陶連金，安軍海，邊 金，李積棟，黃凱平

(北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

密貼下穿地下工程施工新工藝“CRD+多重預頂撐”研究

陶連金?，安軍海，邊 金，李積棟，黃凱平

(北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

基于北京地鐵10號線公主墳站密貼下穿1號線公主墳站的工程背景，參照其采用“CRD+多重預頂撐工藝”的真實施工步序，運用有限差分軟件FLAC3D建立了三維精細化數(shù)值計算模型，研究了新建站的施工過程中土體塑性區(qū)的變化及既有站的變形規(guī)律.結果表明,采用“CRD+多重預頂撐”工藝進行密貼下穿施工可有效控制既有結構的變形，滿足其沉降控制要求，對比模擬與實測的變形分布曲線，二者吻合較好.施工完成后，既有結構縱斷面呈雙凹槽式變形，橫向為“V”字形沉降，與Peck曲線相似，且底板沉降值較頂板的略大.千斤頂卸除時可能造成結構局部較大變形或開裂，應分級釋放其軸力.開挖過程中，土體主要發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)在四個角點區(qū)域向外延伸成蝴蝶形.提出“同步頂升，伺服控制”的施工理念，以實現(xiàn)對既有結構沉降變形的主動控制.

交叉中隔壁(CRD)法；預頂撐系統(tǒng)；正交下穿；沉降分析；變形控制

城市軌道交通的快速發(fā)展，使得更多的新建線路不可避免地穿越已建線路，致使地下空間組合結構愈來愈普遍，已成為引領未來地鐵發(fā)展的一種趨勢[1-4].對于多線交叉的地鐵換乘站，為達到線路之間快捷換乘的目的，要求新建車站與既有站之間的豎向間距盡量縮小，于是，新建結構密貼下穿既有地下結構逐漸成為建設單位優(yōu)先考慮的結構形式[5-6].然而，運營單位明確提出，在新建地鐵工程下穿既有線路時，新建線的施工引起既有結構的沉降變形指標不得超過3 mm，局部地區(qū)甚至要求零沉降[7],這給建設單位進行近距離穿越工程的施工帶來很大挑戰(zhàn).目前，學術界對新建線穿越既有結構物的變形施工控制進行了一些研究，但對新建地鐵車站零距離下穿既有車站的技術研究仍鮮有報道[8-10].因此，提出一種嚴格滿足沉降要求的地下結構密貼下穿既有線施工工藝具有重大的現(xiàn)實意義和應用價值.

北京地鐵10號線公主墳站密貼下穿既有1號線公主墳站，首次提出并創(chuàng)造性地應用了“CRD+多重預頂撐”暗挖施工工藝，使得既有站的沉降值成功限制在3 mm以內(nèi).本文以該工程為研究對象，基于有限差分軟件FLAC3D對其施工過程進行精細化數(shù)值模擬，再現(xiàn)既有結構的變形過程，以期獲得應用CRD+多重預頂撐工法的理論依據(jù)，為該工法的推廣和應用提供有價值的參考.

1 工程背景

新建的北京地鐵10號線二期公主墳車站位于復興路與西三環(huán)中路交匯的新興橋橋區(qū)綠地內(nèi)，呈南北向布置，車站從下部穿越既有地鐵1號線公主墳站并與其呈十字交叉換乘，采用“分離島”站臺形式.1號線公主墳站為端頭廳式車站，車站覆土4.51 m，底板埋深12.46 m，采用鋼筋混凝土矩形框架結構，車站結構長169.69 m，寬20.3 m，高7.95 m；10號線公主墳站全長193.65 m，為兩端雙層、中間單層車站，其單層段密貼下穿既有1號線公主墳站.密貼下穿段長26.1 m，頂板覆土約12.5 m，為單層雙跨平頂直墻矩形結構，采用“CRD+多重預頂撐”工藝對該單層段進行暗挖施工.

新建10號線公主墳站單層段下穿施工影響范圍內(nèi)存在既有1號線車站的4條變形縫，左線左側距變形縫1.271 m，右側距變形縫11.659 m；右線左側距變形縫10.521 m，右側距變形縫2.409 m.地鐵10號線公主墳站與1號線公主墳站的相對位置關系如圖1所示.

(a)新建站與既有站位置關系橫斷面圖

(b)新建站與既有站位置關系縱斷面圖

2 “CRD+多重預頂撐”工法簡介

CRD暗挖工法是在進行土體開挖時，先將整個洞室分為若干垂向分塊，每個分塊開挖及初襯完成后，盡早在該洞室內(nèi)完成結構二襯的施作，進而形成豎向傳力體系，以保證土體穩(wěn)定并減少沉降，然后逐步分塊完成整個洞室的開挖及襯砌施作.“多重預頂撐”工藝為在開挖及砌筑過程中，根據(jù)實際需要，設置不同量值的頂升設備，并根據(jù)施工時序對其進行連續(xù)操作，用以減少洞室上部環(huán)境沉降變形的技術措施.因頂升設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合，故稱其為“多重”.采用“CRD+多重預頂撐”工法進行施工時應嚴格遵循“快封閉，早加頂；密監(jiān)測，勤調整；不卸力，重轉換；慎拆頂，高注漿”的二十四字方針，確保既有線結構的安全.其主要施工步序如圖2所示.

圖2 主要施工步序圖

3 數(shù)值仿真分析

3.1 計算模型

基于有限差分軟件FLAC3D計算平臺，建立土-結構相互作用的數(shù)值模型.土體及公主墳車站結構均采用實體單元模擬；場地土層采用Mohr-Coulomb破壞準則，混凝土結構材料選為彈性本構模型，變形縫選取無厚度接觸面單元模擬，接觸面模型采用庫倫剪切模型，通過指派NULL模型來實現(xiàn)土體的開挖，選取不同材料參數(shù)模擬超前注漿和預加固措施，采用beam單元模擬鋼支撐初期支護，地面車輛荷載按20 kPa的均布荷載施加在模型上表面.模型頂部取為自由邊界，對底部進行法向和切向約束，其他4個側面均為法向約束.建立的土-地下結構相互作用的數(shù)值分析模型見圖3，沿既有站結構縱、橫斷面布置的監(jiān)測面如圖4所示.

圖3 數(shù)值計算模型圖

圖4 既有站監(jiān)測面布置

3.2 材料參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報告，將一定深度范圍內(nèi)土層性質及物理力學參數(shù)相似的巖土體進行合并，建筑場地自上而下土層名稱及其物理特性指標如表1所示.既有及新建地鐵車站結構的計算參數(shù)如表2所示.

表1 場區(qū)地層參數(shù)

表2 結構計算參數(shù)

3.3 設計方案的確定

參照以往近距離穿越工程案例，結合本工程實際情況，設計了3種支護方式計算工況.工況1：全斷面注漿.工況2：PBA洞樁式+局部注漿.工況3：“CRD+多重預頂撐”工藝.將工況1和工況2分別應用于10號線公主墳站密貼下穿1號線公主墳站的施工過程進行數(shù)值模擬，得到既有結構的沉降值隨施工步序的變化曲線如圖5所示.

施工步序

從圖5可以看出，采用全斷面注漿工法施工時，既有結構的最終沉降值達到18.21 mm，而應用PBA洞樁式+局部注漿工藝進行施工模擬，既有車站的沉降值有了大幅度的減少，最大沉降量為5.38 mm，但仍不能滿足運營單位3 mm的沉降要求.于是，在比較設計方案的基礎上，采用“CRD+多重預頂撐”的施工工藝并對其施工過程進行了數(shù)值模擬分析.

4 “CRD+預頂撐”工藝應用分析

應用“CRD+多重預頂撐”工藝的最大優(yōu)勢在于，其能夠實現(xiàn)在新建結構密貼下穿既有結構的情況下，仍能有效控制既有結構的沉降及不均勻變形；其施工最大的難度在于如何控制卸除千斤頂平臺系統(tǒng)時所引發(fā)的既有結構的瞬時沉降.下面從既有結構的累計沉降、千斤頂卸除時引起的瞬時沉降、變形縫的差異變形及開挖導致的塑性區(qū)變化等方面進行分析.

4.1 既有結構沉降分析

定義既有地鐵車站頂、底板的中心線為坐標原點，結構沿縱、橫向長度為橫坐標軸，監(jiān)測點的沉降值為縱坐標軸.圖6給出了1號線公主墳站頂、底板監(jiān)測點沿結構縱、橫斷面的沉降變化曲線.

距中心線距離/m(a)縱斷面

距中心線距離/m(b)橫斷面

由圖6可知，1)新建10號線公主墳站下穿既有1號線公主墳站結構底板中心部位的沉降值最大，為2.98 mm，說明采用“CRD+多重預頂撐”工藝可有效控制既有結構的豎向變形，滿足既有線不超過3 mm的沉降控制標準.2)結構頂、底板的沉降曲線變化幾乎保持一致，而底板沉降值較頂板的稍大，這是因為開挖引起地應力的釋放造成了力的平衡被破壞，而這種失衡對既有站的底板率先造成了最直接影響的結果.3)圖6(a)中既有地鐵車站結構的頂板和底板沿縱向均出現(xiàn)了雙凹槽式的沉降，左半部分最大沉降值較右半部分稍大，這是因變形縫附近結構的整體性較差，而10號線公主墳站左線與臨近變形縫的距離比右線更近之故.4)圖6(b)中，隨著新建結構從南北相向開挖的施工過程，既有車站沉降最大值也從兩邊逐步轉移至中間，最終形成“V”字形沉降槽，與peck曲線相似，為正態(tài)分布型，且豎向變形的最大值之間的差距有增大的趨勢，說明隨著開挖的進行，既有站的不均勻沉降有所增加.

4.2 千斤頂卸除瞬時沉降分析

在預頂力施加前，所有的沉降控制只能依靠傳統(tǒng)的工程措施，效果不直接，要盡早完成初襯封閉，盡快施加預頂撐力，才能變被動為主動，更好地控制上部結構的沉降.然而，千斤頂頂撐卸除時，既有結構會瞬間產(chǎn)生較大的沉降，可能產(chǎn)生不利影響，應對其予以分析并嚴格控制.圖7給出了千斤頂加、卸力過程中既有結構的沉降變化曲線.

施工步序

由圖7可知，數(shù)值模擬的既有結構沉降計算值開始由初始值(土體擾動引起)快速增加，到一定值后一段時間內(nèi)幾乎保持不變，之后迅速下降.沉降維持在一恒定值附近變化的過程正是不斷調整千斤頂頂力大小的過程，體現(xiàn)了千斤頂在主動控制沉降方面的有效性，而當千斤頂頂力卸除后，既有車站的沉降值由1.25 mm迅速增加到2.98 mm，沉降增加量為1.73 mm，成為既有結構沉降最主要的貢獻部分，急劇的豎向變形于結構安全不利，可能會造成應力一定程度的增加，且頂撐力的瞬間卸除或許還會導致結構局部的變形、開裂.因此，在千斤頂加力之前，應注意兩個問題：既有結構底板的局部抗壓和頂撐力的基底承載力，施工中應根據(jù)監(jiān)測反饋及時增加必要的構造措施及其他調整措施，防止造成既有結構的局部破損及因基底承載力破壞帶來的不利影響.另外，要謹慎處置頂撐系統(tǒng)，頂撐支點原則上直接澆筑在結構中不再拆除，對由于工序要求必須拆除的支點，遵守“不卸力，重轉換”的原則.

4.3 變形縫差異沉降分析

在地鐵下穿既有線施工中，結構在變形縫處往往會產(chǎn)生較大的差異沉降，致使道床和軌道發(fā)生明顯的變位而影響列車的正常運行，因而變形縫處既有結構的差異變形控制非常嚴格，要求不得超過2 mm.圖8給出了1號線公主墳站變形縫兩側的當前沉降值及下穿施工完成后的數(shù)值模擬沉降結果.

沉降縫編號

由圖8可知，未開挖時既有結構4條變形縫兩側的差異變形很小，且彼此之間的不均勻沉降也不明顯；施工完成后，變形縫處的差異沉降有所增加，但其最大值仍不足1 mm，可完全滿足運營單位的要求，說明千斤頂預頂撐工藝在主動控制變形縫差異沉降方面效果明顯.

4.4 土體塑性區(qū)變化分析

對周圍土體而言，施工中往往會受到橫向效應、縱向效應及加卸載效應等因素的影響，引起圍巖應力狀態(tài)多次重分布，從而引發(fā)地層和結構的沉降與變形.

塑性區(qū)準則是對近接施工影響度判別的一個很重要的準則.近接施工引起周邊應力重分布后，若地層仍處于彈性狀態(tài)，說明圍巖強度仍有潛力，對既有結構引起的受力變化不大，只有出現(xiàn)塑性區(qū)且與既有側連通時，才會引起對既有結構物的較大影響.限于篇幅，僅給出施工完成時的土體橫、縱斷面塑性區(qū)的分布圖，如圖9所示.在理想情況下，土中的塑性區(qū)形狀與開挖形狀基本一致，且呈軸對稱狀.當開挖形狀為圓形時，塑性區(qū)的形狀為圓環(huán)形；開挖形狀為矩形時，塑性區(qū)在四個角點區(qū)域會向外延伸，像蝴蝶形，而在實際工程中，塑性區(qū)的形狀會有很大變化.在本工程施工過程中，臨近開挖部分的土體卸載最多，也最可能出現(xiàn)塑性區(qū)，見圖9.從圖9可以看出，開挖部分上部的土體塑性區(qū)范圍很大，厚度約為12.5 m；底部較小.在頂部區(qū)域，土體因自重作用而產(chǎn)生向下的位移趨勢，周圍土體對其的挾制作用減小，帶動更大范圍內(nèi)的土體向下位移，使其應力減小；而在底部區(qū)域，土體自重由其下部土體承擔，這種挾制作用基本未減弱，僅因表層土體應力釋放而產(chǎn)生很薄的塑性區(qū).

圖9 土體塑性區(qū)變化縱、橫斷面圖

5 計算值與實測值對比分析

為驗證數(shù)值模擬結果的準確性并及時掌握既有地鐵線結構的變形狀況，給今后的同類工程設計提供類比依據(jù)，對既有地鐵1號線公主墳站的變形情況進行了動態(tài)的自動化遠程監(jiān)測和靜態(tài)的人工監(jiān)測.圖7及圖10分別給出了既有車站結構典型監(jiān)測點的實測值與數(shù)值模擬的計算值的變形曲線，由此可以發(fā)現(xiàn)：既有站沿縱斷面監(jiān)測點實測值與計算值的最終變形規(guī)律(圖10)及其隨施工步序變化的累計沉降規(guī)律(圖7)均大體上保持一致，滿足3 mm的沉降控制指標，而實測值稍大，究其緣故，主要是由于在實際施工中，結構受到地面移動荷載及施工中出現(xiàn)的各種不確定性因素的影響造成的，二者之間的微小偏差在可預見的范圍內(nèi).因此，對采用“CRD+多重預頂撐工藝”的密貼下穿地鐵車站工程進行數(shù)值模擬可較為準確地預測結構的變形規(guī)律和變形值，其對施工具有參考指導意義，是切實可行的.

距中心線距離/ m

6 既有結構變形控制體系

為了有效控制既有結構的沉降，結合數(shù)值仿真分析的結果及實際的施工過程，提出了適用于“CRD+多重預頂撐”工法的變形控制體系，如圖11所示.

圖11 施工過程變形控制體系

該體系包括土體開挖控制沉降措施、初支結構施工控制沉降措施、二襯施工控制措施及貫穿全過程的監(jiān)測體系，其中以如何基于實時監(jiān)測所反饋的數(shù)據(jù)合理控制千斤頂頂升平臺控制系統(tǒng)是整個控制體系最重要的部分.對此，提出了應用于地鐵穿越工程中“同步頂升，伺服控制”的施工理念[11]，以形成對既有線結構沉降的主動控制.“同步頂升，伺服控制”的核心理念為基于現(xiàn)場總線技術，對位移傳感器、液壓設備進行網(wǎng)絡監(jiān)控，將各支撐點采集的變形數(shù)據(jù)反饋到計算機控制臺，由控制臺根據(jù)提前設定的變形要求自動控制千斤頂同步頂升，形成多點同步協(xié)調控制體系.

7 結 論

以北京地鐵10號線公主墳站下穿既有1號線公主墳站為工程背景，運用FLAC3D有限差分軟件對其施工過程進行精細化的數(shù)值模擬分析，并將計算值與實測值進行對比，得到如下主要結論：

1)采用“CRD+多重預頂撐”工藝進行地鐵密貼下穿施工可有效控制既有結構豎向變形和沉降縫兩側結構的差異沉降，滿足既有結構的沉降控制指標.

2)既有結構縱斷面呈雙凹槽式變形，橫向為“V”字形沉降，與Peck曲線相似，呈正態(tài)分布型，且底板沉降值較頂板的大.

3)千斤頂卸除時引起既有結構的瞬時沉降可能造成結構局部較大變形或開裂，應確保千斤頂分段拆除，分級釋放其軸力.

4)開挖過程中，土體主要發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)在四個角點區(qū)域向外延伸成蝴蝶形，開挖部分上部的土體塑性區(qū)范圍大，底部塑性區(qū)范圍較小.

5)提出“同步頂升，伺服控制”的施工理念，實現(xiàn)對既有結構沉降變形的主動控制.

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Study on a New Technology of “CRD + Multiple Top Bracing” Applied in Closely-attached Intersecting Underground Structures

TAO Lian-jin?, AN Jun-hai, BIAN Jin, LI Ji-dong, HUANG Kai-ping

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing Univ of Technology, Beijing 100124,China)

Based on the Gongzhufen Station of Beijing Subway Line 10 closely-attached intersecting the existing Gongzhufen Station of Line 1, which has applied the technology of “center cross diagram(CRD) method + multiple top bracing”, the finite difference procedure FLAC3D was used to establish a 3D numerical calculation model. The change of soil plastic zones and deformation law of existing subway station in the construction process of the new station were studied. The results have shown that carrying on the closely-attached intersecting construction using “center cross diagram (CRD) method + multiple top bracing techniques” can effectively control the structure deformation and meet the requirements of settlement limiting value. By comparing the simulated deformation curves and the measurements, a good agreement was obtained. Once the construction is completed, the profile of the existing structure presents double-groove shape deformation while the lateral shows “V” glyph settling tank, which is similar to Peck curve, and the sedimentation value of the bottom plate is slightly larger than that of the top plate. Jacks unloading may cause large deformation or even cracking on the structures' local parts, so the axial force should be graded to release. During the process of excavation, the soil mainly experiences a shear failure and the plastic zones tend to extend outward into a butterfly shape in the four corner area. In order to realize the active control of the settlement deformation of existing structures, the construction idea of “synchro jacking-up, servo control” was put forward.

center cross diagram(CRD) method; bracing systems; undercrossing construction; sedimentation analysis; deformation control

1674-2974(2015)01-0097-07

2014-03-05

國家自然科學基金資助項目(51038009), National Natural Science Foundation of China(51038009);北京市教育委員會科技計劃重點資助項目(KZ200910005009)

陶連金(1964-)，男，黑龍江雞西人，北京工業(yè)大學教授，博士生導師?通訊聯(lián)系人，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn

U231; TU94

A