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暗挖地铁隧道紧贴下穿既有地铁线路保护控制措施研

 
中铁第五勘察设计院集团有限公司

    2020年我国地铁总里程将达6100km,随着城市地铁的快速发展,许多新建线路不可避免地要下穿既有线路,新建线路对既有线路及既有线路周围建筑物的影响受到较多关注。新建地铁工程施工中,必须保证临近既有线路的安全运营。
    在北京、上海、广州、南京等城市出现了较多新建地铁隧道下穿既有地铁线路的案例。专家学者们主要利用现场监测、理论分析、数值模拟等手段研究了新建线路对既有线路的影响。洪开荣对广州地铁隧道穿越火车站站场的影响进行了研究。北京地铁工程建设中遇到近10处穿越既有地铁线的施工情况。本文结合青岛地铁建设中新建8号线下穿既有地铁3号线项目,研究下穿方案,并对拟采取方案构建有限元模型,分析对既有构筑物的影响。以此来判定方案的可行性。
1工程概况
    8号线青岛北站—沧口站矿山法段区间拱顶覆土18.3~22.4m,呈东西走向,小里程端接明挖区间,大里程端接矿山法区间。马蹄形断面,全包防水。3号线永平路站—火车北站区间明挖段隧道全长131.996m,暗挖段隧道全长1249.890m(含长链8.794m)。区间宽度11.22~14.840m,呈东西走向。顶板覆土厚度约为5.484~6.893m,底板埋深约12.034~13.493m。8号线区间隧道在里程ZDK47+540.430~ZDK47+570.768范围内侧穿运营的既有地铁3号线区间,隧道范围的围岩等级为Ⅵ级,如图1、图2所示,洞身穿越岩层主要为微风化花岗岩及其节理发育带,节理裂隙发育密集。拱顶覆土约16m,穿越段采用环形台阶法施工。地铁区间拱顶距离3号线垂直距离最近约1.0m。8号线与既有3号线平面关系如图3。
    场区主要由人工填土层(Qml4)、海相沼泽化沉积层(Qml4)及上更新统洪冲积层(Q3al+pl)组成。沧口断裂以东基岩为燕山晚期粗粒花岗岩,局部穿插花岗斑岩、煌斑岩脉状产出。受构造破碎带影响,部分地段揭露块状碎裂岩、破碎带、节理发育带等构造岩。沧口断裂以西基岩主要为白垩系青山群八亩地组安山岩、泥岩,受断裂影响,部分钻孔中揭露有相应岩性的构造岩。
    第⑴层素填土层,厚度为0.50~4.50m,层底标高为8.10~17.80m;第⑥层有机质粉质黏土层,厚度为1.00~3.80m,层底标高为-7.03~-3.74m;第⑾层粉质黏土层,厚度为0.50~4.80m,层厚度为0.50~4.80m,层底标高为-8.82~-4.57m。第⒃0-10层强风化上亚带层,厚度为1.00~3.80m,层底标高为7.10~16.10m。第⒃0-20层强风化下亚带层,厚度为0.40~16.50m,层底标高:-3.35~16.17m。第⒄层中等风化带层,厚度为0.80~9.60m,层底标高:-19.19~11.23m。第⒅层花岗岩微风化带层,厚度为0.50~24.50m,层顶标高:21.25~2.17m。
 
 
 
2施工方案
2.1支护措施
    参考文献[5-8]中新建隧道下穿既有线路方案,该项目设计采用喷锚构筑法,复合式衬砌结构,即以锚杆、钢筋网、喷射混凝土和钢架为初期支护,二次衬砌为模筑钢筋混凝土,采用全包防水。针对不同的工程水文地质、围岩等级及隧道跨度等差异设计隧道衬砌结构及选择开挖方法,如表1及图4所示。
 
 
2.2施工措施
    (1)施工期间应严格按“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的21字方针。严格控制开挖循环进尺,及时支护。
    (2)做好超前地质预报,及时探明掌子面前方地质及地下水发育情况,结合监测数据,动态调整设计参数。预留的围岩变形量应由实际情况确定,并根据量测反馈信息调整该参数。
    (3)穿越地铁3号线区间ZDK47+540.430~ZDK47+570.768里程范围内采用非爆破施工,严格控制超挖,杜绝欠挖。每循环0.5m后,采用液压破碎锤实行机械破碎开挖,并及时进行支护。
    (4)在穿越区范围内,施做超前探孔探测,依据出水情况采取具体堵水措施。
    (5)初支完成后尽快施工区间二次衬砌,同时注意做好初期支护及二次衬砌背后注浆,控制变形量。
    (6)施工前应探明管线,并注意加强监测。
    (7)区间施工至侧穿既有线位置前15m时,左右线掌子面须错开至少20m,即左右线掌子面错开穿越对地铁3号线的影响范围。
3控制指标
    隧道监测沉降控制指标应严格控制,超过限制时,需及时启动应急预案,并上报各部门。
    (1)隧道结构沉降为0~10mm,变化速率为1mm/d,(2)隧道结构上浮累计不超过5mm,变化速率为1mm/d;
    (3)隧道结构水平位移在3~5mm间变化速率为1mm/d;
    (4)隧道差异沉降为0.04%Ls,Ls为沿隧道轴向两监测点间距。
4有限元计算
    地层结构法计算采用MidasGTS(NX2017R1)二维有限元分析软件建模分析,根据地质勘探查明的区间隧道围岩的物理力学性质,在有限元计算当中采用了理想弹塑性材料,进行非线性计算。
    利用莫尔-库仑土体模型。模拟计算时,用梁单元衬砌(A型断面厚度为0.30m,B型断面厚度为0.35m),约束条件两侧限制水平移动,竖向限制水平和竖向两个方向约束。考虑初始地应力平衡,  忽略构造应力。隧道施工的分步开挖过程通过软件提供的“钝化”来实现。
    模拟计算模型尺寸选取,两侧取隧道3倍隧道跨度,底部也取3倍隧道跨度。通过选取3处相对关系,针对不同的开挖方法及支护措施模拟,结果如下:
    (1)构建地层结构模型如图5,隧道采用台阶法。从图6~图9可知:地表最大沉降量为3.96mm,既有线最大沉降为2.26mm。经计算,地面沉降、既有线沉降均满足设计控制标准的要求。
    (2)构建地层结构模型如图10,隧道采用环形台阶法。从图11~图14可知:地表最大沉降量为2.35mm,既有隧道沉降为3.33mm。经计算,地面沉降、既有隧道沉降均满足设计控制标准的要求。
    (3)构建地层结构模型如图15,隧道采用台阶法。从图16~图19可知:地表最大沉降为1.5mm,既有隧道沉降为0.61mm。经计算,地面沉降、既有隧道沉降均满足设计控制标准的要求。
 
 
 
 
5应急措施
    8号线青岛北站—沧口站区间隧道侧穿地铁3号线施工时,根据具体现场和施工情况考虑如下应急措施:
    首先建立严密的监控量测体系,随时反馈现场监测信息,指导施工生产。针对施工过程中可能出现的各种情况,制定相应应急预案,确保工程的顺利进行。
    地铁3号线区间结构发生既有结构变形达到预警值时:1)应该马上停止施工,增加监测频率;2)启动应急预案,进行专家论证分析沉降变形原因;3)制定新的施工方案同时进行施工交底;4)加强应急演练完善应急机制。
    因此,施工单位应提前编制相应施工方案、施工事故应急预案及人员疏散撤离方案,并上报地铁公司或相关部门进行备案,同时加强应急演练和管理人员思想的安全教育培训。
6结论
    新建地铁8号线紧贴下穿既有地铁3号线,新建隧道距离既有线最近距离只有约1.0m,很难消除对既有线的影响。工程采用喷锚构筑法进行设计,拱顶150°范围打设超前小导管,架立格栅钢架,拱墙设置系统锚杆的强支护措施,优化开挖工法,对于地质较差区域采用环形台阶法,减少对既有结构的变形影响。对于既选方案,应用MIDAS-GTS构建地质模型,结果显示,新建矿山法隧道施工对既有结构影响最大沉降位移为3.3mm,其在控制标准范围内,表明施工方案是安全可行的。
文章来源:(中国知网)

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