浅埋暗挖地铁车站地表沉降及既有线变形分析

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摘 要:浅埋暗挖地铁车站穿越既有地铁隧道施工地表沉降及既有线的变形的控制对施工及运营安全具有重要意义。本文以北京地铁4#线西单站下穿长安街,上跨地铁既有1#线开挖过程为例,在详细研究该区工程地质条件和地铁设计参数的基础上,采用FLAC3D工程分析软件对地铁开挖过程及其引发的地表、拱顶及既有隧道的变形规律进行了数值模拟分析,优化开挖施工方案,模拟动态施工过程,合理设计隧道开挖步序,并对施工中的监控量测提出建议,指导地铁安全施工。

关键词:浅埋暗挖;地铁车站;数值模拟;穿越

在城市地铁建设中,出现了大量的节点车站,车站及区间隧道的相互穿越,如地铁5#线在崇文门和东单分别下穿和上穿地铁环线和1#线,以及目前正在建设的地铁4#线宣武门车站和西单站、10#线芍药居站和国贸站、机场线东直门站等。在既有线正常运营的情况下顺利地完成施工,并确保运营和施工的安全是该类工程所面临的重要技术难题。在很多情况下,由于交通规划的多变性以及城市经济的快速发展,前期建设中没有预留新线的接口,或者预留接口工程的标准和条件不能满足要求,新线施工必然对既有结构产生影响[1]。这样,在新线工程施工中不仅要保证工程自身的安全,同时还要保证不至于对既有结构造成破坏性的影响,这是穿越既有线施工的主要技术难题。

本文在明确地质勘察、场地地质条件的基础上,应用岩土工程软件FLAC3D对北京地铁4#线西单站暗挖段进行了开挖支护施工过程的三维数值模拟[2,3],预测了最大地表沉降量及既有线上浮量[4,5]。

1 工程概况

北京地铁4#线西单站位于复兴门内大街与宣武门内大街、西单北大街相交处十字路口的东侧,呈南北走向,与一号线西单地铁车站呈“T”字形换乘,车站总长222.3m,总宽22.7m。车站中部横穿长安街,并上跨一号线地铁区间。车站中间段长46.8m,为两个单层马蹄型单洞断面,中间设联络通道,将两个单洞断面相连,采用暗挖法施工。

该暗挖段上跨1#线既有区间,暗挖段底板底与一号线既有区间隧道结构顶净距0.5m,结构拱顶至地面覆土厚4.0m,见图1。且既有区间结构二衬施工时间较早,没有配钢筋,抗变形能力差;又1#线为运营区间,轨道定位精度高,如结构变形影响到轨道变形,会影响1#线的运营安全。

2 工程地质及水文地质概况

车站范围场地地势平坦,现状地面标高46.62-47.86m,主要为第四纪地层,地貌属于古金沟河等古河道及第四纪沉积物,主要土层分布见表1。

因已进入老城区,人工填土层较厚。车站主要穿过的土层为粘质粉土层、粉土、细砂层等,底板座落在⑤层圆砾夹粉土层上,地基承载力特征值为350kPa。其下卧粗砂、圆砾等土层。中间段结构顶至地面覆土层厚度约4.0m,基本为杂填土。本场地抗浮设防水位35.00m,防渗设防水位46.00m。上层滞水水位标高位于车站中部,因水源补给不明显,施工期间采用明排处理。

3 开挖与支护设计

3.1 开挖步序

为控制长安街的地面沉降,在隧道拱顶以上采用φ325的管幕,管幕自南向北施作。由于隧道区域围岩软弱、破碎严重,设计断面较大,采用分部开挖可以减少每个坑道的跨度,能显著增强坑道围岩的相对稳定性,且易于进行局部支护。车站暗挖段的每榀格栅间距为50cm,开挖工法采用CRD法,将断面分为6个部分开挖。同时将左右洞错开施工,既先施工左洞,再施工右洞。具体施工步序如图2。

每个导洞的施工步距为5m,即1号施工洞室开挖5m后,开始进行2号洞室的开挖,在2号洞室开挖的同时1号洞室仍然以同样的施工速度进行开挖,当2号洞室挖至5m则进行3号洞室的开挖,其他洞室依此类推。在跨越一号线隧道范围内,每次只进行一个导洞施工,待该导洞完全越过一线隧道后,进行下一导洞施工。

3.2 长大管棚预支护

在暗挖段拱顶施作密排管棚作为超前支护措施,为了避免大量穿越混凝土管道施工,设计成“一”字型布置。管棚采用无缝钢管,直径0.325m、壁厚0.012m、长度46.8m。管材每节长度为9.0m,管棚长钢管采用6节9.0m长的钢管焊接形成,钢管之间中心间距为0.4m,管外跟进直径0.06m钢花管,进行回填注浆,注浆材料为PO.32.5R水泥浆,水灰比为1:0.8。

3.3 深孔注浆加固措施

在主体隧道1、3号施工洞室内对1#线隧道拱部上部土体及隧道两侧一倍隧道宽度范围内土体进行水泥预注浆加固。注浆材料选用超细水泥,它是ANG―S超细型特种灌浆料,具有突出的超渗透性和早强施工性能,适用于沙土层隧道开挖加固、堵水加固灌浆、围岩加固灌浆、帷幕注浆等。与水玻璃水泥浆比较,具有强度高,耐久性能好,后期强度不倒缩等特点,即满足工程开挖的技术需要,也符合构筑物耐久性能要求。

由于对既有线上浮标准严格控制在5mm以内,从而也增加了施工的难度。由于既有地铁隧道拱顶距离新建地铁车站拱顶距离很近,只有0.5米,所以根据洞室开挖拱底隆起量近乎等于既有线拱顶上浮量这一特点,要想控制既有线上浮程度,关键控制洞室开挖时拱底的隆起值,超前地基加固效果显著。设置预应力锚杆、注浆加固既有1#线隧道周围土体,使土体的刚度增大,从而更好的控制拱底的隆起值,达到控制1#线结构上浮的目的。

3.4 自钻式预应力抗浮锚杆

自钻式中空预应力锚杆材料和技术集钻进、注浆、锚固为一体,锚杆体既是钻杆、又是注浆管、同时也是锚固力产生物体。如遇比较松软、破碎的围岩,一般成孔较困难,即便成孔,也容易塌孔,在孔内难以穿入其他锚杆或锚索,而自钻式中空预应力锚杆技术正好弥补了传统工艺的不足。

在2、4号洞室以下的范围内设预应力锚杆,梅花型布置。其一端锚固在车站底板初衬上,锚杆拉力不能过大,避免引起增大作用在1#线区间结构的土体压力,从而导致1#线结构被挤压变形。在支护手段上,采用喷射混凝土和锚杆为衬砌,把衬砌和围岩看作是一个相互作用的整体,即发挥围岩的自承能力,又使锚喷衬砌起到加固围岩的作用[6]。

4 FLAC3D数值模拟

4.1 建立几何模型

采用的计算模型如图3所示,向上计算到地表,两边各取了56m,向下取了32.2m,沿地铁隧道轴向取50m。两端采用水平约束,底部采用竖直约束。共划分了34008个单元,37710个节点。

模型边界条件为:侧面和底面为位移边界,侧面限制水平移动,底部限制垂直位移,上边界为自由面。模拟过程与施工过程同步,超前小导管注浆,管棚设置以及预应力锚杆的设置均可进行简化模拟,方法是增大超前小导管、管棚及预应力锚杆周围土体的参数。

4.2 物理力学性质

各土层的物理力学参数如表1所示,工程材料的物理力学参数见表2。开挖中初次衬砌及二次衬砌材料类型为:初期支护为C25混凝土,二次衬砌采用C30混凝土。

5 方案对比

采取不同预支护措施施工得到的地表沉降量、拱顶沉降量以及既有线上浮量是不同的。以下对假定几种方案分别做出了数值模拟分析:

①无任何预支护及土体加固措施;

②施作密排管棚支护、对土体进行注浆加固 、无预应力锚杆;

③施作密排管棚支护,无注浆加固措施、施作预应力锚杆;

④施作密排管棚支护,对结构底板与一号线区间两侧土体进行注浆加固 ,在加固土体范围施作预应力锚杆。

四种方案的地表沉降、拱顶沉降及既有隧道上浮情况对比结果见表3。

在计算模型及物理力学参数不变的情况下,分别对几种方案进行模拟对比,这种方法还是非常的具有针对性,可以相对客观的比较出几种方案的优缺点。本文主要对这四种开挖方案所引起的地表沉降以及既有线的上浮进行比较研究,所以从沉降以及上浮的角度来分析,方案⑷的施工方案更为合理,沉降变形及上浮量没有超过规定的容许值,而且不管是地表沉降量还是既有线上浮量均比其他三种方案要小。因此,本文在最后一种方案的基础上进行暗挖车站施工的模拟计算。

6 计算结果分析

根据设计方案模拟了暗挖段的开挖及支护施工全过程,图4为隧道开挖后土体的竖直方向位移等值线图,从图中可以看出左右隧道开挖完成后,隧道上方的竖直位移沿两隧道轴线中心基本对称,右洞拱顶处竖向位移较左洞偏大,主要是由于左、右洞施工顺序的不同所导致。在左右洞室拱顶处小范围内出现最大沉降,沉降值在27.2mm左右,左右洞之间沉降值为20～25mm,在实际施工时应重点监测,及时支护。

隧道底部均出现隆起,这是土体卸荷所导致的。图5为隧道开挖导致既有地铁一号线结构竖直方向位移变化等值线图。本次模拟过程中假设地基加固施工质量良好,加固范围充分到位,采取了施加预应力锚杆等相应的加固措施,右线全线贯通后既有线上浮达到1.05mm,施工完成后既有线最大上浮量达到2.50mm,在要求控制值5mm范围内。锚杆受力有所变化,从开始的大部分受拉,随着施工的推进出现受压现象。最终计算结果地表最大沉降量为21.65mm,拱顶最大沉降量为27.23mm,既有1#线隧道最大上浮量为2.50mm。

7 结论

建立工程场地的三维地质模型,进行三维有限差分的数值分析,模拟地铁车站开挖支护的动态施工过程,可以较好地反应地铁施工的动态力学过程,数值模拟分析可以看到该浅埋暗挖地铁车站施工期地表最大沉降量为21.65mm,拱顶最大沉降量27.23mm基本满足设计规范要求。另外根据初步的施工监测结果,暗挖段六个导洞开挖施工的地表沉降量与计算结果基本一致,进一步说明场地地质模型对数值模拟的重要性。

参考文献

[1]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].北京交通大学,2005.

[2]李秀珍,许强,孔纪名,等.九寨―黄龙机场高填方地基沉降的数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(12):21882193.

[3]乔国文,王运生,房冬恒.西南某电站右岸开挖边坡稳定性的FLAC3D分析[J].工程地质学报,2004,12(3):280284.

[4]寇晓东,周维垣,杨若琼.FLAC3D进行三峡船闸高边坡稳定分析[J].岩石力学与工程学报,2001,20(1):6-10.

[5]白明洲,等.复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车站施工期地面沉降FLAC3D分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(增2):4255-4258.

[6]刘钊,佘才高,周振强.地铁工程设计与施工[M].北京:人民交通出版社,2004,5.