地鐵施工下穿建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究摘 要:地鐵施工中對(duì)既有建筑物產(chǎn)生一定的影響,施工期間需制定相應(yīng)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。由于建筑物結(jié)構(gòu)形式千差萬(wàn)別,沉降標(biāo)準(zhǔn)也隨之改變。目前,國(guó)內(nèi)這方面的相關(guān)技術(shù)規(guī)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(lái)諸多不便。以北京地鐵五號(hào)線施工中下穿建筑物的幾個(gè)實(shí)例作為分析對(duì)象,對(duì)施工中既有建筑沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的制定提出參考意見。關(guān)鍵詞:地鐵;下穿建筑物;沉降標(biāo)準(zhǔn)1問題的提出 在北京地鐵五號(hào)線施工中,暗挖區(qū)間隧道和一些車站穿越了不同的建筑物,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)特性有關(guān)。那么與地表沉降有什么關(guān)系呢?多大的地表沉降才會(huì)對(duì)地下設(shè)施、管線產(chǎn)生破壞作用?為此,尋求一種合適模型來(lái)計(jì)算各種既有建筑物設(shè)施的容許值很有必要,對(duì)于各種設(shè)施建立什么樣的模型是制定合理控制標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。2模型的建立 筆者對(duì)施工中的北京磁器口站兩條典型管線和法華寺過(guò)街天橋樁基沉降進(jìn)行分析研究,探討沉降控制標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查和資料收集,該管線采用頂進(jìn)法施工。污水管為2m一節(jié),采用承插接口形式,接口部添塞瀝青棉麻進(jìn)行防水。根據(jù)實(shí)際情況,提出差異沉降理論計(jì)算模型。模型見圖1。通過(guò)模型可以看出,當(dāng)承插頭全部滑出槽時(shí),則管線破壞,此時(shí)兩管節(jié)的外張距離為Δl=a,要保證管線不破壞,必須保證Δl<a。根據(jù)結(jié)構(gòu)容許理論的判定
2.2西南風(fēng)道下穿Φ1000mm自來(lái)水管線 自來(lái)水為有壓管線,一般多采用鋼管或鑄鐵管。在西南風(fēng)道施工中,有一條直徑為1000mm的自來(lái)水管,埋深1.0m,施工中地表沉降達(dá)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(lái)水上部的覆土作為土柱荷載,管內(nèi)自來(lái)水也作為內(nèi)部荷載,根據(jù)受力狀況此時(shí)可以把自來(lái)水管當(dāng)作一根梁來(lái)看待。當(dāng)隧道開挖時(shí),管下土體與自來(lái)水管分離,鋼管承載,模型見圖2。 由于自來(lái)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(dòng),因此可把鋼管簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁來(lái)對(duì)待。Q1按下式計(jì)算 q1=(d+htanφ)h·γ 式中 d———自來(lái)水管的外徑; h———自來(lái)水管的埋深;φ———土的內(nèi)摩擦角; γ———土的容重。 梁的截取長(zhǎng)度L可通過(guò)隧道沉降影響范圍計(jì)算。 L=B+H·tan(45+φ/2) 根據(jù)上述推算,計(jì)算該段自來(lái)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(shù)。 根據(jù)上式,結(jié)合自來(lái)水管的結(jié)構(gòu),檢算管壁的拉力。如果拉力小于允許值,表明結(jié)構(gòu)是安全的;如果大于允許值,按照容許值可以反推出[w],實(shí)際施工中把Δh=[w]作為控制標(biāo)準(zhǔn)。2.3區(qū)間隧道下穿法華寺過(guò)街天橋樁基 區(qū)間隧道K5+462.4處有一座法華寺過(guò)街天橋與隧道相交,該天橋基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)20cm,天橋結(jié)構(gòu)為等截面連續(xù)鋼混梁,梁長(zhǎng)30m。天橋的結(jié)構(gòu)型式見圖3。 針對(duì)沉降標(biāo)準(zhǔn)的制定,可以通過(guò)下面模型計(jì)算。模型見圖4。 模型為連續(xù)鋼混梁,其中L為結(jié)構(gòu)跨度,Δ為差異沉降數(shù)值。為了計(jì)算容許的Δ數(shù)值,可以將連續(xù)梁看作簡(jiǎn)支梁,通過(guò)計(jì)算簡(jiǎn)支梁的下沉撓度推出Δ數(shù)值。根據(jù)有關(guān)規(guī)范,鋼混梁的豎向撓度容許值為f=L/800,為了保證結(jié)構(gòu)使用功能,按照容許數(shù)值概念,在制定Δ數(shù)值時(shí)可取Δ=2f/3,即Δ=2L/3×800。法華寺人行天橋長(zhǎng)30m,根據(jù)上式計(jì)算Δ容=25mm。3 現(xiàn)場(chǎng)施工方法、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及模型應(yīng)用3.1車站拱部下穿Φ1980mm污水管 距污水管6m及過(guò)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(guò)污水管10m的位置段以及管棚工作室,加密格柵間距為35cm;聯(lián)結(jié)筋加密。 在污水管下方,主體結(jié)構(gòu)施工區(qū)域內(nèi)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(jié)體,承載管線,減小下沉。如圖5所示。監(jiān)測(cè)中在K6+118處布點(diǎn),間距按照4m布設(shè),當(dāng)監(jiān)測(cè)相鄰兩點(diǎn)的沉降數(shù)值超過(guò)21.5mm時(shí),表明結(jié)構(gòu)達(dá)到最大容許狀態(tài),現(xiàn)場(chǎng)需采取應(yīng)急處理措施。 通過(guò)對(duì)該段的地表沉降觀測(cè),該處在中洞通過(guò)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(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)表明,相鄰點(diǎn)的最大差異沉降為21mm,因此污水管結(jié)構(gòu)的使用功能完好,并沒有出現(xiàn)管線滲漏水的情況。 采用上述方法在結(jié)構(gòu)迅速通過(guò)管線時(shí)是比較安全的,但管線下部已產(chǎn)生了一定的張角,破壞了原有的防水功能,可能會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,長(zhǎng)期作用也會(huì)對(duì)管線的使用功能產(chǎn)生一定影響。當(dāng)降水井取消降水后,地下水位恢復(fù),則管線可恢復(fù)原有的使用功能。3.2西南風(fēng)道下穿Φ1000mm自來(lái)水管線 風(fēng)道穿越該管線時(shí)采用CRD方法施工,拱部采用雙排小導(dǎo)管注漿加固地層。施工期間地面最大沉降55.8mm,現(xiàn)場(chǎng)在自來(lái)水管上也布設(shè)了沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),沉降變形值為1.25mm,下部懸空4.3m。根據(jù)模型推算,中部最大變形允許值為8.38mm,下部懸空長(zhǎng)度11.6m,結(jié)合自來(lái)水管的結(jié)構(gòu),檢算管壁的拉力,拉力小于允許值,因此結(jié)構(gòu)是安全的。管線下部的懸空部位現(xiàn)場(chǎng)用細(xì)砂回填,并注漿密實(shí)。3.3區(qū)間隧道下穿法華寺過(guò)街天橋樁基 將區(qū)間斷面劃分為2個(gè)洞室,先施作左側(cè)洞室,由于上臺(tái)階與下臺(tái)階相錯(cuò)3m,上臺(tái)階工作面已經(jīng)封閉,為保證左側(cè)洞室開挖后能封閉成環(huán),在上臺(tái)階3m范圍加設(shè)水平I20a工字鋼支撐,同時(shí)加設(shè)豎向臨時(shí)中隔壁格柵,補(bǔ)噴30cm厚混凝土。下部開挖時(shí)與中隔壁格柵相連,形成封閉結(jié)構(gòu)。 開挖采用臺(tái)階法,每進(jìn)尺50cm支立一榀格柵,加設(shè)水平鋼支撐,臺(tái)階長(zhǎng)度控制在2m左右,封閉成環(huán)后及時(shí)對(duì)初期支護(hù)背后進(jìn)行注漿。開挖方法見圖6。 過(guò)樁基7m后,恢復(fù)隧道正常開挖。通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè),天橋中墩最終沉降達(dá)到22.94mm,現(xiàn)場(chǎng)在對(duì)托換樁柱進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí),也對(duì)兩側(cè)15m的邊墩進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)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(gè)邊墩與人行踏板相連,沉降后有一個(gè)錯(cuò)臺(tái),因上鋪氈墊,對(duì)行走時(shí)的舒適度影響較小,如果超過(guò)一定數(shù)值,則應(yīng)恢復(fù)原位,以保證行人行走時(shí)的舒適度。天橋樁基托換完成后,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)采用千斤頂將中墩上部橋梁上頂15mm,重新調(diào)整支座高度,恢復(fù)天橋正常使用狀態(tài)。4結(jié)語(yǔ) 對(duì)于地下建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)理論聯(lián)系實(shí)際并進(jìn)一步完善。根據(jù)不同建筑物的特點(diǎn)建立相應(yīng)的驗(yàn)算模型,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力、破壞臨界值、差異變形等。結(jié)構(gòu)的差異變形往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞,施工中應(yīng)充分重視。 實(shí)踐中可以把破壞臨界值分為3個(gè)等級(jí),一級(jí)取容許值的70%,在70%范圍內(nèi)可以正常施工;當(dāng)監(jiān)測(cè)變形值大于0.7[Δ容]而小于0.85[Δ容]時(shí),則應(yīng)采取加固措施或改進(jìn)施工方法;超過(guò)0.85[Δ容]時(shí),進(jìn)入三級(jí)控制狀態(tài),即進(jìn)入應(yīng)急控制狀態(tài),現(xiàn)場(chǎng)停工采取處理措施。我國(guó)的地鐵施工現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期,這方面的理論研究有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):［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(qū)地下工程施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004（11）.［2］彭澤潤(rùn).北京地鐵復(fù)—八線土建工程施工技術(shù)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2003.［3］徐干成，白洪才.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.［4］陽(yáng)軍生，劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動(dòng)及變形［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.［5］關(guān)寶樹.隧道施工要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.
2.2西南風(fēng)道下穿Φ1000mm自來(lái)水管線 自來(lái)水為有壓管線,一般多采用鋼管或鑄鐵管。在西南風(fēng)道施工中,有一條直徑為1000mm的自來(lái)水管,埋深1.0m,施工中地表沉降達(dá)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(lái)水上部的覆土作為土柱荷載,管內(nèi)自來(lái)水也作為內(nèi)部荷載,根據(jù)受力狀況此時(shí)可以把自來(lái)水管當(dāng)作一根梁來(lái)看待。當(dāng)隧道開挖時(shí),管下土體與自來(lái)水管分離,鋼管承載,模型見圖2。 由于自來(lái)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(dòng),因此可把鋼管簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁來(lái)對(duì)待。Q1按下式計(jì)算 q1=(d+htanφ)h·γ 式中 d———自來(lái)水管的外徑; h———自來(lái)水管的埋深;φ———土的內(nèi)摩擦角; γ———土的容重。 梁的截取長(zhǎng)度L可通過(guò)隧道沉降影響范圍計(jì)算。 L=B+H·tan(45+φ/2) 根據(jù)上述推算,計(jì)算該段自來(lái)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(shù)。 根據(jù)上式,結(jié)合自來(lái)水管的結(jié)構(gòu),檢算管壁的拉力。如果拉力小于允許值,表明結(jié)構(gòu)是安全的;如果大于允許值,按照容許值可以反推出[w],實(shí)際施工中把Δh=[w]作為控制標(biāo)準(zhǔn)。2.3區(qū)間隧道下穿法華寺過(guò)街天橋樁基 區(qū)間隧道K5+462.4處有一座法華寺過(guò)街天橋與隧道相交,該天橋基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)20cm,天橋結(jié)構(gòu)為等截面連續(xù)鋼混梁,梁長(zhǎng)30m。天橋的結(jié)構(gòu)型式見圖3。 針對(duì)沉降標(biāo)準(zhǔn)的制定,可以通過(guò)下面模型計(jì)算。模型見圖4。 模型為連續(xù)鋼混梁,其中L為結(jié)構(gòu)跨度,Δ為差異沉降數(shù)值。為了計(jì)算容許的Δ數(shù)值,可以將連續(xù)梁看作簡(jiǎn)支梁,通過(guò)計(jì)算簡(jiǎn)支梁的下沉撓度推出Δ數(shù)值。根據(jù)有關(guān)規(guī)范,鋼混梁的豎向撓度容許值為f=L/800,為了保證結(jié)構(gòu)使用功能,按照容許數(shù)值概念,在制定Δ數(shù)值時(shí)可取Δ=2f/3,即Δ=2L/3×800。法華寺人行天橋長(zhǎng)30m,根據(jù)上式計(jì)算Δ容=25mm。3 現(xiàn)場(chǎng)施工方法、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及模型應(yīng)用3.1車站拱部下穿Φ1980mm污水管 距污水管6m及過(guò)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(guò)污水管10m的位置段以及管棚工作室,加密格柵間距為35cm;聯(lián)結(jié)筋加密。 在污水管下方,主體結(jié)構(gòu)施工區(qū)域內(nèi)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(jié)體,承載管線,減小下沉。如圖5所示。監(jiān)測(cè)中在K6+118處布點(diǎn),間距按照4m布設(shè),當(dāng)監(jiān)測(cè)相鄰兩點(diǎn)的沉降數(shù)值超過(guò)21.5mm時(shí),表明結(jié)構(gòu)達(dá)到最大容許狀態(tài),現(xiàn)場(chǎng)需采取應(yīng)急處理措施。 通過(guò)對(duì)該段的地表沉降觀測(cè),該處在中洞通過(guò)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(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)表明,相鄰點(diǎn)的最大差異沉降為21mm,因此污水管結(jié)構(gòu)的使用功能完好,并沒有出現(xiàn)管線滲漏水的情況。 采用上述方法在結(jié)構(gòu)迅速通過(guò)管線時(shí)是比較安全的,但管線下部已產(chǎn)生了一定的張角,破壞了原有的防水功能,可能會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,長(zhǎng)期作用也會(huì)對(duì)管線的使用功能產(chǎn)生一定影響。當(dāng)降水井取消降水后,地下水位恢復(fù),則管線可恢復(fù)原有的使用功能。3.2西南風(fēng)道下穿Φ1000mm自來(lái)水管線 風(fēng)道穿越該管線時(shí)采用CRD方法施工,拱部采用雙排小導(dǎo)管注漿加固地層。施工期間地面最大沉降55.8mm,現(xiàn)場(chǎng)在自來(lái)水管上也布設(shè)了沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),沉降變形值為1.25mm,下部懸空4.3m。根據(jù)模型推算,中部最大變形允許值為8.38mm,下部懸空長(zhǎng)度11.6m,結(jié)合自來(lái)水管的結(jié)構(gòu),檢算管壁的拉力,拉力小于允許值,因此結(jié)構(gòu)是安全的。管線下部的懸空部位現(xiàn)場(chǎng)用細(xì)砂回填,并注漿密實(shí)。3.3區(qū)間隧道下穿法華寺過(guò)街天橋樁基 將區(qū)間斷面劃分為2個(gè)洞室,先施作左側(cè)洞室,由于上臺(tái)階與下臺(tái)階相錯(cuò)3m,上臺(tái)階工作面已經(jīng)封閉,為保證左側(cè)洞室開挖后能封閉成環(huán),在上臺(tái)階3m范圍加設(shè)水平I20a工字鋼支撐,同時(shí)加設(shè)豎向臨時(shí)中隔壁格柵,補(bǔ)噴30cm厚混凝土。下部開挖時(shí)與中隔壁格柵相連,形成封閉結(jié)構(gòu)。 開挖采用臺(tái)階法,每進(jìn)尺50cm支立一榀格柵,加設(shè)水平鋼支撐,臺(tái)階長(zhǎng)度控制在2m左右,封閉成環(huán)后及時(shí)對(duì)初期支護(hù)背后進(jìn)行注漿。開挖方法見圖6。 過(guò)樁基7m后,恢復(fù)隧道正常開挖。通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè),天橋中墩最終沉降達(dá)到22.94mm,現(xiàn)場(chǎng)在對(duì)托換樁柱進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí),也對(duì)兩側(cè)15m的邊墩進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)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(gè)邊墩與人行踏板相連,沉降后有一個(gè)錯(cuò)臺(tái),因上鋪氈墊,對(duì)行走時(shí)的舒適度影響較小,如果超過(guò)一定數(shù)值,則應(yīng)恢復(fù)原位,以保證行人行走時(shí)的舒適度。天橋樁基托換完成后,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)采用千斤頂將中墩上部橋梁上頂15mm,重新調(diào)整支座高度,恢復(fù)天橋正常使用狀態(tài)。4結(jié)語(yǔ) 對(duì)于地下建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)理論聯(lián)系實(shí)際并進(jìn)一步完善。根據(jù)不同建筑物的特點(diǎn)建立相應(yīng)的驗(yàn)算模型,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力、破壞臨界值、差異變形等。結(jié)構(gòu)的差異變形往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞,施工中應(yīng)充分重視。 實(shí)踐中可以把破壞臨界值分為3個(gè)等級(jí),一級(jí)取容許值的70%,在70%范圍內(nèi)可以正常施工;當(dāng)監(jiān)測(cè)變形值大于0.7[Δ容]而小于0.85[Δ容]時(shí),則應(yīng)采取加固措施或改進(jìn)施工方法;超過(guò)0.85[Δ容]時(shí),進(jìn)入三級(jí)控制狀態(tài),即進(jìn)入應(yīng)急控制狀態(tài),現(xiàn)場(chǎng)停工采取處理措施。我國(guó)的地鐵施工現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期,這方面的理論研究有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):［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(qū)地下工程施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004（11）.［2］彭澤潤(rùn).北京地鐵復(fù)—八線土建工程施工技術(shù)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2003.［3］徐干成，白洪才.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.［4］陽(yáng)軍生，劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動(dòng)及變形［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.［5］關(guān)寶樹.隧道施工要點(diǎn)集［M］.北京：人民交通出版社，2003.