地铁施工下穿建筑物沉降控制标准研究摘 要:地铁施工中对既有建筑物产生一定的影响,施工期间需制定相应的沉降控制标准。由于建筑物结构形式千差万别,沉降标准也随之改变。目前,国内这方面的相关技术规定较少,大部分处于研究探索阶段,给施工期间的变形控制带来诸多不便。以北京地铁五号线施工中下穿建筑物的几个实例作为分析对象,对施工中既有建筑沉降控制标准的制定提出参考意见。关键词:地铁;下穿建筑物;沉降标准1问题的提出 在北京地铁五号线施工中,暗挖区间隧道和一些车站穿越了不同的建筑物,通过现场的监测数据表明,虽然地表的沉降值较大,但各种建筑物的使用功能并未受到破坏。因此,各种建筑物的使用功能主要与自身的结构特性有关。那么与地表沉降有什么关系呢?多大的地表沉降才会对地下设施、管线产生破坏作用?为此,寻求一种合适模型来计算各种既有建筑物设施的容许值很有必要,对于各种设施建立什么样的模型是制定合理控制标准的重要依据。2模型的建立 笔者对施工中的北京磁器口站两条典型管线和法华寺过街天桥桩基沉降进行分析研究,探讨沉降控制标准的制定方法。2.1车站拱部K6+118下穿Φ1980mm污水管该污水管 位于车站结构上方,距车站开挖外轮廓线0.78m,管线为西污东输干线,车站采用暗挖法下穿该管线。经过实际调查和资料收集,该管线采用顶进法施工。污水管为2m一节,采用承插接口形式,接口部添塞沥青棉麻进行防水。根据实际情况,提出差异沉降理论计算模型。模型见图1。通过模型可以看出,当承插头全部滑出槽时,则管线破坏,此时两管节的外张距离为Δl=a,要保证管线不破坏,必须保证Δl<a。根据结构容许理论的判定
2.2西南风道下穿Φ1000mm自来水管线 自来水为有压管线,一般多采用钢管或铸铁管。在西南风道施工中,有一条直径为1000mm的自来水管,埋深1.0m,施工中地表沉降达到55mm,而管线的使用功能完好,以此为例建立如下模型。把自来水上部的覆土作为土柱荷载,管内自来水也作为内部荷载,根据受力状况此时可以把自来水管当作一根梁来看待。当隧道开挖时,管下土体与自来水管分离,钢管承载,模型见图2。 由于自来水两端下部和周边的土体在钢管的受力变形下不能约束钢管的竖向、水平和纵向移动,因此可把钢管简化为简支梁来对待。Q1按下式计算 q1=(d+htanφ)h·γ 式中 d———自来水管的外径; h———自来水管的埋深;φ———土的内摩擦角; γ———土的容重。 梁的截取长度L可通过隧道沉降影响范围计算。 L=B+H·tan(45+φ/2) 根据上述推算,计算该段自来水管的下沉挠度为 w=K1×5ql4/384EI Mmax=K1qL2/8 弯矩 式中,K1为外部荷载增加系数。 根据上式,结合自来水管的结构,检算管壁的拉力。如果拉力小于允许值,表明结构是安全的;如果大于允许值,按照容许值可以反推出[w],实际施工中把Δh=[w]作为控制标准。2.3区间隧道下穿法华寺过街天桥桩基 区间隧道K5+462.4处有一座法华寺过街天桥与隧道相交,该天桥基础为钻孔灌注桩,桩径1 .0m,主要为摩擦受力。天桥一根桩基侵入左线二衬结构20cm,天桥结构为等截面连续钢混梁,梁长30m。天桥的结构型式见图3。 针对沉降标准的制定,可以通过下面模型计算。模型见图4。 模型为连续钢混梁,其中L为结构跨度,Δ为差异沉降数值。为了计算容许的Δ数值,可以将连续梁看作简支梁,通过计算简支梁的下沉挠度推出Δ数值。根据有关规范,钢混梁的竖向挠度容许值为f=L/800,为了保证结构使用功能,按照容许数值概念,在制定Δ数值时可取Δ=2f/3,即Δ=2L/3×800。法华寺人行天桥长30m,根据上式计算Δ容=25mm。3 现场施工方法、监测数据及模型应用3.1车站拱部下穿Φ1980mm污水管 距污水管6m及过污水管10m的位置段,在Ⅰ、Ⅲ部洞室工作面砂层范围,全断面注浆加固地层;距污水管6m及过污水管10m的位置段以及管棚工作室,加密格栅间距为35cm;联结筋加密。 在污水管下方,主体结构施工区域内采用工作面全断面注浆加固地层,使污水管下方土体形成一注浆凝结体,承载管线,减小下沉。如图5所示。监测中在K6+118处布点,间距按照4m布设,当监测相邻两点的沉降数值超过21.5mm时,表明结构达到最大容许状态,现场需采取应急处理措施。 通过对该段的地表沉降观测,该处在中洞通过后最大沉降量为45.72mm,边洞开挖完成后为86.46mm,拱顶沉降39.45mm。通过实际监测表明,相邻点的最大差异沉降为21mm,因此污水管结构的使用功能完好,并没有出现管线渗漏水的情况。 采用上述方法在结构迅速通过管线时是比较安全的,但管线下部已产生了一定的张角,破坏了原有的防水功能,可能会出现渗水现象,长期作用也会对管线的使用功能产生一定影响。当降水井取消降水后,地下水位恢复,则管线可恢复原有的使用功能。3.2西南风道下穿Φ1000mm自来水管线 风道穿越该管线时采用CRD方法施工,拱部采用双排小导管注浆加固地层。施工期间地面最大沉降55.8mm,现场在自来水管上也布设了沉降监测点,沉降变形值为1.25mm,下部悬空4.3m。根据模型推算,中部最大变形允许值为8.38mm,下部悬空长度11.6m,结合自来水管的结构,检算管壁的拉力,拉力小于允许值,因此结构是安全的。管线下部的悬空部位现场用细砂回填,并注浆密实。3.3区间隧道下穿法华寺过街天桥桩基 将区间断面划分为2个洞室,先施作左侧洞室,由于上台阶与下台阶相错3m,上台阶工作面已经封闭,为保证左侧洞室开挖后能封闭成环,在上台阶3m范围加设水平I20a工字钢支撑,同时加设竖向临时中隔壁格栅,补喷30cm厚混凝土。下部开挖时与中隔壁格栅相连,形成封闭结构。 开挖采用台阶法,每进尺50cm支立一榀格栅,加设水平钢支撑,台阶长度控制在2m左右,封闭成环后及时对初期支护背后进行注浆。开挖方法见图6。 过桩基7m后,恢复隧道正常开挖。通过实际监测,天桥中墩最终沉降达到22.94mm,现场在对托换桩柱进行监测的同时,也对两侧15m的边墩进行了沉降监测,监测结果为7.45mm。这表明隧道开挖也影响了边墩,中墩和边墩的差异沉降为15.49mm,小于Δ容=25mm,因此天桥使用功能正常。 由于两个边墩与人行踏板相连,沉降后有一个错台,因上铺毡垫,对行走时的舒适度影响较小,如果超过一定数值,则应恢复原位,以保证行人行走时的舒适度。天桥桩基托换完成后,现场应采用千斤顶将中墩上部桥梁上顶15mm,重新调整支座高度,恢复天桥正常使用状态。4结语 对于地下建筑物沉降控制标准,应理论联系实际并进一步完善。根据不同建筑物的特点建立相应的验算模型,进行结构的受力、破坏临界值、差异变形等。结构的差异变形往往导致结构的整体破坏,施工中应充分重视。 实践中可以把破坏临界值分为3个等级,一级取容许值的70%,在70%范围内可以正常施工;当监测变形值大于0.7[Δ容]而小于0.85[Δ容]时,则应采取加固措施或改进施工方法;超过0.85[Δ容]时,进入三级控制状态,即进入应急控制状态,现场停工采取处理措施。我国的地铁施工现已经进入快速发展期,这方面的理论研究有广阔的应用前景。参考文献:［1］丁宇坤，唐坤全.从成都市红星路下穿地道施工浅谈成都地区地下工程施工技术［J］.铁道标准设计，2004（11）.［2］彭泽润.北京地铁复—八线土建工程施工技术［M］.北京：中国科学技术出版社，2003.［3］徐干成，白洪才.地下工程支护结构［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.［4］阳军生，刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形［M］.北京：中国铁道出版社，2002.［5］关宝树.隧道施工要点集［M］.北京：人民交通出版社，2003.
2.2西南风道下穿Φ1000mm自来水管线 自来水为有压管线,一般多采用钢管或铸铁管。在西南风道施工中,有一条直径为1000mm的自来水管,埋深1.0m,施工中地表沉降达到55mm,而管线的使用功能完好,以此为例建立如下模型。把自来水上部的覆土作为土柱荷载,管内自来水也作为内部荷载,根据受力状况此时可以把自来水管当作一根梁来看待。当隧道开挖时,管下土体与自来水管分离,钢管承载,模型见图2。 由于自来水两端下部和周边的土体在钢管的受力变形下不能约束钢管的竖向、水平和纵向移动,因此可把钢管简化为简支梁来对待。Q1按下式计算 q1=(d+htanφ)h·γ 式中 d———自来水管的外径; h———自来水管的埋深;φ———土的内摩擦角; γ———土的容重。 梁的截取长度L可通过隧道沉降影响范围计算。 L=B+H·tan(45+φ/2) 根据上述推算,计算该段自来水管的下沉挠度为 w=K1×5ql4/384EI Mmax=K1qL2/8 弯矩 式中,K1为外部荷载增加系数。 根据上式,结合自来水管的结构,检算管壁的拉力。如果拉力小于允许值,表明结构是安全的;如果大于允许值,按照容许值可以反推出[w],实际施工中把Δh=[w]作为控制标准。2.3区间隧道下穿法华寺过街天桥桩基 区间隧道K5+462.4处有一座法华寺过街天桥与隧道相交,该天桥基础为钻孔灌注桩,桩径1 .0m,主要为摩擦受力。天桥一根桩基侵入左线二衬结构20cm,天桥结构为等截面连续钢混梁,梁长30m。天桥的结构型式见图3。 针对沉降标准的制定,可以通过下面模型计算。模型见图4。 模型为连续钢混梁,其中L为结构跨度,Δ为差异沉降数值。为了计算容许的Δ数值,可以将连续梁看作简支梁,通过计算简支梁的下沉挠度推出Δ数值。根据有关规范,钢混梁的竖向挠度容许值为f=L/800,为了保证结构使用功能,按照容许数值概念,在制定Δ数值时可取Δ=2f/3,即Δ=2L/3×800。法华寺人行天桥长30m,根据上式计算Δ容=25mm。3 现场施工方法、监测数据及模型应用3.1车站拱部下穿Φ1980mm污水管 距污水管6m及过污水管10m的位置段,在Ⅰ、Ⅲ部洞室工作面砂层范围,全断面注浆加固地层;距污水管6m及过污水管10m的位置段以及管棚工作室,加密格栅间距为35cm;联结筋加密。 在污水管下方,主体结构施工区域内采用工作面全断面注浆加固地层,使污水管下方土体形成一注浆凝结体,承载管线,减小下沉。如图5所示。监测中在K6+118处布点,间距按照4m布设,当监测相邻两点的沉降数值超过21.5mm时,表明结构达到最大容许状态,现场需采取应急处理措施。 通过对该段的地表沉降观测,该处在中洞通过后最大沉降量为45.72mm,边洞开挖完成后为86.46mm,拱顶沉降39.45mm。通过实际监测表明,相邻点的最大差异沉降为21mm,因此污水管结构的使用功能完好,并没有出现管线渗漏水的情况。 采用上述方法在结构迅速通过管线时是比较安全的,但管线下部已产生了一定的张角,破坏了原有的防水功能,可能会出现渗水现象,长期作用也会对管线的使用功能产生一定影响。当降水井取消降水后,地下水位恢复,则管线可恢复原有的使用功能。3.2西南风道下穿Φ1000mm自来水管线 风道穿越该管线时采用CRD方法施工,拱部采用双排小导管注浆加固地层。施工期间地面最大沉降55.8mm,现场在自来水管上也布设了沉降监测点,沉降变形值为1.25mm,下部悬空4.3m。根据模型推算,中部最大变形允许值为8.38mm,下部悬空长度11.6m,结合自来水管的结构,检算管壁的拉力,拉力小于允许值,因此结构是安全的。管线下部的悬空部位现场用细砂回填,并注浆密实。3.3区间隧道下穿法华寺过街天桥桩基 将区间断面划分为2个洞室,先施作左侧洞室,由于上台阶与下台阶相错3m,上台阶工作面已经封闭,为保证左侧洞室开挖后能封闭成环,在上台阶3m范围加设水平I20a工字钢支撑,同时加设竖向临时中隔壁格栅,补喷30cm厚混凝土。下部开挖时与中隔壁格栅相连,形成封闭结构。 开挖采用台阶法,每进尺50cm支立一榀格栅,加设水平钢支撑,台阶长度控制在2m左右,封闭成环后及时对初期支护背后进行注浆。开挖方法见图6。 过桩基7m后,恢复隧道正常开挖。通过实际监测,天桥中墩最终沉降达到22.94mm,现场在对托换桩柱进行监测的同时,也对两侧15m的边墩进行了沉降监测,监测结果为7.45mm。这表明隧道开挖也影响了边墩,中墩和边墩的差异沉降为15.49mm,小于Δ容=25mm,因此天桥使用功能正常。 由于两个边墩与人行踏板相连,沉降后有一个错台,因上铺毡垫,对行走时的舒适度影响较小,如果超过一定数值,则应恢复原位,以保证行人行走时的舒适度。天桥桩基托换完成后,现场应采用千斤顶将中墩上部桥梁上顶15mm,重新调整支座高度,恢复天桥正常使用状态。4结语 对于地下建筑物沉降控制标准,应理论联系实际并进一步完善。根据不同建筑物的特点建立相应的验算模型,进行结构的受力、破坏临界值、差异变形等。结构的差异变形往往导致结构的整体破坏,施工中应充分重视。 实践中可以把破坏临界值分为3个等级,一级取容许值的70%,在70%范围内可以正常施工;当监测变形值大于0.7[Δ容]而小于0.85[Δ容]时,则应采取加固措施或改进施工方法;超过0.85[Δ容]时,进入三级控制状态,即进入应急控制状态,现场停工采取处理措施。我国的地铁施工现已经进入快速发展期,这方面的理论研究有广阔的应用前景。参考文献:［1］丁宇坤，唐坤全.从成都市红星路下穿地道施工浅谈成都地区地下工程施工技术［J］.铁道标准设计，2004（11）.［2］彭泽润.北京地铁复—八线土建工程施工技术［M］.北京：中国科学技术出版社，2003.［3］徐干成，白洪才.地下工程支护结构［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.［4］阳军生，刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形［M］.北京：中国铁道出版社，2002.［5］关宝树.隧道施工要点集［M］.北京：人民交通出版社，2003.
