暗挖大断面隧道穿越既有地铁高架区间的风险控制

李志佳 刘力 刘衍峰

(1.北京市基础设施投资有限公司 100101; 2.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

近年来,为了解决城市交通拥堵问题,全国许多城市均在加快修建城市轨道交通。城市轨道交通的大规模建设必然带来新建线路与既有线路的交叉。在穿越、邻近既有线工程中,要保证工程的顺利实施,更重要的是保证既有线的安全运营。要实现安全、成功地穿越既有线,就需要采取相应的风险控制措施。

张金伟[1]对单洞单线暗挖地铁区间穿越城市大型立交桥桥区风险工程设计优化方法进行了研究。李兆平等[2]探讨了北京地铁邻近桥梁施工风险等级划分应考虑的因素和风险等级划分方法,形成了对邻近桥梁的风险控制与保护技术程序。王东清[3]对地铁暗挖隧道近距离穿越城市立交桥桥桩施工技术进行了分析。王力勇[4]等对地铁隧道下穿高架桥施工控制技术进行了研究,通过在隧道施工过程中增设临时仰拱等工程措施加固土体,控制建筑物沉降。上述文献多就单洞单线地铁暗挖隧道穿越市政桥梁进行研究和讨论,而对单洞双线暗挖大断面隧道穿越既有地铁高架区间的研究较少。本文以北京地铁15 号线单洞双线大断面区间隧道侧穿及区间风井、风道邻近既有13 号线地铁高架区间为例,对风险控制措施进行了研究,并结合数值分析、施工监控量测,在保证地铁13 号线正常运营的前提下,顺利完成了工程的施工。

1 工程概况

北京地铁15 号线清华东站站后折返线区间为单洞双线暗挖大断面隧道,采用双侧壁导坑法施工。如图1 所示,隧道自东向西暗挖下穿13号线高架桥区间,区间风井及风道位于既有地铁13 号线高架桥区间西侧。

图1 区间及区间风井、风道与既有13 号线关系Fig.1 Relationship between the metro section,ventilation shaft,air duct and Line 13

地铁13 号线五道口站—上地站区间为高架区间,穿越段为18.5m+27m+20.75m 三跨连续梁,隧道穿越处桥跨18.5m,承台尺寸为6.0m×5.5m×2m,覆土约7m; 承台下设四根直径1.0m 桥桩,桩长约34m。

折返线区间下穿13 号线区间段范围为23.58m,结构断面型式为单洞双线大断面,开挖尺寸为12.3m(宽) × 10.02m(高),覆土约17.36m。如图2 所示,下穿处隧道初支外皮距离南侧桥桩水平净距为0.74m,距离北侧桥桩水平净距为0.46m,折返线隧道与南侧承台竖向垂直净距约为8.37m,与北侧承台竖向垂直净距约为8.33m。

图2 区间与既有13 号线关系Fig.2 Relationship between the metro section andLine 13

区间风井及风道位于地铁13 号线高架桥西侧。风井开挖尺寸为8.4m(长) ×5.2m(宽),采用倒挂井壁法施工; 风道开挖尺寸为7.4m(宽)×13.47m(高),拱顶直墙双层断面,台阶法施工,覆土14.26m。如图3 所示,区间风道初支外皮距离东侧桥桩水平净距为5.92m,距离东侧桥桩承台水平净距为5.42m。

图3 区间风道与既有13 号线关系Fig.3 Relationship between the air duct and Line 13

该工程所处地层从上到下依次为杂填土①1层、粉土填土①层、粉土③层、粉细砂③3层、粉质粘土③1层、粉土④2层、粉质粘土④层、粉土⑥2层、粉质粘土⑥层、中粗砂⑦1层、圆砾卵石⑦层。

地下水包括上层滞水(一)、潜水(二)、层间水(三)和承压水(四)。区间及区间风道开挖范围主要为潜水(二)(位于区间风道拱顶位置)及层间水(三)(位于区间风道底板以上约4m 位置),承压水(四)位于结构底板以下。

2 区间风井、风道及区间施工步序

区间风井、风道及区间的施工步序见图4,具体步序如下：

(1)对既有13 号线桥桩所在区域进行地面深孔注浆加固土体(Ⅰ);

(2)对竖井(即区间风井)周边土体进行深孔注浆止水(Ⅱ);

(3)竖井采用倒挂井壁法开挖,开挖至施工通道拱部时,在竖井内沿施工通道马头门外轮廓打设超前注浆小导管加固地层,开挖至井底并封底(Ⅲ);

(4)采用深孔注浆纵向超前预加固横通道(即区间风道)地层,分区凿除施工通道马头门范围井壁混凝土,同步架设施工通道格栅钢架,采用CRD 法施工横通道(Ⅳ);

(5)在施工通道内进行区间穿越13 号线区间高架桥桩的大断面隧道全断面深孔注浆加固(Ⅴ);

(6)采用双侧壁导坑法对区间进行开挖,直至到达区间风道(Ⅵ);

(7)先后依次浇筑区间正线二衬结构、风道二衬结构及竖井内风井二衬结构。

图4 区间风井、风道及区间施工步序Fig.4 Construction plan of the metro section,ventilation shaft and air duct

3 区间风井、风道及区间风险控制措施

区间风道初支外皮与东侧桥桩水平净距仅为5.92m,为一级环境风险工程。区间开挖宽度12.3m,下穿处隧道初支外皮与南侧、北侧桥桩水平净距分别为0.74m、0.46m,属于特级环境风险工程。该工程开挖断面大,又紧邻既有地铁桥桩,还有风井、风道及区间的多次扰动,为保证既有13 号线高架区间的正常运营,需要保证桥梁和桥桩的变形在一定控制值之内(控制值见第5 节)。因此,该工程采取了以下措施。

3.1 地面深孔注浆加固桥桩区域土体

由于区间风道初支外皮与东侧桥桩水平净距仅为5.92m,折返线隧道初支外皮与南侧、北侧桥桩水平净距分别为0.74m、0.46m,隧道的开挖必然导致上部土体沉降,进而对既有结构的安全产生影响。常见的邻近施工加强措施可以分为两种,即加固既有结构和强化支护措施。由于区间风道与既有13 号线为平行关系,区间与既有13 号线为正交关系,二者综合影响比较复杂,因此应优先考虑对既有结构进行加固,经过对比拟选用地面深孔注浆加固桥桩所在区域的土体。

地面深孔注浆加固范围为最外侧桥桩外皮外放2m,隧道开挖拱部以上3m,仰拱以下2.5m,见图5。浆液配比、扩散半径、注浆压力等指标应根据实验确定,推荐深孔注浆压力控制在1.0MPa ～1.5MPa,单孔扩散半径不小于0.5m,注浆浆液采用水泥- 水玻璃双液浆,根据地层条件添加调节浆液凝结时间和可注性的外加剂; 注浆加固后土体无侧限抗压强度不应小于1.0MPa。

3.2 开挖前在桥跨下放置满堂红支架预支顶

工程施工前对施工影响的桥跨下放置满堂红支架进行预支顶,根据桥梁变形监测情况采用千斤顶进行顶升,并针对环境风险的工程特点,制定完善的应急预案并报产权单位备案。

3.3 开挖前深孔注浆止水

暗挖工程需保证无水作业,否则易影响侧壁及掌子面的稳定。为保证无水作业,可以选择降水或者止水措施。一般情况下多选择降水,但此工程由于临近既有13 号线,若降水会造成较大的地表沉降,从而影响其正常运营,因此采用深孔注浆止水,保证开挖时无水作业。

图5 地面深孔注浆加固范围Fig.5 Reinforcement range by ground deep hole grouting

图6 深孔注浆止水范围Fig.6 Sealing range by deep hole grouting

区间风井(兼施工竖井)随开挖对井壁周圈进行超前向下深孔注浆止水,风道在开挖前对支护外围采取洞内深孔注浆止水措施,深孔注浆区为初支外皮外放1.5m,见图6。每段深孔注浆纵向长度12m,挖10m,段与段间搭接2m,每一段注浆前在掌子面设置0.3m 厚止浆墙。推荐注浆压力控制在0.8MPa ～1.0MPa,浆液采用水泥-水玻璃双液浆,注浆加固后土体无侧限抗压强度为不小于0.5MPa,注浆止水后要求土体渗透系数不大于1.0 ×10-6cm/s。

3.4 开挖前区间隧道洞内全断面注浆加固土体

区间隧道除对桥桩区域采取地面深孔注浆加固土体外,其余施工影响范围采用洞内全断面注浆加固土体措施。全断面注浆加固范围为仰拱外放2.5m,其他位置外放3.0m,见图7。推荐注浆压力、浆液、注浆加固后土体无侧限抗压强度及土体渗透系数要求同区间风井深孔注浆的要求。

图7 区间全断面注浆加固范围Fig.7 Reinforcement range by deep hole grouting in the metro section

4 区间风井、风道及区间施工变形预测

4.1 区间风井及风道临近既有13 号线施工变形预测

本文采用MIDAS -GTS 岩土工程数值分析软件,建立二维数值分析模型。土体采用摩尔-库仑模型,采用提高注浆范围内土体强度及弹性模量的方式模拟注浆加固效果。模型中各地层物理力学参数见表1。模型底部约束竖向位移,侧边约束水平位移。

表1 地层物理力学性质参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of the stratum

模型计算过程中,先进行地应力平衡,然后按照风井、风道的施工步序进行模拟计算。根据计算结果,风井及风道施工引起的桥墩总沉降为1mm,地表总沉降为2.9mm。

4.2 区间侧穿既有13 号线施工变形预测

同样采用MIDAS-GTS 有限元程序进行沉降变形分析计算。区间隧道各个施工步骤引起的地表沉降计算结果如下：

第一步： 左侧上部洞室的开挖及支护,地表沉降值为1.1mm; 第二步： 左侧下部洞室的开挖及支护,地表沉降值为1.6mm; 第三步： 右侧上部洞室的开挖及支护,地表沉降值为2.4mm; 第四步： 右侧下部洞室的开挖及支护,地表沉降值为3.0mm; 第五步： 中间上部洞室开挖及支护,地表沉降值为3.8mm; 第六步： 中间下部洞室开挖及支护,地表沉降值为4.3mm; 第七步： 分步拆除支撑,施做二次衬砌,地表沉降值为5.4mm。区间隧道施工引起的桥墩总沉降为0.8mm。

根据以上计算结果,区间风道及折返线区间隧道施工引起的桥墩累计总沉降为1.8mm。

5 既有13 号线变形控制指标

由北京交通大学完成的《既有地铁13 号线高架桥五道口站—上地站区间结构及轨道安全性影响评估报告》依据其他类似工程经验及相应的现场监测数据,在综合考虑预测变形值和结构允许变形值的基础上考虑一定的安全系数,确定了既有13 号线区间桥梁及轨道变形控制指标见表2 ～表4。

表2 地铁区间桥梁结构累计变形控制指标Tab.2 Cumulative deformation control index of metro bridge structure

表3 地铁区间轨道结构累计变形控制指标Tab.3 Cumulative deformation control index of metro track structure

表4 相邻桥墩累计差异沉降变形控制指标Tab.4 Accumulated differential settlement deformation control index of adjacent bridge pier

根据变位分配法原理[5],将变形控制指标分解至各个施工步序。根据沉降变形分析计算结果及评估结论,结合北京类似工程经验,13 号线区间桥墩控制指标分解如下(区间风井、风道及区间下穿总控制值为3mm)：

区间风井、风道： 区间风井累计变形为15%,风道累计变形为35%;

区间开挖： 第一步累计变形为50%,第二步累计变形为60%,第三步累计变形为70%,第四步累计变形为80%,第五步累计变形为90%,第六步为95%,第七步为100%。

6 现场施工监测结果分析

经过采取第3 节所述各项风险控制措施,暗挖大断面区间隧道初支及二衬施工完毕后,实测桥墩最大沉降量为2.84mm,最大差异沉降为1.68mm,轨道结构变形最大值2.34mm。实测桥墩最大沉降量比数值模拟略大,主要由于隧道的拱腰及拱底位于卵石层,注浆止水难以保证完全密封。但经过对比,各项变形数据均满足《既有地铁13 号线高架桥五道口站～上地站区间结构及轨道安全性影响评估报告》给定的13 号线区间桥梁及轨道变形控制指标,表明设计、施工采取的措施是有效的。

7 结论

1.对既有13 号线高架区间的保护,优先选用加固既有结构的方法,采用地面深孔注浆加固桥桩所在区域的土体,同时对施工影响的桥跨下放置满堂红支架进行预支顶,根据桥梁变形监测情况采用千斤顶进行顶升。

2.在加固既有13 号线的同时,对区间风井及风道采用深孔注浆止水措施,对大断面区间隧道采用全断面注浆加固措施(兼具止水效果),可以避免降水导致较大的沉降,从而减小13 号线的沉降。

3.通过数值模拟分析,区间风井、风道及暗挖大断面隧道施工引起的桥桩累计总沉降为1.8mm,预判工程采用的各项安全控制措施效果较好。

4.根据沉降变形分析计算结果及评估结论,结合北京类似工程,将13 号线区间桥桩控制指标分解到各个施工步骤,使变形的过程控制可以达到较好的效果。

5.通过现场施工监测结果分析,施工完毕后各项变形数据均满足评估报告给定的指标,很好地验证了各项风险控制措施的有效性,也为类似工程提供了有力的技术支持。