地鐵施工下穿建筑物沉降控制標準研究摘 要:地鐵施工中對既有建筑物產生一定的影響,施工期間需制定相應的沉降控制標準。由于建筑物結構形式千差萬別,沉降標準也隨之改變。目前,國內這方面的相關技術規定較少,大部分處于研究探索階段,給施工期間的變形控制帶來諸多不便。以北京地鐵五號線施工中下穿建筑物的幾個實例作為分析對象,對施工中既有建筑沉降控制標準的制定提出參考意見。關鍵詞:地鐵;下穿建筑物;沉降標準1問題的提出 在北京地鐵五號線施工中,暗挖區間隧道和一些車站穿越了不同的建筑物,通過現場的監測數據表明,雖然地表的沉降值較大,但各種建筑物的使用功能并未受到破壞。因此,各種建筑物的使用功能主要與自身的結構特性有關。那么與地表沉降有什么關系呢?多大的地表沉降才會對地下設施、管線產生破壞作用?為此,尋求一種合適模型來計算各種既有建筑物設施的容許值很有必要,對于各種設施建立什么樣的模型是制定合理控制標準的重要依據。2模型的建立 筆者對施工中的北京磁器口站兩條典型管線和法華寺過街天橋樁基沉降進行分析研究,探討沉降控制標準的制定方法。2.1車站拱部K6+118下穿Φ1980mm污水管該污水管 位于車站結構上方,距車站開挖外輪廓線0.78m,管線為西污東輸干線,車站采用暗挖法下穿該管線。經過實際調查和資料收集,該管線采用頂進法施工。污水管為2m一節,采用承插接口形式,接口部添塞瀝青棉麻進行防水。根據實際情況,提出差異沉降理論計算模型。模型見圖1。通過模型可以看出,當承插頭全部滑出槽時,則管線破壞,此時兩管節的外張距離為Δl=a,要保證管線不破壞,必須保證Δl<a。根據結構容許理論的判定
2.2西南風道下穿Φ1000mm自來水管線 自來水為有壓管線,一般多采用鋼管或鑄鐵管。在西南風道施工中,有一條直徑為1000mm的自來水管,埋深1.0m,施工中地表沉降達到55mm,而管線的使用功能完好,以此為例建立如下模型。把自來水上部的覆土作為土柱荷載,管內自來水也作為內部荷載,根據受力狀況此時可以把自來水管當作一根梁來看待。當隧道開挖時,管下土體與自來水管分離,鋼管承載,模型見圖2。 由于自來水兩端下部和周邊的土體在鋼管的受力變形下不能約束鋼管的豎向、水平和縱向移動,因此可把鋼管簡化為簡支梁來對待。Q1按下式計算 q1=(d+htanφ)h·γ 式中 d———自來水管的外徑; h———自來水管的埋深;φ———土的內摩擦角; γ———土的容重。 梁的截取長度L可通過隧道沉降影響范圍計算。 L=B+H·tan(45+φ/2) 根據上述推算,計算該段自來水管的下沉撓度為 w=K1×5ql4/384EI Mmax=K1qL2/8 彎矩 式中,K1為外部荷載增加系數。 根據上式,結合自來水管的結構,檢算管壁的拉力。如果拉力小于允許值,表明結構是安全的;如果大于允許值,按照容許值可以反推出[w],實際施工中把Δh=[w]作為控制標準。2.3區間隧道下穿法華寺過街天橋樁基 區間隧道K5+462.4處有一座法華寺過街天橋與隧道相交,該天橋基礎為鉆孔灌注樁,樁徑1 .0m,主要為摩擦受力。天橋一根樁基侵入左線二襯結構20cm,天橋結構為等截面連續鋼混梁,梁長30m。天橋的結構型式見圖3。 針對沉降標準的制定,可以通過下面模型計算。模型見圖4。 模型為連續鋼混梁,其中L為結構跨度,Δ為差異沉降數值。為了計算容許的Δ數值,可以將連續梁看作簡支梁,通過計算簡支梁的下沉撓度推出Δ數值。根據有關規范,鋼混梁的豎向撓度容許值為f=L/800,為了保證結構使用功能,按照容許數值概念,在制定Δ數值時可取Δ=2f/3,即Δ=2L/3×800。法華寺人行天橋長30m,根據上式計算Δ容=25mm。3 現場施工方法、監測數據及模型應用3.1車站拱部下穿Φ1980mm污水管 距污水管6m及過污水管10m的位置段,在Ⅰ、Ⅲ部洞室工作面砂層范圍,全斷面注漿加固地層;距污水管6m及過污水管10m的位置段以及管棚工作室,加密格柵間距為35cm;聯結筋加密。 在污水管下方,主體結構施工區域內采用工作面全斷面注漿加固地層,使污水管下方土體形成一注漿凝結體,承載管線,減小下沉。如圖5所示。監測中在K6+118處布點,間距按照4m布設,當監測相鄰兩點的沉降數值超過21.5mm時,表明結構達到最大容許狀態,現場需采取應急處理措施。 通過對該段的地表沉降觀測,該處在中洞通過后最大沉降量為45.72mm,邊洞開挖完成后為86.46mm,拱頂沉降39.45mm。通過實際監測表明,相鄰點的最大差異沉降為21mm,因此污水管結構的使用功能完好,并沒有出現管線滲漏水的情況。 采用上述方法在結構迅速通過管線時是比較安全的,但管線下部已產生了一定的張角,破壞了原有的防水功能,可能會出現滲水現象,長期作用也會對管線的使用功能產生一定影響。當降水井取消降水后,地下水位恢復,則管線可恢復原有的使用功能。3.2西南風道下穿Φ1000mm自來水管線 風道穿越該管線時采用CRD方法施工,拱部采用雙排小導管注漿加固地層。施工期間地面最大沉降55.8mm,現場在自來水管上也布設了沉降監測點,沉降變形值為1.25mm,下部懸空4.3m。根據模型推算,中部最大變形允許值為8.38mm,下部懸空長度11.6m,結合自來水管的結構,檢算管壁的拉力,拉力小于允許值,因此結構是安全的。管線下部的懸空部位現場用細砂回填,并注漿密實。3.3區間隧道下穿法華寺過街天橋樁基 將區間斷面劃分為2個洞室,先施作左側洞室,由于上臺階與下臺階相錯3m,上臺階工作面已經封閉,為保證左側洞室開挖后能封閉成環,在上臺階3m范圍加設水平I20a工字鋼支撐,同時加設豎向臨時中隔壁格柵,補噴30cm厚混凝土。下部開挖時與中隔壁格柵相連,形成封閉結構。 開挖采用臺階法,每進尺50cm支立一榀格柵,加設水平鋼支撐,臺階長度控制在2m左右,封閉成環后及時對初期支護背后進行注漿。開挖方法見圖6。 過樁基7m后,恢復隧道正常開挖。通過實際監測,天橋中墩最終沉降達到22.94mm,現場在對托換樁柱進行監測的同時,也對兩側15m的邊墩進行了沉降監測,監測結果為7.45mm。這表明隧道開挖也影響了邊墩,中墩和邊墩的差異沉降為15.49mm,小于Δ容=25mm,因此天橋使用功能正常。 由于兩個邊墩與人行踏板相連,沉降后有一個錯臺,因上鋪氈墊,對行走時的舒適度影響較小,如果超過一定數值,則應恢復原位,以保證行人行走時的舒適度。天橋樁基托換完成后,現場應采用千斤頂將中墩上部橋梁上頂15mm,重新調整支座高度,恢復天橋正常使用狀態。4結語 對于地下建筑物沉降控制標準,應理論聯系實際并進一步完善。根據不同建筑物的特點建立相應的驗算模型,進行結構的受力、破壞臨界值、差異變形等。結構的差異變形往往導致結構的整體破壞,施工中應充分重視。 實踐中可以把破壞臨界值分為3個等級,一級取容許值的70%,在70%范圍內可以正常施工;當監測變形值大于0.7[Δ容]而小于0.85[Δ容]時,則應采取加固措施或改進施工方法;超過0.85[Δ容]時,進入三級控制狀態,即進入應急控制狀態,現場停工采取處理措施。我國的地鐵施工現已經進入快速發展期,這方面的理論研究有廣闊的應用前景。參考文獻:［1］丁宇坤，唐坤全.從成都市紅星路下穿地道施工淺談成都地區地下工程施工技術［J］.鐵道標準設計，2004（11）.［2］彭澤潤.北京地鐵復—八線土建工程施工技術［M］.北京：中國科學技術出版社，2003.［3］徐干成，白洪才.地下工程支護結構［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.［4］陽軍生，劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動及變形［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.［5］關寶樹.隧道施工要點集［M］.北京：人民交通出版社，2003.
2.2西南風道下穿Φ1000mm自來水管線 自來水為有壓管線,一般多采用鋼管或鑄鐵管。在西南風道施工中,有一條直徑為1000mm的自來水管,埋深1.0m,施工中地表沉降達到55mm,而管線的使用功能完好,以此為例建立如下模型。把自來水上部的覆土作為土柱荷載,管內自來水也作為內部荷載,根據受力狀況此時可以把自來水管當作一根梁來看待。當隧道開挖時,管下土體與自來水管分離,鋼管承載,模型見圖2。 由于自來水兩端下部和周邊的土體在鋼管的受力變形下不能約束鋼管的豎向、水平和縱向移動,因此可把鋼管簡化為簡支梁來對待。Q1按下式計算 q1=(d+htanφ)h·γ 式中 d———自來水管的外徑; h———自來水管的埋深;φ———土的內摩擦角; γ———土的容重。 梁的截取長度L可通過隧道沉降影響范圍計算。 L=B+H·tan(45+φ/2) 根據上述推算,計算該段自來水管的下沉撓度為 w=K1×5ql4/384EI Mmax=K1qL2/8 彎矩 式中,K1為外部荷載增加系數。 根據上式,結合自來水管的結構,檢算管壁的拉力。如果拉力小于允許值,表明結構是安全的;如果大于允許值,按照容許值可以反推出[w],實際施工中把Δh=[w]作為控制標準。2.3區間隧道下穿法華寺過街天橋樁基 區間隧道K5+462.4處有一座法華寺過街天橋與隧道相交,該天橋基礎為鉆孔灌注樁,樁徑1 .0m,主要為摩擦受力。天橋一根樁基侵入左線二襯結構20cm,天橋結構為等截面連續鋼混梁,梁長30m。天橋的結構型式見圖3。 針對沉降標準的制定,可以通過下面模型計算。模型見圖4。 模型為連續鋼混梁,其中L為結構跨度,Δ為差異沉降數值。為了計算容許的Δ數值,可以將連續梁看作簡支梁,通過計算簡支梁的下沉撓度推出Δ數值。根據有關規范,鋼混梁的豎向撓度容許值為f=L/800,為了保證結構使用功能,按照容許數值概念,在制定Δ數值時可取Δ=2f/3,即Δ=2L/3×800。法華寺人行天橋長30m,根據上式計算Δ容=25mm。3 現場施工方法、監測數據及模型應用3.1車站拱部下穿Φ1980mm污水管 距污水管6m及過污水管10m的位置段,在Ⅰ、Ⅲ部洞室工作面砂層范圍,全斷面注漿加固地層;距污水管6m及過污水管10m的位置段以及管棚工作室,加密格柵間距為35cm;聯結筋加密。 在污水管下方,主體結構施工區域內采用工作面全斷面注漿加固地層,使污水管下方土體形成一注漿凝結體,承載管線,減小下沉。如圖5所示。監測中在K6+118處布點,間距按照4m布設,當監測相鄰兩點的沉降數值超過21.5mm時,表明結構達到最大容許狀態,現場需采取應急處理措施。 通過對該段的地表沉降觀測,該處在中洞通過后最大沉降量為45.72mm,邊洞開挖完成后為86.46mm,拱頂沉降39.45mm。通過實際監測表明,相鄰點的最大差異沉降為21mm,因此污水管結構的使用功能完好,并沒有出現管線滲漏水的情況。 采用上述方法在結構迅速通過管線時是比較安全的,但管線下部已產生了一定的張角,破壞了原有的防水功能,可能會出現滲水現象,長期作用也會對管線的使用功能產生一定影響。當降水井取消降水后,地下水位恢復,則管線可恢復原有的使用功能。3.2西南風道下穿Φ1000mm自來水管線 風道穿越該管線時采用CRD方法施工,拱部采用雙排小導管注漿加固地層。施工期間地面最大沉降55.8mm,現場在自來水管上也布設了沉降監測點,沉降變形值為1.25mm,下部懸空4.3m。根據模型推算,中部最大變形允許值為8.38mm,下部懸空長度11.6m,結合自來水管的結構,檢算管壁的拉力,拉力小于允許值,因此結構是安全的。管線下部的懸空部位現場用細砂回填,并注漿密實。3.3區間隧道下穿法華寺過街天橋樁基 將區間斷面劃分為2個洞室,先施作左側洞室,由于上臺階與下臺階相錯3m,上臺階工作面已經封閉,為保證左側洞室開挖后能封閉成環,在上臺階3m范圍加設水平I20a工字鋼支撐,同時加設豎向臨時中隔壁格柵,補噴30cm厚混凝土。下部開挖時與中隔壁格柵相連,形成封閉結構。 開挖采用臺階法,每進尺50cm支立一榀格柵,加設水平鋼支撐,臺階長度控制在2m左右,封閉成環后及時對初期支護背后進行注漿。開挖方法見圖6。 過樁基7m后,恢復隧道正常開挖。通過實際監測,天橋中墩最終沉降達到22.94mm,現場在對托換樁柱進行監測的同時,也對兩側15m的邊墩進行了沉降監測,監測結果為7.45mm。這表明隧道開挖也影響了邊墩,中墩和邊墩的差異沉降為15.49mm,小于Δ容=25mm,因此天橋使用功能正常。 由于兩個邊墩與人行踏板相連,沉降后有一個錯臺,因上鋪氈墊,對行走時的舒適度影響較小,如果超過一定數值,則應恢復原位,以保證行人行走時的舒適度。天橋樁基托換完成后,現場應采用千斤頂將中墩上部橋梁上頂15mm,重新調整支座高度,恢復天橋正常使用狀態。4結語 對于地下建筑物沉降控制標準,應理論聯系實際并進一步完善。根據不同建筑物的特點建立相應的驗算模型,進行結構的受力、破壞臨界值、差異變形等。結構的差異變形往往導致結構的整體破壞,施工中應充分重視。 實踐中可以把破壞臨界值分為3個等級,一級取容許值的70%,在70%范圍內可以正常施工;當監測變形值大于0.7[Δ容]而小于0.85[Δ容]時,則應采取加固措施或改進施工方法;超過0.85[Δ容]時,進入三級控制狀態,即進入應急控制狀態,現場停工采取處理措施。我國的地鐵施工現已經進入快速發展期,這方面的理論研究有廣闊的應用前景。參考文獻:［1］丁宇坤，唐坤全.從成都市紅星路下穿地道施工淺談成都地區地下工程施工技術［J］.鐵道標準設計，2004（11）.［2］彭澤潤.北京地鐵復—八線土建工程施工技術［M］.北京：中國科學技術出版社，2003.［3］徐干成，白洪才.地下工程支護結構［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.［4］陽軍生，劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動及變形［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.［5］關寶樹.隧道施工要點集［M］.北京：人民交通出版社，2003.
