巖土錨固技術在地鐵過既有線工程中的應用

內(nèi)容摘要一問題背景及研究目的二主要內(nèi)容三結論一問題背景及目的1.1問題研究背景地鐵在城市交通中占很重要位置，且發(fā)展迅速。地鐵網(wǎng)的完善和擴能改造等，都帶來了大量新線近接既有線施工現(xiàn)象。城市地下工程的近接施工中，由于既有線與新線位置較近,若不采取可靠的措施，新建線的施工將會影響既有線的安全運營。在一般的地下工程建設中，保證地層和支護結構的穩(wěn)定是工程的最終目標。但是在過既有線工程中，保證既有線的安全運營對施工提出了更加嚴格的要求。這個要求可能要遠遠高于新建結構安全與地層穩(wěn)定對于施工的要求。因此保證既有線的安全運營是過既有線工程的重點和難點。錨桿的錨固及抗拉拔作用，因此在抗浮工程中應用錨桿較為常見。在防止既有線上浮過程中，可應用錨桿。布置錨桿不僅可以解決底板上浮時受彎矩作用的問題，而且施工比較簡單、材料單一，造價也較低。所以對該工程的錨桿抗浮施工方案進行了三維動態(tài)仿真分析，從理論上探討了所擬定施工方案的合理性和可行性，并取得了一些有意義的結果，為該工程的順利施工提供依據(jù)和指導。1.2研究目的2.1工程概況車站南北向布置，為明暗挖結合施工的車站。兩端為雙層明挖箱形框架結構；中間單層暗挖，長65m，埋深5.5m，采用單拱雙柱結構形式。暗挖段從地鐵一號線區(qū)間隧道上部穿過，該處地面標高為44.81m,一號線的該區(qū)間隧道埋深16.29m，本車站該處軌頂標高31.104m，距一號線區(qū)間隧道頂板2.574m，兩結構間土層厚度（即凈距）為0.5m左右。

二主要內(nèi)容東北出入口北南側明挖段北側明挖段西南出入口西北出入口換乘通道換乘通道東南風道東南出入口東北風道東長安街崇文門內(nèi)大街東北出入口西長安街一號線區(qū)間一號線暗挖段

車站總長204.4m。兩端明挖段長度分別約為69.2m及71.4m，開挖寬為23.1m，覆土厚度2.3m；暗挖段長度約為63.8m，開挖寬為23.9m，覆土厚度6m。車站示意圖地鐵某車站與既有線斷面位置關系圖

新建站單層(上穿)結構圖

既有線安全運營限制標準非常嚴格，它要求結構隆起不大于20mm，軌距增寬不大于6mm，軌距減窄不大于2mm，單線兩軌高差不大于4mm。新建隧道上穿既有地鐵時，如何維護既有地鐵的安全運營是工程施工的出發(fā)點，也是問題的歸結點。

2.2工程重點和難點采用“中柱法”施工。按照“小分塊、短臺階、早成環(huán)”的原則，將整個斷面開挖橫向分為：側洞、有柱的柱洞和中洞共5個洞，每洞分上、中、下三層。先自上而下對稱施工柱洞初支，再由下而上施作柱洞二襯，建立起梁、柱支撐體系。柱洞完成后，施工兩個柱洞中間的中洞初支和二襯，形成整個大中洞穩(wěn)定體系。再對稱自上而下施工兩側洞初支，最后縱向分段自下而上對稱施作二襯，完成結構閉合。2.3施工方案中柱法施工步驟第Ⅰ步第Ⅰ步第Ⅱ步第Ⅱ步第Ⅲ步第Ⅲ步鋼管柱鋼管柱頂縱梁頂縱梁底縱梁底縱梁中柱法施工步驟鋼管柱鋼管柱頂縱梁頂縱梁底縱梁底縱梁第Ⅳ步縱梁拉壓桿中柱法施工步驟鋼管柱鋼管柱頂縱梁頂縱梁底縱梁底縱梁頂板第Ⅴ步第Ⅵ步中柱法施工步驟鋼管柱鋼管柱頂縱梁頂縱梁底縱梁底縱梁底板頂板鋼管柱鋼管柱頂縱梁頂縱梁底縱梁底縱梁第Ⅶ步第Ⅶ步第Ⅷ步第Ⅷ步第Ⅸ步第Ⅸ步底板頂板鋼管柱鋼管柱頂縱梁頂縱梁底縱梁底縱梁底板底板拱墻拱墻底板頂板過既有線措施◆施工前降水降低地下水位于既有地鐵底板1.0m以下，減少水浮力的影響。◆對既有線周邊土體邊開挖邊加固在距既有線6m處停止開挖，對既有線周邊土體進行注漿加固，通過改善土體參數(shù)減小一號線結構土側壓力。注漿材料根據(jù)土層可以選用超細水泥?！魧扔芯€邊開挖邊加固導洞初期支護完成后，施作預應力錨桿對一號線進行加固，增加對1#線結構豎向壓力。錨桿長度根據(jù)設計標高10-15m不等，保證錨桿錨固端伸入一號線既有線基底6m。過既有線措施——注漿和錨桿加固暗挖段主體結構上穿1號線區(qū)間時，進行地基加固：

a.開挖上部導洞，在洞內(nèi)對下部土體進行注漿加固，加固范圍如圖中陰影部分所示。

b.注漿漿液：超細水泥水玻璃漿。其抗壓強度不低于30MPa。配合比應經(jīng)現(xiàn)場試驗確定。

c.加固深度至主體結構底板下9m。過既有線措施——注漿和錨桿加固在注漿加固范圍內(nèi)，設置拉錨：

a.主體結構底部初期支護完成后，在洞內(nèi)向下設置錨桿，其一端固定于初期支護。

b.錨桿呈梅花型布置，間距2x2m，錨桿長為15m及10m兩種，貼近一號線區(qū)間側采用長錨桿。

c.主體結構邊緣錨桿為斜向外側下方設置（與垂直方向夾角10度），其余為垂直向下設置。

d.桿體材料2φ32鋼筋，錨桿全長均為錨固段，錨固體直徑0.1m，錨桿軸向拉力設計值230KN。

e.錨桿注漿材料:水泥漿。其抗壓強度不低于30MPa。2.4.1計算模型注漿效果通過增大土層力學參數(shù)來模擬。鋼拱架的作用采用等效方法考慮，即將鋼拱架的彈性模量折算到噴射混凝土上其計算方法為：式中：E為折算后混凝土彈模，E0為原混凝土彈模，Sg為鋼拱架截面積，Eg為鋼材彈模，Sc為混凝土截面積。錨桿的模擬是通過設置錨桿單元（cable)并在錨桿區(qū)施加地層壓力模擬2.4施工過程力學性態(tài)三維模擬研究巖土材料用實體單元模擬，本構模型用Mohr-c模型；初支和臨時支撐用殼單元、彈性模型模擬；二襯用實體單元，彈性模型；既有線用實體單元，彈性模型，材料為混凝土模擬。

由于隧道埋深比較淺，初始應力場可視為重力場，開挖效果的模擬采用空單元法來實現(xiàn)，這種方法在開挖過程中所求的應力場為真實的應力場，而所求的位移場需扣除初始位移場才為真實的位移。模型在隧道橫向上取80m，左右各40m，模型尺寸沿縱向取30m，既有線為雙洞隧道，單線寬6m,二者間距6m,即中間18m下穿新建線。上邊界取至地表，下邊界取至車站結構底板以下20m。模型共有15560個單元（不包括殼單元），17963個節(jié)點。網(wǎng)格剖分圖如下：模型網(wǎng)格剖分圖

既有線位置變形縫位置錨桿2.4.2計算結果無錨桿加固時，地表沉降與既有隧道隆起量在各個開挖步序內(nèi)的分布如下表

未錨固橫向地表沉降分布

未錨固既有線底板隆起分布序號開挖步序地表沉降既有隧道隆起1上柱洞開挖36.53.52中柱洞開挖1.56.53下柱洞開挖3.54.34柱洞二襯1.5-0.85上中洞開挖17-1.06中洞頂板二襯1.5-1.07中洞剩余開挖襯砌0.50.58側洞開挖襯砌-56.5合計5718.5（1）未用錨桿情況下，地表最大沉降為57mm，既有線底板最大隆起量為18.5mm；應用錨桿后，地表最大沉降為62mm，既有線底板最大隆起量為9.8mm。由結果可知：在既有線中應用抗浮錨桿，對既有線底板的抗浮有很大的抑制作用，而對地表沉降沒有減小作用，反而引起地表沉降的少量增大，說明地層的隆起對施工引起的沉降有一定的抵消作用。錨固橫向地表沉降分布

錨固既有線底板隆起分布

（2）從開挖步序分布表來看，在柱洞和中洞開挖過程中，造成了地表幾乎全部的沉降；而且，上導洞距地表近，其開挖占總沉降的相當大的比例，這與實際相符。中洞扣拱完成后，車站結構基本形成，以后施工步序造成地表沉降較小。（3）從開挖步序分布表來看，由于監(jiān)測的點是新線中線下方既有線底板上的點，隆起大部分發(fā)生在柱洞和側洞開挖期間，中洞開挖期間，既有線底板點甚至稍有下沉，則與柱洞結構已經(jīng)形成，造成對既有線的約束，而中洞每步卸載很小，且及時扣拱增加荷載有關；而當兩邊側洞同時開挖時，卸載量較大，中間的約束作用顯得較小。（4）從既有線底板的隆起曲線可以看出，既有線的沉降受變形縫的影響，在變形縫的兩端產(chǎn)生了差異沉降，錨桿加固前，變形縫兩端差異沉降為1.5mm，錨桿加固后差異沉降為0.4mm.。說明錨桿加固對變形縫的差異沉降也有較好的抑制作用。（5）從隆起曲線還可以看出，受新線施工影響最大的是既有線的中間一跨，其隆起呈曲線分布，兩邊受施工影響小的既有線隆起曲線大致呈直線分布。三結論在上穿既有線工程中，由于卸載作用既有線可能發(fā)生上浮，如果對其控制不力，可能會影響既有線的安全運營。因此必須采用抑制結構上浮的合理措施。在本工程中，抗浮錨桿的應用使既有線底板最大隆起值從18.5mm減小到9.8mm，可以看出錨桿在抗浮中作用顯著。但同時，由于抵消作用的減小，也加大了5mm的地表沉降。