地層變位分配控制原理在大跨暗挖地鐵車站施工中的應(yīng)用與研究.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除地層變位分配控制原理在大跨地鐵暗挖車站施工中的應(yīng)用與研究 摘 要：北京地鐵五號(hào)線張自忠路站為大跨暗挖車站，采用淺埋暗挖法施工，對(duì)地表沉降控制要求嚴(yán)格。為達(dá)到控制地表沉降的目的，施工中采用地層變位分配控制原理，實(shí)行動(dòng)態(tài)信息化管理。本文根據(jù)地層變位分配控制原理，以地表沉降為例，通過理論分析、工程類比和數(shù)值模擬等研究手段，分析了張自忠路站各步序地表沉降的分配比例和控制值。施工中根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果和既定控制值，及時(shí)變更設(shè)計(jì)參數(shù)和支護(hù)措施，成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境條件下大跨地鐵暗挖車站地表沉降值不大于45mm的控制目標(biāo)。本文提供的研究方法和支護(hù)手段，對(duì)解決類似地層變位控制要求嚴(yán)格的大斷面暗挖施工具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。關(guān)鍵詞：地層變位分配控制原理；淺埋暗挖法；地鐵暗挖車站中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Application and Research of the Soil Layer Deflection Distribution Controlling Theory in the Construction of Large-span Embedded Metro Station Abstract: Zhang Zizhong station of Beijing metro 5 route is a Large-span Embedded Metro Station, and is constructed with shallow embedded excavation method which needs to control the earths surface settlement strictly. In order to achieve the goal of controlling the earths surface settlement, the soil layer deflection distribution controlling theory is adapted to manage the engineering dynamically with informationization. According to the soil layer deflection distribution controlling theory and taking the earths surface settlement as example, this article analyzes the ratio and control value of the earths surface settlement during each construction step, with the method of theory analysis, engineering analogy and numerical simulation. Based on the result of monitoring and control value decided during the construction, the design parameters and support measures are optimized when necessary, which realizes the control objective of making the earths surface settlement of large-span embedded metro station with complicated environment not very in 45mm. The research approach and support methods that this text offers have certain guidance and reference meaning to control the earths surface settlement of large cross-section embedded engineering which has the similar request to control the deformation of stratum strictly.Keyword: the soil layer deflection distribution controlling theory; shallow embedded excavation method; embedded metro station1地層變形分配控制原理1.1原理概述地下工程的施工涉及到多種工藝、多道工序，其對(duì)地層的影響自始至終是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、不斷變化、逐步累積的過程，所以可以把對(duì)地層變形的控制標(biāo)準(zhǔn)分解到每一個(gè)施工步序中，形成施工各具體步序的控制標(biāo)準(zhǔn)或控制指標(biāo)。只要單個(gè)步序的變形量得到控制，則整個(gè)工程的安全管理就能得以實(shí)現(xiàn)，這就是所謂的地層變形分配控制原理。1.2應(yīng)用流程地層變形分配控制原理（以地表沉降為例）采用理論計(jì)算結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，將地表沉降的控制值分解到每個(gè)施工步序中，建立分步施工的控制標(biāo)準(zhǔn)。在施工中，根據(jù)既有結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)掌握施工動(dòng)態(tài)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與分步控制標(biāo)準(zhǔn)相比較，隨時(shí)了解地表沉降的發(fā)展情況，分析變形過大或者急劇變形的原因，及時(shí)采取措施，將每一步變形控制在安全范圍，從而達(dá)到整體控制目標(biāo)?？刂屏鞒倘鐖D1所示：1） 勘測(cè)根據(jù)施工場(chǎng)區(qū)地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)，掌握?qǐng)鰠^(qū)地形、地質(zhì)條件、土層性質(zhì)、地下水賦存方式等，結(jié)合隧道設(shè)計(jì)參數(shù)初步選定施工方案。2） 預(yù)測(cè)根據(jù)施工管理的各項(xiàng)指標(biāo)，確定施工方案優(yōu)化指標(biāo)，采用理論分析和經(jīng)驗(yàn)類比的方法，預(yù)測(cè)各階段性施工可能引起的變位在總體結(jié)構(gòu)變位中所占的比例，再根據(jù)總體管理標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算各分步施工地表沉降控制值，詳細(xì)研究各施工步序?qū)崿F(xiàn)其控制變位量的可能性，分析產(chǎn)生沉降的各種可能因素，比選各種可能采取的措施，做到使每一步施工控制都有較為充分的保證。3） 監(jiān)測(cè)根據(jù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，在地表、地中、襯砌里、既有構(gòu)筑物上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，適時(shí)記錄施工過程所發(fā)生的各種變位值，為施工和安全管理提供依據(jù)。4） 對(duì)策根據(jù)優(yōu)化后的施工方案，按計(jì)劃分步施工，及時(shí)掌握各點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息，與2)中所確定的分步變形控制標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)照，根據(jù)兩者符合或偏離的程度，決定施工的進(jìn)程。對(duì)過度變形要分析原因，拿出相應(yīng)對(duì)策，修改設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方案。其控制的底線是施工累計(jì)沉降要小于分步變位累計(jì)管理值。即滿足式： （1）式中: 第步施工導(dǎo)致的測(cè)點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)值 ；第i步施工測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)變位值若偏離過大，就要研究恢復(fù)方案。圖1 變形分配控制流程圖3張自忠路車站暗挖施工地層變形分配的實(shí)施3.1工程概況北京地鐵五號(hào)線08標(biāo)張自忠路站位于平安大街與東四北大街相交的十字路口，東四北大街現(xiàn)狀道路東側(cè)，呈南北走向，為兩端明挖、中間暗挖的明暗挖結(jié)合車站。中間過平安大街暗挖段為單層三跨兩柱連拱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開挖跨度為23.86m，開挖高度10.64m，開挖面積220m2（見圖2）；長(zhǎng)68.6m；上部覆土厚度為11.2m，覆跨比0.46，為淺埋隧道。平安大街交通繁忙，地下管網(wǎng)密布，共有各種管線11條，工程環(huán)境復(fù)雜，對(duì)地層沉降控制要求嚴(yán)格。車站暗挖段通過的地層主要為粉細(xì)砂、卵石及可塑狀的粘性土。地層松軟，自穩(wěn)能力較差。暗挖段受上層滯水、潛水及承壓水影響，施工前進(jìn)行了降水處理。暗挖車站采用淺埋暗挖法（側(cè)洞法）施工，先用CRD法施工兩側(cè)洞，然后分段拆除臨時(shí)中隔壁，施做側(cè)洞二襯結(jié)構(gòu)，繼而分上中下三臺(tái)階開挖中洞，施作中洞二襯，最終完成整個(gè)車站。圖2 張自忠路站主體暗挖段施工步序及結(jié)構(gòu)示意圖（mm）3.2暗挖施工地表沉降分配的預(yù)測(cè)規(guī)劃采用FLAC3D有限差分程序?qū)堊灾衣钒低谲囌緜?cè)洞法施工進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)施工引起的地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)規(guī)劃。計(jì)算結(jié)果見表1，從中可以看出，側(cè)洞開挖后的地表沉降為主要部分，占最終沉降的72.7%，側(cè)洞二襯施作完后的沉降占最終沉降的83.8；各施工步序開挖產(chǎn)生的地表沉降分別占最終沉降的百分比有很大差別，1步開挖（1號(hào)導(dǎo)洞開挖）所占的百分比最大。隧道正上方地表測(cè)點(diǎn)沉降，隧道中心線左側(cè)6m地表測(cè)點(diǎn)沉降隨施工時(shí)步變化曲線見圖3。表1 沉降分階段控制計(jì)算值施工步序隧道中心線正上方地表累計(jì)下沉量（mm）隧道中心線左側(cè)6m處地表累計(jì)下沉量（mm）與最終沉降的百分比各施工步序百分比1（導(dǎo)洞1開挖支護(hù)）-5.82-7.2515.1%15.1%2（導(dǎo)洞2開挖支護(hù)）-9.21-14.5227.3%12.2%3（導(dǎo)洞3開挖支護(hù)）-15.51-20.2541.2%13.9%4（導(dǎo)洞4開挖支護(hù)）-18.36-26.1351.2%10.0%5（導(dǎo)洞5開挖支護(hù)）-24.22-30.2462.8%11.6%6（導(dǎo)洞6開挖支護(hù)）-28.92-34.0972.7%9.9%7（兩側(cè)中拄支護(hù)）-33.17-36.0480.0%7.3%8（側(cè)洞二襯）-34.42-38.1083.8%3.8%9（中洞拱部開挖）-35.11-39.5086.2%2.4%10（中洞拱部橫撐）-36.25-40.2488.3%2.2%11（中洞2步開挖）-37.18-41.3990.7%2.4%12（中洞拱部二襯）-38.28-42.1492.9%2.2%13（中洞二步橫撐）-39.59-43.5796.1%3.2%14（中洞三步開挖）-41.13-44.0598.4%2.4%15（中洞三步二襯）-41.90-44.63100.0%1.6%圖3 地表沉降隨施工步序變化曲線 考慮工程環(huán)境的要求，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，同時(shí)結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，將地表沉降最大值設(shè)置為45mm，施工過程中按照表1所列各步序地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。3.2 預(yù)測(cè)規(guī)劃與實(shí)際施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析地表沉降實(shí)測(cè)各施工階段的結(jié)果見表2和圖4。從表2和圖4分析，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果隧道中心線正上方在兩側(cè)中柱支護(hù)施工完畢后地表累計(jì)下沉量為-33.17mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)的地表斷面隧道中心線正上方地表累計(jì)下沉量三斷面的均值為-34.67mm。數(shù)值模擬結(jié)果與地表A斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果基本相吻合，略小于B斷面的測(cè)值，C斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果較大的原因?yàn)樵谑┕み^程該斷面附近有大量上層滯水所致。另從數(shù)值模擬結(jié)果來看，各分部沉降與最終沉降所占的百分比最大為13.9%（導(dǎo)洞3開挖支護(hù)），最小為1.6%（15中洞三步二襯），而實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果和此基本相同。可見，數(shù)值模擬能基本反映隧道開挖地層相應(yīng)規(guī)律，對(duì)施工監(jiān)測(cè)有一定的指導(dǎo)作用；而對(duì)于開挖過程中出現(xiàn)滲水等特殊情況則預(yù)測(cè)失真。圖4 實(shí)測(cè)地表沉降歷時(shí)曲線與數(shù)值模擬曲線比較表2 各階段實(shí)際沉降值及分配施工步序?qū)崪y(cè)地表累計(jì)最大下沉量（mm）與最終沉降的百分比(%)各施工步沉降增量(mm)各施工步百分比增量(%)各施工步沉降增量差異百分比 (%)1（導(dǎo)洞1開挖支護(hù)）-5.82 13.1-4.9515.122（導(dǎo)洞2開挖支護(hù)）-10.77 24.23-5.712.23.073（導(dǎo)洞3開挖支護(hù)）-16.47 37.06-7.1513.94.144（導(dǎo)洞4開挖支護(hù)）-23.62 50.2-4.991015（導(dǎo)洞5開挖支護(hù)）-28.61 61.9-4.3911.60.96（導(dǎo)洞6開挖支護(hù)）-33.00 74.26-1.679.9-1.567（兩側(cè)中拄支護(hù)）-34.67 78.02-2.267.31.988（側(cè)洞二襯）-36.9383.1-1.823.80.79（中洞拱部開挖）-38.7587.2-0.622.4-110（中洞拱部橫撐）-39.3788.6-1.252.2-0.311（中洞2步開挖）-40.6291.4-0.582.4-0.712（中洞拱部二襯）-41.2092.7-1.152.20.213（中洞二步橫撐）-42.3595.3-1.63.20.814（中洞三步開挖）-43.9598.9-0.492.4-0.515（中洞三步二襯）-44.44100-4.951.604地層變位控制的技術(shù)措施為實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道施工過程中地層變位的分配與控制，在詳盡研究預(yù)測(cè)變形、規(guī)劃變形和如何控制變形的基礎(chǔ)上，在勘測(cè)、預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)、控制對(duì)策各主要環(huán)節(jié)階段，通過研究有針對(duì)性的采取了多種地層變位控制的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了控制暗挖地鐵車站穿越各類管線和道路的最終地表沉降值不大于45mm的核心目標(biāo)。1）超前注漿大管棚支護(hù)工程實(shí)踐和理論研究均表明，超前預(yù)支護(hù)對(duì)于地表沉降的約束作用始于工作面前方一定距離處，一般為1至2倍洞徑，其對(duì)地表沉降的控制可達(dá)3035，對(duì)洞頂沉降的控制可高達(dá)40。基于預(yù)測(cè)分析，為控制暗挖結(jié)構(gòu)上方各類管線和平安大街的沉降均勻，采取了自兩端明挖基坑，對(duì)68.6m長(zhǎng)的暗挖段，實(shí)施了注漿大管棚技術(shù)措施。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在隧道軸向方向，相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的差異沉降在5mm范圍內(nèi)，達(dá)到了控制差異沉降的目的，保證了現(xiàn)況管線和道路的安全。2）超前鋼花管引排水針對(duì)開挖工作面局部因上覆管線滲漏嚴(yán)重，且拱頂為粉細(xì)砂，工作面難以穩(wěn)定等問題，采取了在工作面上下臺(tái)階分界處增設(shè)兩根108鋼花管，實(shí)施超前引水，基本解決了工作面難以形成臺(tái)階開挖的問題，同時(shí)也起到了土體固結(jié)，控制過大沉降的作用。3）優(yōu)化導(dǎo)洞群的開挖順序基于理論分析、數(shù)值模擬和工程類比等方法，詳盡地進(jìn)行了多導(dǎo)洞開挖變形疊加效應(yīng)的分析，確定了各導(dǎo)洞開挖錯(cuò)距必須保證不小于15m，有條件時(shí)應(yīng)盡量加大左右兩側(cè)導(dǎo)洞的施工距離。工程實(shí)踐表明，該措施具有控制地表沉降累加的明顯效果。4）單一導(dǎo)洞的開挖參數(shù)優(yōu)化依據(jù)預(yù)測(cè)分析，同一導(dǎo)洞內(nèi)臺(tái)階長(zhǎng)度最佳宜控制在0.75倍跨度，最大控制在1倍跨度，核心土至少宜且保留為2m，并嚴(yán)格按照正臺(tái)階法環(huán)向開挖施工。5）超前小導(dǎo)管支護(hù)超前小導(dǎo)管采用32.53.5 mm熱軋鋼管加工而成，小導(dǎo)管前端加工成錐形，以便插打，并防止?jié){液前沖。小導(dǎo)管中間部位鉆8mm呈梅花形布置的溢漿孔，間距110mm，尾部1.0m范圍內(nèi)，為防止漏漿不鉆孔，末端焊6環(huán)形箍筋，以防打設(shè)小導(dǎo)管時(shí)端部開裂，影響注漿管聯(lián)接。外插角控制在10左右，風(fēng)鎬打入。因隧道拱部處于粉細(xì)砂中，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)，漿液材料選用改性水玻璃。注漿初壓0.3MPa，終壓0.5MPa。水玻璃漿液的配比：甲液：濃水玻璃:水1:3；乙液：濃硫酸:水1:3；改性水玻璃：甲:乙3:1；PH控制在2.53。6）優(yōu)化上導(dǎo)洞格柵布置針對(duì)導(dǎo)洞拱頂處于粉細(xì)砂中，原設(shè)計(jì)鋼格柵尺寸過大，工人架立困難，掌子面土體容易失穩(wěn)等問題，通過優(yōu)化，上導(dǎo)洞采用正臺(tái)階法開挖，側(cè)墻鋼格柵增設(shè)連接板，以降低開挖高度，從而提高了工效和施工安全性，確保了地表沉降的控制。7）增設(shè)注漿鎖腳錨管研究表明，注漿鎖腳錨管對(duì)控制初支結(jié)構(gòu)整體下沉起關(guān)鍵作用。為此在優(yōu)化上導(dǎo)洞格柵布置的同時(shí)，又在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增設(shè)了注漿鎖腳錨管（如圖所示），起到了較好的效果。圖5 鎖腳錨管布置示意圖8）掌子面注漿在地層復(fù)雜條件下，采用掌子面正面注漿措施可大大減少土體的水平和豎向位移。為此根據(jù)粉細(xì)砂層的特點(diǎn)，正面注漿采用PVC管預(yù)注改性水玻璃漿液，極大地改善了掌子面圍巖穩(wěn)定性，保證了核心土的留設(shè)，基本上杜絕了坍方，日進(jìn)尺由一天兩榀增加為三至四榀，大大提高了施工進(jìn)度。9）初支背后以及二襯壁后回填注漿基于分析，開挖面前方和后方0.5倍洞跨是沉降速率的最大發(fā)生范圍，因此及時(shí)進(jìn)行初支背后回填注漿是控制沉降的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外為即時(shí)控制沉降，還預(yù)埋了注漿管，依據(jù)監(jiān)