砂卵石地层中盾构区间过桥区段方案优化
摘 要:为控制地面建筑物的倾斜及沉降,结合北京地铁某盾构区间隧道与桥桩的相互关系、砂卵石地层的特点等,提出砂卵石地层盾构隧道下穿立交桥桩基的设计方案,并经理论分析,对该区间下穿桥桩的方案进行了优化,鉴于达—广区间尚未施工,优化方案及措施有待验证。
关键词:地铁;盾构隧道;立交桥;砂卵石地层
0 引言
目前,盾构施工技术已广泛应用于地下铁道、公路隧道、雨污水隧道等城市基础设施建设,盾构施工不可避免地会遇到各类建筑物和构筑物。城市地铁隧道在建、构筑物下穿越时,会对既有建、构筑物产生一定影响,尤其是在敏感的砂卵石地层。能否合理控制地面建筑物的倾斜及沉降至关重要,甚至成为确定方案的控制因素,从而决定线路的走向。盾构成功下穿建、构筑物的成功例子很多,具体的处理措施应根据隧道与桩体的位置关系而定。当盾构隧道与桥桩相交时采用托换技术保证隧道顺利通过,如广州地铁5号线动物园站—杨箕站盾构区间[1]。当盾构隧道与桥桩邻近时通过采取控制盾构掘进参数、地表加固的方法。当隧道穿越某些比较重要和敏感的立交桥时也可采用隔断法保证隧道顺利通过,如北京地铁8号线国—双区间穿越国贸桥群桩、深圳地铁4号线二期工程下穿梅观立交桥群[2]。当隧道位于桥桩正下方时,根据承载力大小、基础与隧道之间的距离,一般通过地面注浆对桩基础进行加固形成抬升,再通过加强监测,根据监测数据及时进行跟踪注浆保证立交桥的安全,如沈阳地铁2号线工业展览馆站—文体路站盾构区间下穿立交桥桩基。在砂卵石地层中,成都地铁盾构区间成功下穿4层砖混结构[3],北京市凉水河南岸污水干线工程盾构隧道成功下穿运营中的铁路[4]。文献[5-7]对在砂卵石地层中盾构施工遇到的问题及盾构机选型、施工中采取的措施进行了探讨,文献[8-9]针对砂卵石地层盾构施工如何进行渣土改良及采用耐磨刀具等进行具体分析。达—广区间采用土压平衡盾构在全断面砂卵石地层中开挖隧道并下穿立交桥桩基,国内外尚不多见。北京地铁7号线达官营站—广安门内站区间盾构隧道下穿广安门立交桥桩基的方案设计,借鉴了以前的工程经验,对砂卵石地层盾构隧道下穿立交桥桩基的可行性进行分析,并对设计方案进行优化。
1 工程概况
北京地铁7号线达官营站—广安门内站区间(以下简称达—广区间),自西向东下穿两广路。区间起迄里程为K2+617. 946~K3+887. 000,全长1 269. 054 m) (双线),盾构法施工。在K2+950处设置1号联络通道兼废水泵房,在K3+528处设置2号联络通道。
本工程周边环境较为复杂,除大量的管线外,线路自达官营站出发,依次下穿手帕口桥、广安门桥、西二环、西护城河、广安东桥,最后到达白广路路口的广安门内站。桥区的范围约808m,占整个区间线路的64%。
两广路交通繁忙,为进出城区的主干道,要求施工期间地面交通不中断。
1. 1 区间平、纵断面设计
为尽量减少盾构施工对广安门桥的影响,平面设计采取绕避原则,尽量远离桥桩,在桥区段(K2+986~K3+737,长751m,约占区间总长的59% )线间距15~75m,变化幅度较大。区间隧道平面图见图1。
因本区间周边建筑物比较密集、地下控制性管线较多、区间隧道下穿既有桥桩,需对桥桩桩基采取地面注浆加固措施。区间隧道纵断面图见图2。
区间隧道轨顶标高为16. 115~26. 318m,地面标高为38. 62~49. 08m,结构覆土厚度为14. 15~25. 18m。区间隧道采用“V”形坡,最大坡度为-19. 722‰。区间隧道约有1/2位于水位以下。
1. 2 工程地质及水文地质
盾构机全部在卵石地层⑧中穿行,此地层密实,最大粒径大于20 cm,一般粒径20~60mm,亚圆形,粒径大于20mm颗粒约占总质量的70%。
勘察报告显示:实际量测1层地下水,为潜水(二);含水层主要为卵石⑧层、中粗砂⑧1层,透水性好,静止水位标高17. 30~23. 26m (水位埋深25. 20~27. 00m);地下水分布连续,渗透系数大,为强透水层。
1. 3 立交桥桩基概况
区间隧道分别在桥区的4个象限下穿东、西匝道桥,主桥的东、西引桥与匝道桥相接,匝道桥与引桥的桥面板为一块异形板,分别为4跨和3跨预应力混凝土实体连续异形板结构。匝道桥与引桥的基础均为摩擦桩,桩顶标高44. 3m,桩底标高28. 79m,桩长15. 51m。梁体与桥墩均采用支座形式连接。
1. 4 区间隧道与桥桩关系
以K3+109处区间左线下穿桥桩为例,区间隧道下穿桥桩平面及剖面见图3。
2 制约因素
1)绕避桥区无法实现。桥区范围较大,同时桥区4个象限均有高层建筑,盾构隧道无法从桥区外绕行。
2)桩基间距太小,隧道难以在桩间穿过。匝道桥(区间下穿范围)桥桩间净距为11. 8m(斜长),当区间线路位于桥桩之间时,隧道与桥桩之间的水平净距仅为0. 583m和0. 74m。事实上,由图4可见,盾构隧道与桥桩桩端的净距还是较大的,对施工精度要求一般,只是考虑到桥桩位于区间隧道的斜上方,施工时对桥桩影响较大,所以距离太近会带来一些问题;同时线路出现650, 350, 500m 3个小半径相接的情况,对运营极为不利。区间结构与桥桩的相对关系如图4所示。
3)隧道埋深受到限制。桥区西端有一个和区间结构顺行的280m长的热力沟(2 300mm×2 100mm,沟底标高31. 92m);桥区中部有一垂直区间结构的直径900污水管(管底标高36. 11m )和一个电力沟(4 200mm×2 800mm,沟底标高32. 46m);桥区东端有一垂直区间结构的热力沟(2 300mm×2 100mm,沟底标高34. 26m),影响到区间隧道的埋深,使得区间隧道在高程上只能位于桥桩的斜下方,如图4所示。
3 存在的问题及对方案的优化
3. 1 地层的特殊性及施工存在的问题
3. 1. 1 地层情况
本区间隧道穿越地层主要为砂卵石地层,砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层[5],颗粒之间孔隙大,没有黏聚力。在无水状态下,颗粒之间点对点传力,地层反应灵敏。刀盘旋转切削时,地层很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌,引起较大的围岩扰动。盾构施工过程中,盾构机密封仓内建立土压平衡、刀盘对大粒径砂卵石切削或破碎以及切削下来的渣土经螺旋输送机向外排出十分困难,对刀盘(刀具)和螺旋输送机以及密封仓内壁磨损严重,在盾构机掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大。
3. 1. 2 施工中出现的问题
砂卵石地层采用盾构施工,在国内多个工程中曾出现问题。北京亮马河污水隧道:长约800m,直径约3m,一次掘进完成后盾构机刀盘和刀具几乎磨损一半;北京地铁5号线试验段区间:刀盘磨损严重;北京地铁4号线部分区间:面板型刀盘磨损严重,掘进中需要频繁换刀。目前正在施工的北京地铁9号线及直径线,地层条件与本区间比较类似,在施工中均出现进尺慢、频繁换刀的问题。区间隧道在卵石层中下穿立交桥桩基,这在国内尚不多见,没有工程实例可以参考,相应的数据理论分析也很匮乏。同时本区间隧道约有480m位于潜水位以下,卵石层降水难度大,再加上卵石地层换刀距离不可控,如果在桥区出现频繁换刀,且换刀时间延误较长的话,后果不堪设想。
3. 2 方案的优化
目前的设计方案,区间隧道下穿桩基时,竖向净距为6. 8m和7. 4m,均大于1倍洞径。鉴于整个区间施工风险较大,为减小施工风险,将区间纵断按至少抬升2m考虑,保证区间结构有不小于水位线以上2m的高度,以保证盾构机换刀施工安全,降低换刀施工风险。
以下针对现有设计方案及纵断抬升后的方案进行力学分析对比。
4 力学模拟分析
4. 1 模拟方法
使用专业岩土工程分析软件———FLAC3D (FastLagrangianAnalysis ofContinua)有限差分计算方法对既有立交桥桥桩及盾构隧道施工下穿桥桩过程进行数值模拟分析,模拟尽可能做到与实际施工情况相符。通过模拟计算,得到施工过程中既有桥桩及承台的水平位移及垂直沉降。
4. 2 数值模型
1)本构模型。根据本工程实际情况,数值模型本构关系土体选用莫尔-库伦准则,盾构隧道管片选用各向同性弹性模型。
2)边界条件。应力边界条件:竖直方向按土层自重应力,水平方向应力为0. 6倍自重应力;位移边界条件:模型顶面自由,四周约束各边界面的法向位移,底面完全约束。
3)地质条件。数值模拟地质条件及相应的物理力学参数均由设计单位提供。
4)模型建立。模型以右线隧道中心为原点,水平向右为X轴方向,沿隧道轴向向内为Y轴正方向,垂直向上为Z轴正方向,整个模型大小为72m×36m×60m,隧道和既有桥桩承台尺寸按设计和竣工资料实际尺寸建立。模型共划分网格单元16 800个,节点18 569个,见图5—6。
4. 3 数值模拟计算
计算过程中盾构施工按实际工况,每次开挖1. 2m,开挖完成后铺设盾构管片,管片为C50钢筋混凝土,厚30 cm。
4. 3. 1 盾构隧道原设计埋深处计算结果
见图7—9。
4. 3. 2 盾构隧道抬升2m后计算结果
见图10—12。
4. 4 计算结果分析
区间隧道目前的设计方案和抬升2m后的方案对比见表1。由表1看出:沉降及收敛差别很小,说明区间隧道施工对桥桩的影响没有因为纵断抬升造成不良影响,区间纵断上抬2m的方案优化是可行的。
5 施工中需注意的问题
5. 1 主要工程措施
根据北京的实践经验,在卵石地层中,通过对刀盘或刀具的磨耗及更换问题[6]采取针对措施,可以保证盾构的顺利掘进。
1)采用较大开口率的轮辐型刀盘;
2)采用高强度、耐磨损刀具;
3)在刀盘外周环和轮辐等磨损较大的部位加焊耐磨层;
4)向泥土舱加注膨润土、泡沫等塑性剂改善渣土的流动性,降低刀具及刀盘磨耗;
5)先预测磨耗量,确定刀具更换地点(避开沉降控制严格地点),必要时进行刀具更换,更换刀具可以在局部降水、注浆加固地层后进仓处理。
5. 2 主要施工要求
1)临近建、构筑物施工时应加强掘进参数的调整和盾构姿态的控制,进行信息化施工和管理。
2)为使盾构推进参数设定更具科学性和准确性,现场建立监测信息交流沟通网络,以达到控制地面沉降的目的。
3)由于地质条件、地面附加荷载等因素的影响,导致平衡压力值的波动,为此,需及时分析沉降报表,采取相应的措施。若盾构切口前地面沉降,则需调高平衡压力设定值,反之调低;若盾尾后部地面沉降,则需增加同步注浆量,反之减少。
4)根据盾构及管片间的建筑间隙及各土层特性合理控制出土量,并调整至最合理的数值。
5)控制合理的推进速度,使盾构均衡匀速施工,减少盾构对土体的扰动。
6)严格控制同步注浆量和浆液质量,在盾构推进时同步注浆填补建筑空隙后,还存在地面沉降的隐患,可相应增大同步注浆量,如监测数据与地面沉降接近或达到报警值时,用地面补压浆或地面跟踪补压浆进行补救。
7)加强监控量测,对邻近建筑物布设监测点,在施工时进行实时监控,根据监测数据及时调整盾构掘进参数,并确定是否需要采取地面加固措施。
5. 3 应急预案
1)盾构进入桥桩区前,应对桥桩周围土体进行注浆加固,同时加强监测,根据监测数据进行追踪注浆,以补偿地层损失,抑制可能存在的变形及桥桩的沉降。
2)在不影响地面交通的情况下,在桥下施作钢支架,以避免桥体沉降过大时影响桥面交通。
3)在桥梁支座处设置千斤顶,当桩基出现沉降时可以采用千斤顶同步顶升的工艺,将上部梁体抬起。
6 结论
在借鉴类似地层的工程经验的基础上,对达—广区间的过桥区方案进行分析,并对设计方案进行优化。通过采用数值模拟得出抬升2m方案是可行的,并提出施工措施,但由于达—广区间尚未施工,施工效果还有待验证。
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