淺埋暗挖法近距離穿越既有地鐵構(gòu)筑物（區(qū)間與車(chē)站）關(guān)鍵技術(shù)研究

1、淺埋暗挖法近距離穿越既有地鐵構(gòu)筑物（區(qū)間與車(chē)站）關(guān)鍵技術(shù)研究1 立項(xiàng)背景 近年來(lái)我國(guó)城市快速軌道交建設(shè)得到了迅速發(fā)展，逐步形成地下鐵道網(wǎng)。在地鐵網(wǎng)的建設(shè)中必然會(huì)遇到眾多的節(jié)點(diǎn)車(chē)站（即換乘車(chē)站），僅北京市線網(wǎng)規(guī)劃中節(jié)點(diǎn)車(chē)站就達(dá)118處，因此換乘車(chē)站的設(shè)計(jì)和施工通常是城市地鐵建設(shè)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)工程。 換乘車(chē)站的建設(shè)方式：A. 同期建設(shè)4、10號(hào)線黃莊車(chē)站B. 前期建設(shè)預(yù)留 如2、4號(hào)線西直門(mén)站C. 穿越既有線施工,如崇文門(mén)、東單、宣武門(mén)站等 顯然, 在以上 3 種建造方式中，顯然是以穿越既有線結(jié)構(gòu)的方式技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)最大。 序號(hào)新建線既有線穿越情況穿越類(lèi)型最小間距/m152崇文門(mén)暗挖車(chē)站下穿地鐵2

2、號(hào)線區(qū)間下穿1.98021東單暗挖車(chē)站上穿地鐵1號(hào)線區(qū)間上穿0.632雍和暗挖區(qū)間穿環(huán)線雍和宮站下穿0.3442宣武門(mén)暗挖車(chē)站下穿2號(hào)線宣武門(mén)車(chē)站下穿1.951西單暗挖車(chē)站上穿1號(hào)線區(qū)間上穿0.5462西直門(mén)站改造（預(yù)留)7101國(guó)雙區(qū)間下穿1號(hào)線區(qū)間下穿1.245813北芍區(qū)間下穿13號(hào)線芍藥居站下穿9.215 9機(jī)場(chǎng)線13東直門(mén)站穿13號(hào)線東直門(mén)折返線下穿、側(cè)穿0北京地鐵在建線路近距離穿越既有地鐵線工程匯總表 通常認(rèn)為，當(dāng)結(jié)構(gòu)間距大于5.0m以后兩者的影響就非常明顯，即5.0m以下可以認(rèn)為是小間距，上表中除穿越芍藥居城鐵站外，其他間距均小于2.0m，因此均為近距穿越。 隧道穿越既有線的主要

3、形式: 依據(jù)新建隧道與既有線結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系可分為以下3種穿越形式： 下穿既有線 上穿既有線 側(cè)穿既有線 宣武門(mén)下穿既有線結(jié)構(gòu)東單站上穿既有線結(jié)構(gòu)崇文門(mén)聯(lián)絡(luò)通道側(cè)穿既有線結(jié)構(gòu) 在3種穿越方式中以下穿既有線工程的技術(shù)難度最大。而在北京在建的穿越既有線工程中，以五號(hào)線崇文門(mén)車(chē)站下穿既有線工程條件最為復(fù)雜，難度和風(fēng)險(xiǎn)最大，同時(shí)也是最先建設(shè)的穿越工程。 因此本課題重點(diǎn)以崇文門(mén)車(chē)站作為工程北京開(kāi)展研究工作，并在該工程建設(shè)中進(jìn)行本成果的應(yīng)用。以五號(hào)線東單車(chē)站作為上穿既有線的工程應(yīng)用。北京地鐵五號(hào)線崇文門(mén)車(chē)站工程概況 北京地鐵五號(hào)線崇文門(mén)車(chē)站和東單車(chē)站隧道穿越工程的規(guī)模之大、條件之復(fù)雜以及控制標(biāo)準(zhǔn)之高是國(guó)內(nèi)外

4、罕見(jiàn)的，其中崇文門(mén)車(chē)站以24.2m11.42m的大斷面下穿既有環(huán)線地鐵結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最小間距僅為1.98m；東單車(chē)站開(kāi)挖斷面為23.66m9.87m，以最小間距0.5m上穿既有地鐵一號(hào)線區(qū)間。在如此復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中的安全運(yùn)營(yíng)，其風(fēng)險(xiǎn)性非常之大。崇文門(mén)車(chē)站的主要技術(shù)難點(diǎn)：崇文門(mén)車(chē)站是重要的換乘車(chē)站，在整個(gè)交通線網(wǎng)中 具有不可替代性。施工技術(shù)難度大，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)可資借鑒，需要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)完成。周?chē)h(huán)境及其復(fù)雜，而且地處交通要道，一旦出現(xiàn)工程環(huán)境事故，將造成非常惡劣的社會(huì)影響；如果造成既有線結(jié)構(gòu)破壞迫使環(huán)線地鐵停運(yùn)，將使整個(gè)北京地鐵交通癱瘓。在如此復(fù)雜的條件下施工，要同時(shí)保證既有線和

5、新建工程的安全，技術(shù)要求高。2 主要研究?jī)?nèi)容和總體思路 成功穿越既有線結(jié)構(gòu)，要解決好以下關(guān)鍵問(wèn)題：A . 保證既有線的安全運(yùn)營(yíng)B. 保證施工過(guò)程的安全C. 監(jiān)控量測(cè)和信息反饋是工程安全的重要保證 隧道穿越既有線的核心問(wèn)題是如何控制既有線結(jié)構(gòu)的變形量和變形速率(防止災(zāi)難事故發(fā)生)，因此從研究思路上可以采取以下3種方法：結(jié)構(gòu)托換，即通過(guò)托換手段對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)支護(hù)，如美國(guó)波士頓中央交通主動(dòng)脈公路隧道工程穿越既有地鐵線時(shí)使用了此方法。減小開(kāi)挖斷面，即在滿(mǎn)足工程要求的條件下盡量減小隧道斷面，或?qū)⒋髷嗝嫠淼婪纸獬尚嗝?，?號(hào)線宣武門(mén)站擬采用的方法。隧道分部開(kāi)挖，即將大斷面隧道分多次開(kāi)挖完成，從而減小對(duì)

6、既有結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)和變形，如5號(hào)線崇文門(mén)車(chē)站、東單車(chē)站以及穿越雍和宮車(chē)站所采用的方法。安全穿越既有線結(jié)構(gòu)的基本思路 穿越既有線工程主要包括以下 5個(gè)環(huán)節(jié)，課題研究也是圍繞這5個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行的，并且重視成果的實(shí)際應(yīng)用。 既有結(jié)構(gòu)物的現(xiàn)狀評(píng)估和安全性評(píng)價(jià)。由此可確定出既有結(jié)構(gòu)的沉降和變形控制標(biāo)準(zhǔn)，即既有結(jié)構(gòu)所能夠承受的極限變形值。 施工附加影響的分析及施工方法優(yōu)化。實(shí)際上為施工方法以及輔助施工方法的優(yōu)化，并且包括工法的優(yōu)化以及細(xì)部?jī)?yōu)化（如到洞開(kāi)挖以及支護(hù)順序等細(xì)節(jié)問(wèn)題）。 過(guò)程控制方案制定與實(shí)施?？紤]到隧道開(kāi)挖對(duì)地層影響的時(shí)空效應(yīng)，依據(jù)地層和結(jié)構(gòu)的變位分配原理，初步擬定相應(yīng)施工方案下的既有結(jié)

7、構(gòu)變形及穩(wěn)定性控制方案并實(shí)施。方案制定的依據(jù)主要包括：既往經(jīng)驗(yàn)及資料、數(shù)值模擬及理論分析、工程特點(diǎn)等。 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)及信息反饋?；谛畔⒒┕さ脑恚ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果與既定控制方案的對(duì)比，可及時(shí)對(duì)施工方案和控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，以及在必要時(shí)對(duì)地層和結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。加固地層其作用是減小施工對(duì)結(jié)構(gòu)的附加影響；加固結(jié)構(gòu)其作用則在于提高結(jié)構(gòu)的抗變形能力。 工后評(píng)估及恢復(fù)方案制定。無(wú)論采取怎樣的施工方案和技術(shù)措施，施工結(jié)束后都會(huì)或多或少地對(duì)既有結(jié)構(gòu)造成影響，因此待施工完成后應(yīng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的損壞狀況進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，并據(jù)此制定恢復(fù)方案和具體措施，包括恢復(fù)的必要性、恢復(fù)程度以及工后沉降和變形的預(yù)測(cè)等。

8、依據(jù)上述原理和方法，在淺埋暗挖法穿越地鐵結(jié)構(gòu)成功實(shí)踐的基礎(chǔ)上，目前已在北京地鐵施工的環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)管理中得到了推廣應(yīng)用，取得了很好的效果。由此可對(duì)地鐵及城市地下工程施工的環(huán)境控制提供直接的指導(dǎo)，從整體上提高了信息化施工的技術(shù)水平。 3 課題技術(shù)成果及其應(yīng)用 分析了穿越工程中合理結(jié)構(gòu)間距的主要影響因素及評(píng)價(jià)方法，并由此確定了一般工程條件下的合理結(jié)構(gòu)間距。 綜合考慮列車(chē)振動(dòng)對(duì)新建結(jié)構(gòu)的影響、夾層土體變形對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降的影響以及地下空間的合理利用等，下穿越既有線時(shí)結(jié)構(gòu)間距以23m為宜。（一）既有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀評(píng)估與安全性評(píng)價(jià) 根據(jù)現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)果，結(jié)合施工過(guò)程中可能發(fā)生的沉降模式的綜合分析，同時(shí)考慮到列車(chē)運(yùn)營(yíng)

9、條件（豎曲線、過(guò)超高等）的要求，最后以既有隧道結(jié)構(gòu)變形縫處的最大沉降量最為控制指標(biāo)，控制標(biāo)準(zhǔn)為不超過(guò)40mm，考慮到一定安全儲(chǔ)備，將既有結(jié)構(gòu)的最大沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)擬定為36mm。 東單車(chē)站既有線復(fù)八線的上浮量控制標(biāo)準(zhǔn)為12mm,考慮安全儲(chǔ)備后，最大上浮量為10mm。東南施工場(chǎng)地西北施工場(chǎng)地崇文門(mén)車(chē)站周邊實(shí)景圖平面圖橫剖面圖西1.98m（二）地鐵施工的附加影響分析及工法優(yōu)化 針對(duì)大斷面淺埋暗挖地鐵車(chē)站常用的中洞法、柱洞法和側(cè)洞法對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降附加影響進(jìn)行分析，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)施工方法的優(yōu)化。 施工方法的附加影響分析及優(yōu)化，包括工法的優(yōu)化和施工步驟的細(xì)部?jī)?yōu)化。 既有環(huán)線區(qū)間隧道新建車(chē)站600大管棚柱洞法中

10、洞法側(cè)洞法不同施工方法的塑性區(qū)分布柱洞法中洞法側(cè)洞法 綜合既有結(jié)構(gòu)沉降以及塑性區(qū)范圍的影響分析，可以得出以下結(jié)論： 柱洞法以最小的挖土量，提供了前期襯砌的施作空間，其永久襯砌結(jié)構(gòu)施作最早，支撐作用發(fā)揮得最早，所以對(duì)土體沉降和既有結(jié)構(gòu)的變位控制最為有利，應(yīng)是穿越施工的最佳方案。導(dǎo)洞開(kāi)挖順序的細(xì)部?jī)?yōu)化1234123412341234方案方案方案方案既有結(jié)構(gòu)分步沉降預(yù)測(cè)結(jié)果-40-35-30-25-20-15-10-50024681012141618施工步序累計(jì)沉降量（mm）導(dǎo)洞貫通中洞頂層襯砌側(cè)洞支撐側(cè)洞貫通中洞襯砌側(cè)洞襯砌中洞管幕施工結(jié)束（三）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)安全控制方案的制定和實(shí)施 依據(jù)地層及結(jié)構(gòu)變?yōu)?/p>

11、分配的原理和方法，擬定出不同施工階段的既有結(jié)構(gòu)變形控制目標(biāo)值，形成控制方案。600超前管幕設(shè)計(jì)參數(shù)600咬合管幕，鋼管管徑600mm，壁厚16mm，長(zhǎng)度為36m。沿車(chē)站隧道單層斷面拱部布設(shè)一環(huán)，鋼管之間采用10號(hào)槽鋼和工10相互咬合（雙扣為槽鋼，單扣為工鋼）。施工方法超前600管幕采用水平液壓鉆孔頂管機(jī)施工，施工時(shí)采用先頂進(jìn)后出土的施工工藝，鉆頭落后鋼管前端10-15cm，該施工工藝能夠有效的控制地層沉降，其主施工設(shè)備為液壓系統(tǒng)，施工中振動(dòng)和噪音較小 施工參數(shù)管幕布置在既有環(huán)線區(qū)間隧道和車(chē)站拱頂之間，距離車(chē)站初支30cm。在鋼管支座施工完成后，鋼管內(nèi)再填充無(wú)收縮水泥砂漿，用來(lái)提高鋼管剛度 。鉆

12、孔頂管機(jī)施工示意圖600超前管幕現(xiàn)場(chǎng)鋼管柱施工（四）施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)和控制 與其他的暗挖地鐵車(chē)站工程相比，監(jiān)測(cè)工作的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：采用先進(jìn)的高精度靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)的信息反饋；采用光柵系統(tǒng)對(duì)典型管棚進(jìn)行了隧道施工過(guò)程的全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；對(duì)地鐵列車(chē)振動(dòng)在地層中的傳播規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，為振動(dòng)影響分析及減振措施制定提供了依據(jù)。常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目地表布點(diǎn)圖測(cè)點(diǎn)布置原則為：沿縱向每5米布設(shè)一個(gè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)。常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目洞內(nèi)布點(diǎn)圖既有線監(jiān)測(cè)布點(diǎn)縱剖面圖既有線監(jiān)測(cè)布點(diǎn)縱剖面圖既有線監(jiān)測(cè)方案 既有線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)就是結(jié)合既有隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和已制定的監(jiān)管指標(biāo)，選擇相應(yīng)的量測(cè)儀器和設(shè)備。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置也是監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，包括儀器安設(shè)位置的選擇，儀器安裝的數(shù)量、密度、分布方式和范圍等。梁式傾斜儀變位計(jì)（五）工后評(píng)估和恢復(fù)方案制定和實(shí)施 隧道施工完成后，客觀上不可避免地要對(duì)既有地鐵構(gòu)筑物造成影響，也可能對(duì)既有線的安全運(yùn)營(yíng)和使用功能造成一些損害，因此應(yīng)對(duì)所造成影響的程度作出評(píng)價(jià)；同時(shí)根據(jù)損害的程度對(duì)恢復(fù)的必要性、可行性