摘 要: 通过工程类比和数值分析, 对北京地铁 4 号线浅埋暗挖区间隧道下穿高梁桥施工方案进行了分析。结果表明, 采用地面桥墩加固和地下隧道周边注浆加固地层, 能有效控制沉降。区间隧道先后施工对临近桥墩差异沉降影响甚微, 为提高施工速度, 可在合理错距后同时施工。
关键词: 浅埋暗挖; 下穿桥梁; 砂卵石; 注浆加固; 数值模拟
1 工程概况
西直门站～动物园站区间隧道处于西直门外大街下方。该区间起点里程左线为 k13+902.747、右线为k13+903.000, 终点里程为 k15+125.853, 左线全长1 224.066 m、右线全长为 1 222.853 m。隧道正线于桩号 k14+000～k14+104 段穿过高梁桥基础, 设计过桥段长 104m; 高梁桥上部结构为跨度 23 m×3 的预应力简支 t 梁; 下部为厚 2 m 的扩大基础, 分两层浇筑, 底层面积 5.5 m×5.5 m, 上层面积 3 m×3 m, 基础埋深4.874 m。扩大基础上为独立桥墩, 两相邻桥墩上有盖梁相连。与区间遂道纵向相垂直方向一排上有 4 个基础, 中心间距 11.546 m; 沿区间纵向有两排桥基, 间距21 m。隧道埋深 17.9 m, 两隧道中心间距为 8.0 m, 见图 1 所示。隧道结构从一排 4 个基础中的中间 2 个基础正下方附近通过, 结构顶与基础底之间净距为11.66 m。Www.11665.COM
该区间段隧道左右线全部穿越砂卵石地层。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层, 颗粒之间空隙大, 黏聚力小, 颗粒之间点对点传力, 地层反应灵敏,稍微受到扰动, 就很容易破坏原来的相对稳定平衡状态而坍塌, 引起较大的围岩扰动, 使开挖面和洞壁都失去约束而产生不稳定。通过筛分试验表明, 该处地层为卵石～圆砾层, 粒径 20 ～70 mm, 最大粒径达到150 mm, 含砂率 11 %～30 %, 平均内摩擦角 35# 左右,n 值 27～50, 施工中遇到最大的卵石达 250 mm。
2 工程难点分析
在砂卵石地层中采用浅埋暗挖法施工, 存在以下难点:
(1)超前小导管或注浆孔施工成孔难度大, 施工速度慢;
(2)砂卵石地层容易坍塌, 地层成拱性差, 超挖量较大, 工作面稳定性难以保证;
(3) 由于没有地面降水条件, 拱顶上方存在的上层滞水, 易造成砂体的部分流失, 增加地层沉降量控制的难度;
(4)砂卵石地层中浅埋暗挖法隧道下穿桥墩桩基相对其他地层, 容易造成不均匀沉降。
根据北京地铁施工有关规定, 确认下穿高梁桥施工风险等级为一级 , 其中变形控制标准如下: 桥台横向变形差异 5.0 mm, 纵向变形沉降 10 mm。根据该工程特点, 并参考《北京地铁施工监控量测试行稿》确定了该标段监测项目的监测控制值, 见表 1。
3 施工方案的确定
为了严格控制结构沉降, 通过对比试验, 研究提出了适用于砂卵石地层的前进式分段超前深孔注浆加固方案。
隧道采用 crd 法进行施工, 根据分析, 确定区间两隧道按照导洞 1、2、3、4 和导洞 5、6、7、8 顺序施工,错距 10 m。先施工 1 号导洞, 为了减小各导洞之间的相互影响, 待施工 10 m 后, 再施工 2 号导洞, 依次施工其他导洞, 直至完成(见图 2)。具体施工步序如下:
第一步: 施作超前支护, 注浆加固地层,前后开挖两侧 1 号洞室, 并预留核心土, 施作初期支护;
第二步: 继续前后开挖两侧 2 号洞室, 施作初期支护, 1、2 号洞室纵向间距 10 m 左右;
第三步: 施作超前支护, 前后开挖两侧 3 号洞室,并预留核心土, 施作初期支护, 2 号与 3 号洞室纵向间距 10 m;
第四步: 继续前后开挖两侧 4 号洞室, 施作初期支护,左侧 3 号与 4 号洞室纵向间距 10 m;
第五步: 待左洞开挖完毕, 再以同样的方式开挖右导洞;
第六步: 根据监测情况纵向分段拆除中隔墙, 临时支撑, 逐步完成侧洞底板防水与二次衬砌, 先作业左洞, 再作业右洞;
4 施工方案数值分析
4. 1 计算模型说明
采用 plaxis3d 进行计算分析, 计算范围顶部取到地面, 左右两侧和底部各取 50 m, 沿隧道轴线方向取 60 m, 隧道均考虑小导管超前注浆加固地层; 地层由上到下依次为杂填土层、粉质黏土、细砂层、砂卵石层。土层的参数如表 2 所示。整个模型采用实体单元建模, 土层采用摩尔库仑模型, 隧道结构采用弹性体模型, 共划分 30 655 个实体单元, 48 960 个实体单元节点(见图 3)。施工步骤: 先施工左边隧道, 再施工右边隧道; 单个隧道按照 crd 工法 1、2、3、4 顺序施工。计算工况: (1) 不进行任何加固措施; (2) 对桥墩及隧道周围采取加固措施: 将 1 号桥墩和 2 号桥墩的扩大基础采用注入混凝土的方式连接成整体; 将 3 号桥墩和 4 号桥墩的扩大基础采用注入混凝土的方式连接成整体。隧道拱部及侧墙 2 m 范围内土体实施超前深孔注浆加固。
4. 2 计算结果分析
计算结果见表 3、表 4。从表 3 数据可以看出, 采取加固措施后, 效果十分显著。不进行任何加固时, 桥墩基础的差异沉降分别达到 10.95 mm 和 9.22 mm。采用注浆加固土体及桥墩连接加固后, a、b 号桥墩的差异沉降为 4.30 mm; c、d 号桥墩的差异沉降为4.50 mm, 可见加固后效果是显著的。为便于加强施工中过程控制, 表 4 给出了各个工序对沉降贡献值。
分析可见, 导洞 1 和导洞 2 沉降占总体沉降的55 %, 因而加强对这两个步序的施工管理十分必要。
5 主要结论
(1) 针对浅埋暗挖隧道下穿高梁桥施工, 为控制沉降, 必须对桥桩及隧道周围地层采取加固措施;
(2) 区间两隧道的施工顺序宜按照导洞 1、2、3、4和导洞 5、6、7、8 顺序组织施工;
(3) 单线隧道施工时, 影响沉降的关键工序为导洞 1、2 和导洞 5、6 的施工;
(4)在错距为 30 m 时, 区间左右线施工相互影响甚微, 为加快施工进度, 左右线隧道可相对合理错距同时施工。
目前, 区间左右线隧道均已安全穿越高梁桥。工程实践表明, 采取上述措施确保了地表沉降控制在10 mm 以内, 桥桩横向差异沉降不大于 5 mm 的目标。
参考文献:
[1] 吴波,等. 城市地铁区间隧道洞群开控顺序优化分析[j]. 中国铁道科学,2003,24(5) : 23- 28.
[2] 高新强,仇文革,吴 剑. 重庆轻轨大坪车站隧道暗挖段施工方法数值优化分析[m]//陈磬超. 地下铁道新技术文集.北京:中国铁道出版社,2003:612- 615.
[3] 吴波,等. 地铁隧道施工对地表沉降影响的优化控制分析[j].现代隧道技术,2003,40(3):42- 46.
