趙 偉
(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222)
隨著我國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn),城市地下空間建設(shè)向“人本、綠色、智慧、韌性、透明、法制”的全新建設(shè)理念轉(zhuǎn)變。在既有地下空間基礎(chǔ)上進(jìn)行更新改造,實(shí)現(xiàn)平面相連、上下互通的網(wǎng)絡(luò)化拓建,已成為城市地下空間開發(fā)利用的必然趨勢。地下工程密貼下穿既有地鐵站是以城市軌道交通站點(diǎn)為中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化拓建的重要方式之一,也是地下空間拓建施工中風(fēng)險(xiǎn)較高、技術(shù)難度較大的拓建方式。拓建施工改變了既有結(jié)構(gòu)的邊界約束狀態(tài),影響結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全;同時(shí),既有結(jié)構(gòu)影響地層應(yīng)力的分配和傳遞,反作用于拓建結(jié)構(gòu);拓建結(jié)構(gòu)、既有結(jié)構(gòu)和地層之間相互作用成為城市地下空間拓建施工的重要特征。
在下穿工程的實(shí)踐中,除了個(gè)別工程采用管幕結(jié)構(gòu)法[1]等新工法外,以小擴(kuò)大為特征的交叉中隔墻法(CRD)[2-3]和洞樁法(PBA)[4]是較常用的兩種工法。尤以洞樁法在大斷面隧道拓建中應(yīng)用廣泛。
Liu Jun[5]、王劍晨[6]等人通過對洞樁法施工過程的變形規(guī)律研究,提出由于群洞效應(yīng)的影響,導(dǎo)洞施工階段是沉降變形的主要階段,其次為扣拱階段和土體開挖階段;張振波等[7]研究了北京地鐵6號線西延工程蘋果園站8導(dǎo)洞洞樁法密貼下穿既有車站的變形特征,分析了提升注漿和絲杠支頂?shù)淖饔眯Ч?;張欽喜[8]、王有旗[9]等人研究了土層深孔注漿預(yù)加固在拓建工程密貼下穿中的應(yīng)用效果;牛曉凱[10]和趙江濤[11]等人以北京地鐵15號線奧林匹克公園站密貼下穿大屯路隧道為例,提出邊導(dǎo)洞先開挖的施工方案;孟令志[12]則通過試驗(yàn)分析、數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場監(jiān)測相互驗(yàn)證的方法,研究了“超前深孔注漿+6導(dǎo)洞PBA+邊樁頂升”的密貼下穿既有隧道施工方法。
本文采用結(jié)構(gòu)概念分析的方法,研究洞樁法密貼下穿既有地鐵車站的施工力學(xué)特征。
所謂結(jié)構(gòu)概念分析法是將復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)高度抽象化為簡單的力學(xué)模型,通過基礎(chǔ)性的力學(xué)分析來判斷結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)。其本質(zhì)是工程力學(xué)的深度應(yīng)用,是根據(jù)力學(xué)原理研究在外力和其他外界因素作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形,研究結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和動力反應(yīng)問題。巖土工程理論不像其他學(xué)科那么嚴(yán)密,它是一門實(shí)踐性和綜合性強(qiáng)、需采用概念分析理念的學(xué)科,將復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象隱藏起來,將其表述為簡單的基礎(chǔ)力學(xué)問題,這就很容易被工程師們理解并付諸應(yīng)用。下面以北京地鐵6號線洞樁法密貼下穿1號線蘋果園站工程為例,就網(wǎng)絡(luò)化拓建密貼下穿進(jìn)行力學(xué)概念分析。
如圖1所示,為北京地鐵6號線西延拓建現(xiàn)有北京地鐵1號線蘋果園站結(jié)構(gòu)分布圖,上部為既有地鐵1號線蘋果園站,下部為6號線拓建工程。拓建結(jié)構(gòu)下穿段全長52.4 m,為兩層三跨箱形框架結(jié)構(gòu),斜向70°角密貼下穿既有地鐵1號線蘋果園站主體結(jié)構(gòu)。拓建結(jié)構(gòu)下穿段上層為站廳層,下層為站臺層,頂板覆土(含既有1號線)約11.759 m,底板埋深約27.029 m。既有1號線蘋果園站建于20世紀(jì)60年代,為地下側(cè)式站臺,穿越段為單層四跨和五跨框架結(jié)構(gòu),層高6.8 m,明挖法施工,覆土約4.9 m。勘察資料表明,拓建結(jié)構(gòu)位于第四紀(jì)晚更新世沖洪積層(),為砂卵石地層,黏性土填充,局部含礫石;地下水位位于拓建車站底板以下10.4 m左右。該拓建工程下穿段采用洞樁法(8導(dǎo)洞)施工,導(dǎo)洞采用“先上后下、先邊后中、對稱開挖”的方法。
圖1 拓建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)分布
土層既是荷載又是結(jié)構(gòu),荷載在結(jié)構(gòu)中傳遞的幾何軌跡構(gòu)成“力流”,有方向和大小兩個(gè)特征。力流的方向有一個(gè)類似“水流”的自然特性,它總是按最短、最流暢的幾何路徑傳遞。區(qū)別在于,水流繞實(shí)體尋空間而流,而力流則繞空間尋實(shí)體而傳,且實(shí)體剛度越大,力流傳遞越強(qiáng)。下面基于結(jié)構(gòu)剛度理論研究洞樁法上導(dǎo)洞開挖過程中,拓建結(jié)構(gòu)平頂密貼既有車站結(jié)構(gòu)底板時(shí),控制豎向應(yīng)力分配方向和大小的方法。
如圖2所示,為洞樁法上導(dǎo)洞上覆荷載分布方式示意圖。假定既有結(jié)構(gòu)為剛性體,q為來自既有結(jié)構(gòu)的豎向壓力,K1表示導(dǎo)洞兩側(cè)土體對既有結(jié)構(gòu)底板的支撐剛度,K2表示導(dǎo)洞初期支護(hù)對底板的支撐剛度,K3表示導(dǎo)洞掌子面前方土體對底板的支撐剛度。B表示導(dǎo)洞開挖寬度,L表示導(dǎo)洞開挖循環(huán)進(jìn)尺(指封閉成環(huán)初期支護(hù)到掌子面的距離)。
圖2 導(dǎo)洞上覆荷載分布示意
導(dǎo)洞形成過程中,若將導(dǎo)洞初期支護(hù)作為主要豎向承載體(提高K2、K3),由于初期支護(hù)剛度形成需要時(shí)間,前方掌子面穩(wěn)定性要求上覆荷載不能太大,上覆荷載向?qū)Ф凑谱用媲昂蠓峙洳焕诳刂萍扔薪Y(jié)構(gòu)豎向變形。應(yīng)控制上覆荷載主要向?qū)Ф磧蓚?cè)傳遞(提高K1),可以充分利用砂卵石地層宜于注漿改良的特點(diǎn),超前加固導(dǎo)洞兩側(cè)土體,形成高強(qiáng)和高剛的受力傳力體(土柱),提高其對既有結(jié)構(gòu)的支撐剛度,以此控制導(dǎo)洞開挖中應(yīng)力流的分配路徑。
既有結(jié)構(gòu)的豎向位移主要是拓建土體開挖引起地層豎向壓縮變形,并由于不均勻沉降而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)傾斜或者沉降縫兩側(cè)差異沉降變形。既有結(jié)構(gòu)豎向沉降的力學(xué)轉(zhuǎn)換可分兩個(gè)主要階段:一是導(dǎo)洞形成過程中,導(dǎo)洞間土柱的壓縮變形;二是豎向承載結(jié)構(gòu)形成后,開挖導(dǎo)洞間土柱過程中,豎向承載體系穩(wěn)定性以及既有結(jié)構(gòu)與下穿承載體系間的密貼性引起的豎向變形。
當(dāng)拓建結(jié)構(gòu)樁和柱的豎向承載構(gòu)件形成后,由于樁、柱本身的結(jié)構(gòu)剛度大,隨著導(dǎo)洞間土柱的開挖,其力學(xué)分析重點(diǎn)是既有結(jié)構(gòu)底板荷載由絲杠傳遞至鋼管混凝土柱及邊樁,由于既有結(jié)構(gòu)和拓建結(jié)構(gòu)豎向傳力存在結(jié)構(gòu)上下的不連續(xù)和絲杠頂部工字鋼與結(jié)構(gòu)接觸面小的情況,混凝土板的抗剪切(沖切)及局部受壓、鋼管混凝土柱在兩層凈高下的穩(wěn)定性、鋼管混凝土柱安裝的垂直度以及邊樁在側(cè)壓力作用下的彎曲變形,是豎向變形控制應(yīng)重點(diǎn)考慮的力學(xué)問題。
對任何一項(xiàng)工程來說,其結(jié)構(gòu)所受的荷載可以分解為水平向和豎直向,與之對應(yīng),結(jié)構(gòu)承載體系可以劃分為水平抗力體系和豎向抗力體系。表1用結(jié)構(gòu)概念分析的圖示方法,研究洞樁法密貼下穿既有地鐵站施工過程中的力學(xué)轉(zhuǎn)換特征,表中給出了主要施工步序、各主要施工步序?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)概念分析圖,以及各階段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的力學(xué)問題,為類似工程的施工力學(xué)轉(zhuǎn)換分析和施工風(fēng)險(xiǎn)防控提供參考。
表1 洞樁法密貼下穿既有結(jié)構(gòu)施工階段概念分析
續(xù)表1
本文結(jié)合洞樁法密貼下穿既有地鐵站實(shí)例,闡述結(jié)構(gòu)概念分析法在城市地下工程更新改造網(wǎng)絡(luò)化拓建中的應(yīng)用,以期在地下工程網(wǎng)絡(luò)化安全拓建設(shè)計(jì)和施工時(shí)有一個(gè)比較清晰的力學(xué)轉(zhuǎn)換路徑。得出以下主要結(jié)論:
(1)洞樁法密貼下穿既有結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)轉(zhuǎn)換應(yīng)遵循“先替代、后轉(zhuǎn)換”的原則,通過剛度設(shè)計(jì)控制應(yīng)力重分布的方向和大小,達(dá)到控制變形的目的,同時(shí)滿足穩(wěn)定性和強(qiáng)度的力學(xué)要求。
(2)地下工程密貼下穿的施工風(fēng)險(xiǎn)主要發(fā)生在開挖和支護(hù)過程的力學(xué)轉(zhuǎn)換階段,將受到拓建施工影響范圍的土層簡化為梁、柱或桁架的結(jié)構(gòu)模型,運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念分析法對密貼下穿施工過程的力學(xué)轉(zhuǎn)換進(jìn)行定性分析研判,用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。
(3)地下工程的網(wǎng)絡(luò)化拓建存在新舊結(jié)構(gòu)的相互作用,力學(xué)關(guān)系復(fù)雜,既有地鐵站的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全,提高了對施工變形控制的要求,這些都需要通過力學(xué)分析加以保障,探尋其蘊(yùn)含的力學(xué)機(jī)制,找出施工階段受力的薄弱點(diǎn),作為施工方案選擇和風(fēng)險(xiǎn)識別、評估和控制的依據(jù)。