Protection of Buildings against Damages as a Result of Adjacent Large-Span Tunneling in Shallowly Buried Soft Ground[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2013(6): 903-913.
[8]姜忻良,贾勇,赵保建,等.地铁隧道施工对临近建筑物影响的研究[J].岩土力学,2008,29(11):3047-3052.
[9]段东旭.大跨度地下通道的浅埋暗挖法施工[J].铁道建筑,2008(3):40-43.
[10]李新乐,窦慧娟,王海涛.浅埋暗挖隧道下穿既有铁路和涵洞施工技术方案研究[J].铁道建筑,2012(7):47-50.
[11]彭琦.浅埋偏压小净距隧道围岩压力及施工力学研究[D].长沙:中南大学,2008.
(责任审编 赵其文)
U231+.4
:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.18
2014-12-31;
:2015-06-03
北京市科委计划项目(Z121100000312021)
张宏(1978— ),男,山西太原人,高级工程师。
1003-1995(2015)09-0060-03