CRD+頂撐密貼下穿技術(shù)的地層適應(yīng)性

陶連金,黃凱平,邊　金,安軍海,劉春曉

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,北京 100124)

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CRD+頂撐密貼下穿技術(shù)的地層適應(yīng)性

陶連金,黃凱平,邊金,安軍海,劉春曉

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,北京 100124)

以北京地鐵10號線密貼下穿公主墳站1號線工程為背景,使用有限元方法模擬CRD+頂撐密貼穿越工法施工全過程,通過改變下穿段底板土層的參數(shù),研究該工法在典型地層中的適用性。通過研究發(fā)現(xiàn):中密-密實的砂卵石地層、密實的粉土和砂性土以及硬塑的黏土地層,既有線的沉降發(fā)展緩慢且最終變形可以控制在3 mm以內(nèi);粉土地層對既有線的影響范圍最大,黏土和砂性土次之,砂卵石地層最小。當(dāng)新建地下結(jié)構(gòu)地基為密實或中密的砂卵石、密實的砂土和粉土或硬塑和堅硬黏土?xí)r,CRD+頂撐工法沉降控制合理;而稍密的砂卵石和中密的砂性土通過地基加固后能較好地控制沉降;但是在松散的砂性土及承載力小的黏性土中,頂撐力施加會引起較大的沉降,不推薦在這類地層中應(yīng)用。

CRD;密貼穿越施工;頂撐技術(shù);沉降控制

0　引　言

隨著國內(nèi)軌道交通的大規(guī)模建設(shè),新建地鐵線與既有線之間相互交叉、并行、連接、共建等情況日益增多[1-3]。北京地鐵10號線公主墳站密貼下穿既有1號線公主墳站,應(yīng)用“CRD+多重預(yù)頂撐”暗挖施工工藝,使得既有站的結(jié)構(gòu)的變形值成功控制在3 mm以內(nèi)。對此工法的諸多系統(tǒng)研究對于保證北京地區(qū)地下密貼穿越工程的安全、經(jīng)濟(jì)、高效,具有重要的工程意義和價值[4-5]。陶連金等[6]研究了CRD+頂撐技術(shù)在密貼暗挖工程中的施工工藝,為該工法的推廣提供了技術(shù)支撐;吳海洋等[7-8]以北京地鐵10號線下穿1號線公主墳站為研究對象,研究下穿施工對既有車站結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律以及沉降控制措施。由于新建10號線公主墳站的地基為承載力較高的強(qiáng)風(fēng)化礫巖和卵石層,所以,CRD+頂撐技術(shù)可將既有線沉降控制在3 mm內(nèi)。在北京地區(qū),該工法對其他地基土層的適用性尚待研究。

筆者以新建地鐵10號線公主墳站下穿1號線公主墳站工程為背景,采用有限元方法精細(xì)模擬了新建車站持力層為砂卵石、黏土、砂土、粉土?xí)r的下穿施工過程,分析不同地層下既有線結(jié)構(gòu)底板的變形規(guī)律,研究該工法在不同新建地下結(jié)構(gòu)持力層條件下的適用性。

1　工程概況與施工工法

北京地鐵10號線公主墳車站下穿1號線車站采用CRD+平頂直墻+千斤頂工法施工,新建的10號線在下,南北向開挖;1號線在上,東西向分布。下穿段26.1 m,新建結(jié)構(gòu)凈寬11.75 m,高6.32 m,為單層雙跨平頂直墻矩形結(jié)構(gòu)。新建線采取零距離密貼下穿既有站,新建線兩個分離式斷面間距49.2 m,既有站全長169.69 m,寬20.3 m,高7.95 m。地鐵運(yùn)營公司提出的下穿施工時既有站結(jié)構(gòu)的絕對變形值小于3 mm的控制對密貼穿越工程提出了巨大的挑戰(zhàn)[9-10]。既有站與新建線的關(guān)系見圖1。

CRD暗挖工法是在進(jìn)行土體開挖時,盡早形成豎向傳力體系,以保證土體穩(wěn)定并盡可能的控制其沉降。施工中,一般先將整個洞室分為若干分塊,每個分塊開挖及初襯完成后,盡早在該洞室內(nèi)完成結(jié)構(gòu)二襯的施作,然后逐步分塊完成整個洞室的開挖及襯砌施作?！岸嘀仡A(yù)頂撐”工藝為在開挖及砌筑過程中,根據(jù)實際需要,設(shè)置不同量值的頂升設(shè)備,并根據(jù)施工時序?qū)ζ溥M(jìn)行連續(xù)操作,用以減少洞室上部環(huán)境沉降變形的技術(shù)措施。因頂升設(shè)備在整個施工過程中,經(jīng)歷了與工法在橫向、縱向及時序上三維度結(jié)合,故稱其為“多重”。在頂撐力的作用過程中,對既有結(jié)構(gòu)的變位、頂撐力的變化、格柵軸力變化、基底沉降變化都采用動態(tài)實時監(jiān)測手段,對各環(huán)境變化參數(shù)及時收集、整理,把信息流轉(zhuǎn)化成應(yīng)變指令,對頂撐系統(tǒng)實時調(diào)整,位移控制效果明顯[9]。其主要施工步序如圖2所示。

圖1　新建站與既有站位置關(guān)系

圖2　主要施工步序

2　北京地區(qū)典型地層分析

北京地區(qū)的西部位于各大河流沖洪積扇上部，以厚層砂土和卵、礫石地層為主;向東至城市中心區(qū)大部分范圍內(nèi),地層過渡為黏性土、粉土與砂土、卵礫石互層。由《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范》可知,一般,砂卵石、砂土、粉土、黏土分別采用重型圓錐動力觸探錘擊數(shù)N63.5、標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N、孔隙比e、液性指數(shù)分類。在統(tǒng)計分析了北京地區(qū)地鐵車站勘察報告中地層物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上,選取表1中的地層條件進(jìn)行分析。由于軟塑和流塑狀態(tài)的黏土以及松散的砂卵石和砂性土的承載力極低,該工法無法使用,因此不予考慮。

表1地層主要參數(shù)

Table 1Main parameter of soils

3　計算模型

由于新建地下結(jié)構(gòu)地基持力層對CRD+頂撐工法的適用性影響最大,因此計算時其他條件不變,只按照表1改變新建線地基持力層的參數(shù)。由于新建下穿車站兩部分的距離很遠(yuǎn),相互影響小,故可取1/4部分模擬,如圖3所示。模型尺寸為100 m×35 m×50 m。既有站與新建成線結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系見圖4。土體、既有站結(jié)構(gòu)采用實體單元模擬,新建車站結(jié)構(gòu)采用板單元模擬,頂撐力用集中荷載模擬。土層視為理想彈塑性材料,采用M-C破壞準(zhǔn)則;新建線底板土層參數(shù)如表1,土層參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)選取參照參考文獻(xiàn)[5]。

圖3　計算模型

圖4　既有站與新建線結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系

4　數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1不同地基持力層條件下既有結(jié)構(gòu)變形最大值發(fā)展規(guī)律

圖5為既有線沉降值曲線,其中,smax為既有線沉降最大值,N為施工步數(shù)。由圖5a、5b所示,從第12步到32步,由于頂撐力的開始施加和不斷調(diào)整,各個工況下既有線底板沉降曲線下降平緩,僅有少量的沉降,說明砂卵石地層和砂性土層中頂撐力能較好地控制既有線的變形。頂力卸除前,沉降發(fā)展緩慢。

由圖5c、5d可以看出,黏性土層的沉降曲線則表現(xiàn)出一定的差異性。工況9所對應(yīng)的可塑黏土和工況13所對應(yīng)的稍密粉土,其沉降曲線比較陡立,基本沒有出現(xiàn)較為平緩的階段,施工過程中沉降發(fā)展迅速,體現(xiàn)出頂撐控制作用不明顯的特點(diǎn)。而對于硬塑到堅硬狀態(tài)下的黏土和密實的砂土,其施工過程中的沉降發(fā)展規(guī)律與砂卵石砂性土工況類似。

圖5　既有線最大沉降值曲線

4.2頂撐力卸除后沉降最大值變化規(guī)律

不同工況下既有線沉降最大值(smax)見圖6。 由圖6可知,隨著粗粒土、粉土由稍密逐漸變成密實的狀態(tài),黏土由可塑變成堅硬狀態(tài),頂力卸除后,此工法施工所引起的既有線底板沉降最大值逐漸減小。

北京地區(qū)處于中密或者密實狀態(tài)下的砂卵石地層,最終的沉降值基本都能控制在3 mm以內(nèi),這主要是因為其強(qiáng)度高,壓縮性低,有較好的力學(xué)性能;而稍密砂卵石地層沉降稍大,在采取注漿加固、夯實等地基加固方法,提高承載力后,可以考慮使用該工法。但是,砂卵石地層滲透性較大,降水時容易帶走其黏粒,且注漿效果不好,在實際工程中也要特別注意。

圖6　不同工況下既有線沉降最大值

北京地區(qū)處于中密至密實狀態(tài)的砂土,既有線底板的沉降控制在3 mm左右,一般來說,中密至密實的砂性土抗剪強(qiáng)度大,承載力強(qiáng),能作為良好的基底;而對于松砂和一些孔隙中含有較多黏粒的稍密的砂土而言,孔隙多,結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,強(qiáng)度較低,在荷載下,容易產(chǎn)生較大的沉降,故不推薦適應(yīng)此法。

黏性土層隨著土的工程性質(zhì)的不同,變形發(fā)展表現(xiàn)為較大的差異性。黏土處于硬塑和堅硬狀態(tài)下,其黏聚力較大,抗剪強(qiáng)度較高,承載力較大,可以達(dá)到既有線沉降小于3 mm的沉降控制值;對于中、高壓縮性的黏土和粉土,其引起的既有線底板沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3 mm的控制值,此法不推薦在此類土層中使用。

4.3不同地層不同工況沉降槽

下面選取四個滿足既有線沉降控制值的典型地層工況,在卸除頂力后,對沿既有線方向的沉降槽曲線進(jìn)行分析。圖7為不同地層沉降槽曲線。其中l(wèi)1為沿x軸方向的距離,s1為既有線底板沉降值。

圖7　不同地層沉降槽曲線

由圖7可知,不同地層下既有線底板的沉降曲線一定程度上反映出Peck理論所描述的似正態(tài)分布的曲線分布。下穿段底板下臥密實砂卵石地層時,其對既有線的影響范圍是最小的,為沿x軸方向距離50～85 m處。密實砂性土層和堅硬黏土土層的影響范圍相差不大,為沿x軸方向距離45～90 m處。而密實的粉土層對既有線的影響范圍最大,為沿x軸方向距離20～95 m處。

5　結(jié)　論

使用Midas軟件對不同新建地下結(jié)構(gòu)持力層下CRD+頂撐工法密貼穿越施工全過程進(jìn)行模擬,研究此工法對不同持力層的適用性,得出以下結(jié)論:

(1)在砂卵石地層和砂性地層等承載力較高的地層中,該施工方法能較好地控制既有線的沉降;新建地下結(jié)構(gòu)持力層為中高縮性土?xí)r,沉降發(fā)展快,頂撐力控制作用不明顯。

(2)當(dāng)新建地下結(jié)構(gòu)持力層為中密到密實的砂卵石和砂土、密實粉土、硬塑到堅硬的黏土地層時,能將既有線底板的沉降控制在3 mm以內(nèi)。

(3)較為松散的砂卵石和砂性土,稍密的粉土以及某些可塑的黏土地層,沉降值難以控制在3 mm以內(nèi),因此不推薦該工法在此類軟弱地層中使用。

[1]王占生,張頂立.淺埋暗挖隧道近距下穿既有地鐵的關(guān)鍵技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007(S2):4208-4214.

[2]孔祥鵬,劉國彬,廖少明.明珠線二期上海體育館地鐵車站穿越施工對地鐵一號線車站的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004(5):821-825.

[3]姚海波.大斷面隧道淺埋暗挖法下穿既有地鐵構(gòu)筑物施工技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2005.

[4]陶連金,安軍海,邊金,等.密貼下穿地下工程施工新工藝“CRD+多重預(yù)頂撐”研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015(1):97-103.

[5]李積棟,陶連金,汪國峰,等.變位分配原理在地鐵密貼穿越工程中的應(yīng)用[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2013(4):68-75.

[6]陶連金,李積棟,汪國峰,等.CRD+頂撐控制技術(shù)在密貼下穿工程中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報,2013(7):74-79.

[7]吳海洋.北京地鐵新線車站穿越既有地鐵車站影響及安全控制措施研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[8]許奎.新建地鐵隧道密貼下穿既有地鐵車站風(fēng)險控制研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[9]北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司.公主墳站下穿既有線站設(shè)計方案匯報[R].北京:北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司,2011:6-8.

[10]北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司.公主墳站第三方監(jiān)測總結(jié)報告[R].北京:北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,2012.

(編輯徐巖)

Strata feasibility study on CRD+top-bracing close-attached under-crossing technology

TAO Lianjin,HUANG Kaiping,BIAN Jin,AN Junhai,LIU Chunxiao

(College of Architecture &Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

This paper is aimed at exploring the feasible application of CRD+top-bracing under-crossing technology in the typical strata.The specific exploration is accomplished by using data gleamed from the viable application of close-attached and down-traversing construction technology to the existing station of line 1 of Gongzhufen station of Beijing subway line 10,utilizing the finite element strategy to simulate the whole construction process of CRD+top-bracing under-crossing technology,and changing the parameters of the line’s down-traversing bottom strata.The results demonstrate that existing lines tend to experience a slower settlement and a final deformation likely to be kept within 3 mm,as in the case of medium dense or dense sandy gravel strata,dense silt,sandy soil and hard plastic clay strata;existing lines are subjected to varying influence ranges from silt found to have the largest influence range through the clay and sandy soil to the sandy gravel with the minimum one;it follows that CRD+top-bracing technology is capable of feasible sediment control,as occurs when the foundation of new underground construction is constructed of medium dense or dense sandy gravel,dense silt,sandy soil and hard plastic clay;the technology,combined with foundation reinforcement,enables a better settlement control in slightly dense sandy gravel and medium dense sandy soil;and the technology is not recommended for use in the loose sandy soil and cohesive soil with minor bearing capacity,more liable to a comparatively large sediment.

CRD;close-attached crossing construction;top-bracing technology;settlement control

2015-02-30

國家自然科學(xué)基金項目(41272337);北京市博士后工作經(jīng)費(fèi)資助項目(2013zz-01)

陶連金(1964-),男,黑龍江省雞西人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向:巖土工程與地下工程,E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.02.014

U231.3;TU94

2095-7262(2015)02-0182-05

A