CRD+顶撑密贴下穿技术的地层适应性

陶连金,黄凯平,边　金,安军海,刘春晓

(北京工业大学 建筑工程学院,北京 100124)



CRD+顶撑密贴下穿技术的地层适应性

陶连金,黄凯平,边金,安军海,刘春晓

(北京工业大学 建筑工程学院,北京 100124)

以北京地铁10号线密贴下穿公主坟站1号线工程为背景,使用有限元方法模拟CRD+顶撑密贴穿越工法施工全过程,通过改变下穿段底板土层的参数,研究该工法在典型地层中的适用性。通过研究发现:中密-密实的砂卵石地层、密实的粉土和砂性土以及硬塑的黏土地层,既有线的沉降发展缓慢且最终变形可以控制在3 mm以内;粉土地层对既有线的影响范围最大,黏土和砂性土次之,砂卵石地层最小。当新建地下结构地基为密实或中密的砂卵石、密实的砂土和粉土或硬塑和坚硬黏土时,CRD+顶撑工法沉降控制合理;而稍密的砂卵石和中密的砂性土通过地基加固后能较好地控制沉降;但是在松散的砂性土及承载力小的黏性土中,顶撑力施加会引起较大的沉降,不推荐在这类地层中应用。

CRD;密贴穿越施工;顶撑技术;沉降控制

0　引　言

随着国内轨道交通的大规模建设,新建地铁线与既有线之间相互交叉、并行、连接、共建等情况日益增多[1-3]。北京地铁10号线公主坟站密贴下穿既有1号线公主坟站,应用“CRD+多重预顶撑”暗挖施工工艺,使得既有站的结构的变形值成功控制在3 mm以内。对此工法的诸多系统研究对于保证北京地区地下密贴穿越工程的安全、经济、高效,具有重要的工程意义和价值[4-5]。陶连金等[6]研究了CRD+顶撑技术在密贴暗挖工程中的施工工艺,为该工法的推广提供了技术支撑;吴海洋等[7-8]以北京地铁10号线下穿1号线公主坟站为研究对象,研究下穿施工对既有车站结构的影响规律以及沉降控制措施。由于新建10号线公主坟站的地基为承载力较高的强风化砾岩和卵石层,所以,CRD+顶撑技术可将既有线沉降控制在3 mm内。在北京地区,该工法对其他地基土层的适用性尚待研究。

笔者以新建地铁10号线公主坟站下穿1号线公主坟站工程为背景,采用有限元方法精细模拟了新建车站持力层为砂卵石、黏土、砂土、粉土时的下穿施工过程,分析不同地层下既有线结构底板的变形规律,研究该工法在不同新建地下结构持力层条件下的适用性。

1　工程概况与施工工法

北京地铁10号线公主坟车站下穿1号线车站采用CRD+平顶直墙+千斤顶工法施工,新建的10号线在下,南北向开挖;1号线在上,东西向分布。下穿段26.1 m,新建结构净宽11.75 m,高6.32 m,为单层双跨平顶直墙矩形结构。新建线采取零距离密贴下穿既有站,新建线两个分离式断面间距49.2 m,既有站全长169.69 m,宽20.3 m,高7.95 m。地铁运营公司提出的下穿施工时既有站结构的绝对变形值小于3 mm的控制对密贴穿越工程提出了巨大的挑战[9-10]。既有站与新建线的关系见图1。

CRD暗挖工法是在进行土体开挖时,尽早形成竖向传力体系,以保证土体稳定并尽可能的控制其沉降。施工中,一般先将整个洞室分为若干分块,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,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”。在顶撑力的作用过程中,对既有结构的变位、顶撑力的变化、格栅轴力变化、基底沉降变化都采用动态实时监测手段,对各环境变化参数及时收集、整理,把信息流转化成应变指令,对顶撑系统实时调整,位移控制效果明显[9]。其主要施工步序如图2所示。

图1　新建站与既有站位置关系

图2　主要施工步序

2　北京地区典型地层分析

北京地区的西部位于各大河流冲洪积扇上部，以厚层砂土和卵、砾石地层为主;向东至城市中心区大部分范围内,地层过渡为黏性土、粉土与砂土、卵砾石互层。由《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》可知,一般,砂卵石、砂土、粉土、黏土分别采用重型圆锥动力触探锤击数N63.5、标准贯入锤击数N、孔隙比e、液性指数分类。在统计分析了北京地区地铁车站勘察报告中地层物理力学参数的基础上,选取表1中的地层条件进行分析。由于软塑和流塑状态的黏土以及松散的砂卵石和砂性土的承载力极低,该工法无法使用,因此不予考虑。

表1地层主要参数

Table 1Main parameter of soils

3　计算模型

由于新建地下结构地基持力层对CRD+顶撑工法的适用性影响最大,因此计算时其他条件不变,只按照表1改变新建线地基持力层的参数。由于新建下穿车站两部分的距离很远,相互影响小,故可取1/4部分模拟,如图3所示。模型尺寸为100 m×35 m×50 m。既有站与新建成线结构的位置关系见图4。土体、既有站结构采用实体单元模拟,新建车站结构采用板单元模拟,顶撑力用集中荷载模拟。土层视为理想弹塑性材料,采用M-C破坏准则;新建线底板土层参数如表1,土层参数和结构参数选取参照参考文献[5]。

图3　计算模型

图4　既有站与新建线结构的位置关系

4　数值模拟结果分析

4.1不同地基持力层条件下既有结构变形最大值发展规律

图5为既有线沉降值曲线,其中,smax为既有线沉降最大值,N为施工步数。由图5a、5b所示,从第12步到32步,由于顶撑力的开始施加和不断调整,各个工况下既有线底板沉降曲线下降平缓,仅有少量的沉降,说明砂卵石地层和砂性土层中顶撑力能较好地控制既有线的变形。顶力卸除前,沉降发展缓慢。

由图5c、5d可以看出,黏性土层的沉降曲线则表现出一定的差异性。工况9所对应的可塑黏土和工况13所对应的稍密粉土,其沉降曲线比较陡立,基本没有出现较为平缓的阶段,施工过程中沉降发展迅速,体现出顶撑控制作用不明显的特点。而对于硬塑到坚硬状态下的黏土和密实的砂土,其施工过程中的沉降发展规律与砂卵石砂性土工况类似。

图5　既有线最大沉降值曲线

4.2顶撑力卸除后沉降最大值变化规律

不同工况下既有线沉降最大值(smax)见图6。 由图6可知,随着粗粒土、粉土由稍密逐渐变成密实的状态,黏土由可塑变成坚硬状态,顶力卸除后,此工法施工所引起的既有线底板沉降最大值逐渐减小。

北京地区处于中密或者密实状态下的砂卵石地层,最终的沉降值基本都能控制在3 mm以内,这主要是因为其强度高,压缩性低,有较好的力学性能;而稍密砂卵石地层沉降稍大,在采取注浆加固、夯实等地基加固方法,提高承载力后,可以考虑使用该工法。但是,砂卵石地层渗透性较大,降水时容易带走其黏粒,且注浆效果不好,在实际工程中也要特别注意。

图6　不同工况下既有线沉降最大值

北京地区处于中密至密实状态的砂土,既有线底板的沉降控制在3 mm左右,一般来说,中密至密实的砂性土抗剪强度大,承载力强,能作为良好的基底;而对于松砂和一些孔隙中含有较多黏粒的稍密的砂土而言,孔隙多,结构不稳定,强度较低,在荷载下,容易产生较大的沉降,故不推荐适应此法。

黏性土层随着土的工程性质的不同,变形发展表现为较大的差异性。黏土处于硬塑和坚硬状态下,其黏聚力较大,抗剪强度较高,承载力较大,可以达到既有线沉降小于3 mm的沉降控制值;对于中、高压缩性的黏土和粉土,其引起的既有线底板沉降远远超过3 mm的控制值,此法不推荐在此类土层中使用。

4.3不同地层不同工况沉降槽

下面选取四个满足既有线沉降控制值的典型地层工况,在卸除顶力后,对沿既有线方向的沉降槽曲线进行分析。图7为不同地层沉降槽曲线。其中l1为沿x轴方向的距离,s1为既有线底板沉降值。

图7　不同地层沉降槽曲线

由图7可知,不同地层下既有线底板的沉降曲线一定程度上反映出Peck理论所描述的似正态分布的曲线分布。下穿段底板下卧密实砂卵石地层时,其对既有线的影响范围是最小的,为沿x轴方向距离50～85 m处。密实砂性土层和坚硬黏土土层的影响范围相差不大,为沿x轴方向距离45～90 m处。而密实的粉土层对既有线的影响范围最大,为沿x轴方向距离20～95 m处。

5　结　论

使用Midas软件对不同新建地下结构持力层下CRD+顶撑工法密贴穿越施工全过程进行模拟,研究此工法对不同持力层的适用性,得出以下结论:

(1)在砂卵石地层和砂性地层等承载力较高的地层中,该施工方法能较好地控制既有线的沉降;新建地下结构持力层为中高缩性土时,沉降发展快,顶撑力控制作用不明显。

(2)当新建地下结构持力层为中密到密实的砂卵石和砂土、密实粉土、硬塑到坚硬的黏土地层时,能将既有线底板的沉降控制在3 mm以内。

(3)较为松散的砂卵石和砂性土,稍密的粉土以及某些可塑的黏土地层,沉降值难以控制在3 mm以内,因此不推荐该工法在此类软弱地层中使用。

[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(S2):4208-4214.

[2]孔祥鹏,刘国彬,廖少明.明珠线二期上海体育馆地铁车站穿越施工对地铁一号线车站的影响[J].岩石力学与工程学报,2004(5):821-825.

[3]姚海波.大断面隧道浅埋暗挖法下穿既有地铁构筑物施工技术研究[D].北京:北京交通大学,2005.

[4]陶连金,安军海,边金,等.密贴下穿地下工程施工新工艺“CRD+多重预顶撑”研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2015(1):97-103.

[5]李积栋,陶连金,汪国峰,等.变位分配原理在地铁密贴穿越工程中的应用[J].铁道科学与工程学报,2013(4):68-75.

[6]陶连金,李积栋,汪国峰,等.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.

[7]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,2012.

[8]许奎.新建地铁隧道密贴下穿既有地铁车站风险控制研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[9]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.

[10]北京城建勘测设计研究院有限责任公司.公主坟站第三方监测总结报告[R].北京:北京城建勘测设计研究院有限责任公司,2012.

(编辑徐岩)

Strata feasibility study on CRD+top-bracing close-attached under-crossing technology

TAO Lianjin,HUANG Kaiping,BIAN Jin,AN Junhai,LIU Chunxiao

(College of Architecture &Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

This paper is aimed at exploring the feasible application of CRD+top-bracing under-crossing technology in the typical strata.The specific exploration is accomplished by using data gleamed from the viable application of close-attached and down-traversing construction technology to the existing station of line 1 of Gongzhufen station of Beijing subway line 10,utilizing the finite element strategy to simulate the whole construction process of CRD+top-bracing under-crossing technology,and changing the parameters of the line’s down-traversing bottom strata.The results demonstrate that existing lines tend to experience a slower settlement and a final deformation likely to be kept within 3 mm,as in the case of medium dense or dense sandy gravel strata,dense silt,sandy soil and hard plastic clay strata;existing lines are subjected to varying influence ranges from silt found to have the largest influence range through the clay and sandy soil to the sandy gravel with the minimum one;it follows that CRD+top-bracing technology is capable of feasible sediment control,as occurs when the foundation of new underground construction is constructed of medium dense or dense sandy gravel,dense silt,sandy soil and hard plastic clay;the technology,combined with foundation reinforcement,enables a better settlement control in slightly dense sandy gravel and medium dense sandy soil;and the technology is not recommended for use in the loose sandy soil and cohesive soil with minor bearing capacity,more liable to a comparatively large sediment.

CRD;close-attached crossing construction;top-bracing technology;settlement control

2015-02-30

国家自然科学基金项目(41272337);北京市博士后工作经费资助项目(2013zz-01)

陶连金(1964-),男,黑龙江省鸡西人,教授,博士,博士生导师,研究方向:岩土工程与地下工程,E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.014

U231.3;TU94

2095-7262(2015)02-0182-05

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