基于洞樁法的既有地鐵車站頂升方案研究

基于洞樁法的既有地鐵車站頂升方案研究

0明挖區(qū)間主要結(jié)構(gòu)的特點c、北京軌道交通機場線、直隸站c區(qū)c區(qū)自上而下的c線、直隸站后的回程線。C區(qū)上跨結(jié)構(gòu)底板緊貼折返線結(jié)構(gòu)。C區(qū)下穿結(jié)構(gòu)緊貼折返線底板墊層,結(jié)構(gòu)頂板與折返線初支間距約為0.9m。城鐵#13線東直門站2002年12月底通車運營,其站后折返線從車站主體引出約7.5m與明挖區(qū)間銜接,明挖區(qū)間又與暗挖區(qū)間相連。明挖區(qū)間為單跨箱形結(jié)構(gòu),暗挖區(qū)間為單層雙聯(lián)拱結(jié)構(gòu)。明挖段前后設(shè)變形縫。暗挖區(qū)間隧道每隔30m設(shè)一道沉降縫。既有結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)之間成61.74°斜交。新建結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)之間相對位置關(guān)系見圖1,2所示。折返線明挖段長14m,寬12.3m,高7.75m,頂板覆土厚8.8m。結(jié)構(gòu)底板厚1m,頂板厚0.85m,側(cè)墻厚0.9m,模筑混凝土強度等級C30。折返線暗挖段寬12.05m,高7.52m,初支、二襯厚度均為0.3m。初襯噴射混凝土強度等級C20,模筑混凝土強度等級C30。折返線明挖段和暗挖段結(jié)構(gòu)斷面分別如圖3,4所示。為確保穿越段施工時既有線運營安全,在中國首次采用PLC液壓同步頂升技術(shù)控制既有線結(jié)構(gòu)變形。當既有線結(jié)構(gòu)變形超限時,系統(tǒng)將根據(jù)壓力、位移指令,進行頂升調(diào)整,確保上部結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)。1頂升控制過程PLC液壓同步頂升系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)(油泵、油缸等)、檢測傳感器、計算機控制系統(tǒng)等幾個部分組成。當總控室操作人員接到頂升指令后,通過HIM(人機交互界面)向工業(yè)控制計算機輸入必要參數(shù),并將指令下達到系統(tǒng)總站中(西門子S7-300)。系統(tǒng)總站接收到指令后,按照事先編寫的程序分析頂升參數(shù),通過PROFIBUS工業(yè)總線控制子站的運行。子站接收總站數(shù)據(jù),通過自身CPU(西門子S7-200)運算,驗證傳感器上傳數(shù)據(jù)與頂升指令,從而驅(qū)動(或抑制)液壓系統(tǒng)工作。2導入先進控制體系2.1頂升方案和頂升控制下穿結(jié)構(gòu)總體采用洞樁托換法施工,并根據(jù)上部結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果配合實施液壓同步頂升控制技術(shù)。從開挖、支護、頂升和二襯工藝流程來看,下穿施工可分為8個典型工況。①第一步,在既有線結(jié)構(gòu)下方開挖左右兩個#1小導洞并支護;②第二步,在#1導洞內(nèi)打樁并施作樁頂L形托梁;③第三步,在既有線下方開挖中部#2導洞并施作條形基礎(chǔ)和鋼支撐;④第四步,在#1號和#2導洞內(nèi)布置千斤頂并開挖#1導洞與#2導洞之間的兩個#3導洞;⑤第五步,拆除各導洞間邊墻并施作下穿結(jié)構(gòu)頂板;⑥第六步,下穿結(jié)構(gòu)主體開挖并架設(shè)鋼支撐、錨索;⑦第七步,施作下穿結(jié)構(gòu)邊墻和底板;⑧第八步,拆除千斤頂并回填新、舊結(jié)構(gòu)之間空隙。對于頂升控制,按照“分區(qū)、分階段、分組、分級”的原則,制定頂升方案。所謂“分區(qū)”,就是根據(jù)既有線不同結(jié)構(gòu)形式,分別計算上部明挖結(jié)構(gòu)和暗挖結(jié)構(gòu)的千斤頂頂升力。所謂“分階段”就是結(jié)合下穿施工典型工況,劃分為3個頂升階段,分別制定每一階段頂升方案;所謂“分組”就是根據(jù)上部結(jié)構(gòu)變形與下部開挖的對應(yīng)關(guān)系,將千斤頂分為不同組,對千斤頂實施分組控制,第一階段方案千斤頂共分了6組,第二和第三階段方案千斤頂共分了8組。所謂“分級”,就是依據(jù)上部結(jié)構(gòu)的實際重量和結(jié)構(gòu)變形情況,對每組千斤頂頂力實行分級控制,逐級累加達到最終設(shè)計頂力值。考慮到既有線結(jié)構(gòu)損傷的不可逆性和軌道變形在一定范圍內(nèi)的可調(diào)整性,本著“預(yù)防為主、治理為輔”的思想,制定的總體頂升方案考慮了下穿施工中的典型工況,而實際執(zhí)行的頂升控制方案則需要依據(jù)既有線結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果和事先確定的指標決定何時啟動頂升工作。2.2晉升階段的劃分和操作順序2.3主升系統(tǒng)配置、千公斤主升組件配置(1)試空臺根據(jù)工程情況,系統(tǒng)配置如下:PLC液壓控制總站一臺、控制子站二臺、200t液壓千斤頂30臺(2臺備用)。兩個控制子站控制二臺液壓泵站,每臺液壓泵站可控制4個控制點,每組千斤頂設(shè)置一臺光柵尺。(2)千斤頂頂頂設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計圖紙,可以估算出頂升重量,明挖段為1982t,暗挖段為1046t。根據(jù)頂升力計算情況,施工進入第四施工步驟對應(yīng)的第一階段頂升調(diào)整工作時,既有明挖段結(jié)構(gòu)下方北側(cè)小導洞配備6臺200t千斤頂,單頂頂力138t;中間導洞配備14臺200t千斤頂,單頂頂力82t;既有暗挖段結(jié)構(gòu)下方南側(cè)小導洞配備8臺200t千斤頂,單頂頂力131t。第一階段總計配備28臺200t千斤頂。千斤頂最大頂升力為5600t,上部荷載/千斤頂最大頂升力=54%,完全可以滿足工程頂升需要。第一階段千斤頂和PLC控制系統(tǒng)布置詳見圖5,6。對于第二、三階段,在既有暗挖結(jié)構(gòu)下方布置8臺200t千斤頂,單頂頂力131t;既有明挖結(jié)構(gòu)下方布置20臺200t千斤頂,單頂頂力約99t。暗挖段千斤頂沿L形托梁頂部和暗挖結(jié)構(gòu)中隔墻、側(cè)墻布置,明挖段千斤頂沿折返線結(jié)構(gòu)側(cè)墻兩側(cè)及中間部位布置。第二、三階段千斤頂布置詳見圖7所示。(3)千斤頂共作分配第一階段千斤頂共分6組,暗挖段沿L梁共2組,明挖段沿L梁分成2組,暗挖段中間位置共2組,總計6組千斤頂。第二、三階段千斤頂共分為8組,暗挖段共分2組,明挖段共分6組。第一、第二和第三階段千斤頂分組和PLC系統(tǒng)布置見圖5,7。2.4導入先進模式為確保頂升過程中既有線結(jié)構(gòu)安全和正常運營,采用在線實時監(jiān)測系統(tǒng)對既有線結(jié)構(gòu)和軌道進行全面監(jiān)控量測。監(jiān)測項目及對應(yīng)測點和編號見圖8。3頂升工作的基本過程2007年8月9日,既有線結(jié)構(gòu)變形縫處差異沉降最大值達4.8mm,超出控制值4.0mm。為控制上部既有結(jié)構(gòu)的下沉變形趨勢,工程啟動了頂升調(diào)整程序。2007年8月11日,在正式實施頂升工作之前,開展了試頂升工作。頂升工作完全貫徹了信息化施工的思想。隨著工程的進展,發(fā)現(xiàn)最初設(shè)想與工程實際存在較大差別,實際工作也因此進行了較大調(diào)整:(1)千斤頂直接頂在新建下穿結(jié)構(gòu)的初支上,而非最初設(shè)計的既有結(jié)構(gòu)的底板上。(2)實際頂升過程依據(jù)在線實時監(jiān)測系統(tǒng)對既有線結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果開展,并對第三階段千斤頂布置進行了局部調(diào)整。(3)受工期的影響,頂升千斤頂在施工過程充當了臨時支撐的角色,直到下部結(jié)構(gòu)做好,頂升千斤頂才卸壓不再工作。(4)頂升后期由于既有暗挖雙連拱結(jié)構(gòu)初支開裂,頂升工作停止。3.1實際加載過程工程試頂升目的是檢驗頂升方案的實際功效,為后續(xù)施工提供經(jīng)驗。試頂升中,千斤頂?shù)膶嶋H加載過程見圖9所示,各測點豎向位移變化情況見圖10所示,在圖中,正值表示上升,負值表示下沉,以下類同。由圖9,10可見,各組千頂加載過程基本一致,上部結(jié)構(gòu)平均頂升約為0.3mm,頂升系統(tǒng)有能力對折返線結(jié)構(gòu)進行整體或者局部調(diào)整。3.2頂升過程及結(jié)果分析上跨結(jié)構(gòu)底板澆筑時間為2007年9月24日,頂板澆筑時間為2007年10月15日?？紤]上部加載會引起既有結(jié)構(gòu)的進一步沉降,分別于2007年9月28日、2007年9月29日、2007年10月17日、2007年10月21日對上部結(jié)構(gòu)進行了頂升。在頂升過程中,監(jiān)測發(fā)現(xiàn)既有結(jié)構(gòu)某處頂升量小,則加大此處千斤頂頂力,以期盡可能達到結(jié)構(gòu)整體同步頂升的效果。到2007年10月15日,總頂力達到3500t。結(jié)合既有線結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果,2007年10月21日對千斤頂布置進行了重新調(diào)整,調(diào)整結(jié)果如圖11所示。調(diào)整過程中部分千斤頂進行了泄壓,明挖段西側(cè)增加4臺200t千斤頂,明挖段共計24臺千斤頂,總頂力達到3810t,最大頂力達到結(jié)構(gòu)重量的3.04倍。頂升過程中既有暗挖雙聯(lián)拱結(jié)構(gòu)部位部分初支破壞。考慮工程的安全性,對既有結(jié)構(gòu)架設(shè)了強勁支撐,并于2007年10月24日開始了第二次泄壓,頂升工作結(jié)束。頂升過程中各組千斤頂加載過程如圖12所示,頂升過程中各測點豎向位移變化情況如圖13所示。簡潔起見,在圖12,13中僅給出了部分測試結(jié)果。頂升時間為9月28日,9月29日,10月18日,10月21日,10月25日,變形縫處最大差異沉降分別為5.8,5.5,6.4,6.6,6.9mm。由圖12可見,千斤頂基本上都是按“分級”加載的方式緩慢提高或降低頂力。雖然總體看來各組千斤頂加載趨勢基本一致,但由于受千斤頂分布位置的影響,各組千斤頂頂力增加幅度和速度各不相同,最終頂升力也有所差別。由圖13可知:(1)頂升過程中各測點位移變化幅度不一致,既有線結(jié)構(gòu)在頂升過程中依然處于下沉變形狀態(tài),很難做到整體結(jié)構(gòu)同步頂升。(2)在千斤頂頂力達到一定數(shù)值后,對既有線結(jié)構(gòu)的頂升量達到最大值,之后再繼續(xù)增加頂力,頂升位移反而有所減少。這大概是受既有線結(jié)構(gòu)強度和變形的影響。(3)從2007年10月21日的測試結(jié)果來看,頂升過程中重新調(diào)整千斤頂位置和數(shù)量會造成上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大沉降。即使千斤頂卸載后再加載的數(shù)值超過卸載前的數(shù)值,既有線結(jié)構(gòu)依然是下沉的變形狀態(tài)。而且這種情況下,大部分測點都為下沉變形,僅少數(shù)測點處于上升狀態(tài),造成測點之間最多達1.5mm的差異沉降,對結(jié)構(gòu)受力不利。(4)受現(xiàn)場施工場地限制,千斤頂不能均勻布置在既有線結(jié)構(gòu)下方,總體看來,千斤頂密集地方,上部結(jié)構(gòu)頂升量大,反之則小。頂升施工中應(yīng)盡可能將千斤頂均勻布置。(5)頂升過程中,上部結(jié)構(gòu)和軌道變形趨勢一致,保證了二者始終處于密貼狀態(tài)。對于折返線明挖段,由于隧道結(jié)構(gòu)測點布置在結(jié)構(gòu)邊墻上,總體來看來,軌道結(jié)構(gòu)測點處的上升量大于相鄰位置處隧道結(jié)構(gòu)的上升量。(6)千斤頂全部卸壓后,既有線結(jié)構(gòu)要發(fā)生1~2mm的沉降,而既有線軌道結(jié)構(gòu)沉降變形較小,這大概是由于既有線結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生變形的作用結(jié)果。除9月28日和9月29日因連續(xù)頂升,上部既有結(jié)構(gòu)變形縫處差異沉降略有降低外,受下穿施工不斷開挖和上部加載的影響,既有線結(jié)構(gòu)始終處于下降狀態(tài),下部千斤頂?shù)墓ぷ髦皇菧p緩了上部結(jié)構(gòu)的沉降速度,總體降低了既有線結(jié)構(gòu)的沉降量,所以應(yīng)該說頂升控制是一種主動防御的控制策略。4頂升方案確定北京機場線東直門站下穿既有城鐵#13線東直門站站后折返線工程首次在國內(nèi)采用液壓同步頂升技術(shù)控制上部既有線結(jié)構(gòu)變形。通過頂升技術(shù)的實施和對既有線結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測結(jié)果的分析,得出如下結(jié)論:(1)采取PLC液壓同步控制頂升技術(shù)完全可以控制既有線結(jié)構(gòu)和軌道變形的進一步下沉趨勢,這是一種主動防御的控制方法,可以保證既有線結(jié)構(gòu)安全。(2)實踐證明,按照“分區(qū)、分階段、分組、分級”的原則,制定下穿施工中的總體頂升方案是可以滿工程實際控制的需要。(3)實際工程中沒有做到既有線結(jié)構(gòu)整體同步頂升,頂升造成了既有線結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力,從實際控制效果看每次頂升高度最好不要超過2~3mm。(4)上部結(jié)構(gòu)和下部頂升結(jié)構(gòu)之間的緊密接觸是做好頂升工作的基礎(chǔ),在正式進行頂升調(diào)整工作之前,有必要進行全面的試頂升工作。(5)在設(shè)定頂升方案安全限值時,一定要考慮到頂升結(jié)構(gòu)和既有結(jié)構(gòu)之間軟弱層的變形以及后續(xù)施工影響到頂升結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的變形。同時,千斤頂卸壓后,既有線結(jié)構(gòu)還要發(fā)生1~2mm的下沉。因此,在安全限值中一定要留有一定余量,以抵消上述不利影響。(6)頂升工作中,盡量不調(diào)整千斤頂布置,否則會造成既有線結(jié)構(gòu)較大沉降變形和附加內(nèi)力。(7)本工程的頂升控制工作對于隧道施工穿越其它類型建(構(gòu))筑物和地下管線等的安全控制工作,也有很好的參考和借鑒。根據(jù)施工典型工況,共劃分了3個頂升階段。在每一階段中,#13線折返線結(jié)構(gòu)狀態(tài)調(diào)整是間隔性的。即每隔一段時間需要調(diào)整時,根據(jù)指令對#13線折返線結(jié)構(gòu)進行頂升調(diào)整。頂升調(diào)整階段劃分如下:(1)液壓同步頂升系統(tǒng)及千斤頂布置當#1,#2導洞完成、進行#3洞室開挖時,即從下穿施工開始至第四步