既有13號線折線位移控制研究

既有13號線折線位移控制研究

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，中國積極開展了城市公共交通建設。城市軌道交通網(wǎng)絡中線路之間的交叉、換乘不可避免,節(jié)點車站大量存在。目前節(jié)點車站主要為同期建設、前期預留和穿越既有線三種建設形式。其中穿越既有線最為常見,可分為側(cè)穿、上穿或下穿等類型。穿越施工技術難度較大,上跨下穿的立體交叉穿越更是難于控制,首都機場線東直門車站上跨下穿既有13號線東直門站后折返線工程為類似重大風險工程的變形控制積累了很好的經(jīng)驗,具有積極的借鑒意義。1項目總結1.1地鐵d區(qū)員工雙跨雙穿結構核心隧道洞結構組成首都國際機場線東直門站位于北京東二環(huán)路東側(cè)，東直門外大街路北側(cè)，為東西走向。車站西側(cè)為東直門立交北橋和地鐵2號線東直門站，北側(cè)為城鐵13號線東直門站交通樞紐及東華廣場在建結構。東直門站為地下站，主體結構總長183.86m，由5段獨立結構組成，為A區(qū)～D區(qū)及安全線。其中C區(qū)為單層結構，上跨和下穿13號線折返線，結構長31.12m，寬16.52m。穿越處13號線折返線為暗挖單層雙聯(lián)拱隧道，穿越上方為明挖單層單跨箱形結構，長14m，寬12.3m，高7.75m，下方暗挖段寬12.05m，高7.52m。既有車站主體、明挖段和暗挖段連接處各設一變形縫，均處于工程影響范圍內(nèi)。新建上跨結構底板距折返線頂板僅200～300mm;下穿結構為單跨結構，緊貼折返線結構底板。上跨下穿中心線位于地鐵13號線K40+639.499處，為斜向交叉。新建東直門站與既有折返線位置關系見圖1ㄢ1.2地下水及下穿結構根據(jù)巖土工程勘察結果，下穿折返線暗挖結構頂板位于粉土層，底板位于卵石、中粗砂層，側(cè)墻自上而下依次穿越粘土、粉土、粉質(zhì)粘土、粉細砂、粉質(zhì)粘土、中粗砂以及卵石層。場區(qū)內(nèi)存在三層地下水:(1)潛水:水位標高26.31～26.65m，埋深14.40～14.80m。(2)承壓水:水頭標高17.13～17.50m，埋深23.10～23.90m。(3)承壓水:水頭標高12.00～12.57m，埋深27.90～28.60m。下穿結構底板位于第三層承壓水水頭以上，結構抗浮水位31.5m。地下水對混凝土結構無腐蝕性，鋼結構有弱腐蝕，干濕交替環(huán)境下對鋼筋混凝土中的鋼筋具弱腐蝕性。1.3施工方法為保證既有結構和運營線路的安全，本工程選用較為安全的平頂直墻洞樁托換法進行穿越施工。具體施工步驟見表1。2保證既有折返線的各項變形該工程周邊環(huán)境條件極為復雜，穿越處為既有隧道不同工法轉(zhuǎn)換節(jié)點位置，兩側(cè)為28m的深基坑，上跨土體開挖可引發(fā)折返線結構的上浮，跨縫設置的交叉渡線對沉降變形又極為敏感。因此，工程必須嚴格控制既有折返線的各項變形，保證城鐵13號線的安全運營。本工程采用第三方監(jiān)測和微量位移技術對既有折返線進行位移監(jiān)控和調(diào)整。第三方監(jiān)測可實時掌握穿越工程各工序中既有折返線的各項變形，提供及時、準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行預警預報，避免惡性事故發(fā)生，確保既有線安全運營;微量位移技術可有效地控制既有折返線結構的過量位移，保證折返線的正常使用。2.1監(jiān)測項目的控制本工程監(jiān)測范圍為穿越中線與折返線中線交點兩側(cè)40m內(nèi)。中心里程為K40+642.571，監(jiān)測里程為K40+602.571～K40+682.571ㄢ根據(jù)工程特點，采用現(xiàn)場巡視、自動化和人工監(jiān)測相結合的方法進行監(jiān)測。人工沉降監(jiān)測采用水準測量方法，水平位移監(jiān)測采用全站儀三維變形監(jiān)測方法;自動化監(jiān)測采用遠程自動化系統(tǒng)進行監(jiān)測。人工監(jiān)測具體內(nèi)容見表2ㄢ自動化監(jiān)測僅在折返線兩條變形縫之間(約16m)范圍內(nèi)進行，具體內(nèi)容見表3ㄢ人工監(jiān)測在影響區(qū)中心兩側(cè)以間距5m、10m布設監(jiān)測斷面，在斷面處、斷面兩側(cè)墻上、變形縫兩側(cè)、左右線軌頂?shù)忍幉荚O測點;自動化監(jiān)測在變形縫兩側(cè)、左線道岔附近布設測點。監(jiān)測測點布設具體位置見圖2ㄢ采用數(shù)值模擬、工程類比等方法，綜合確定各監(jiān)測項目的控制指標。工程監(jiān)測按三級控制標準進行管理，預警值、報警值分別取控制值的70%、80%，各監(jiān)測項目的控制指標見表4。對施工關鍵工序，隧道結構分步沉降控制與差異沉降控制指標見表5ㄢ2.2plc液壓同步控制系統(tǒng)組成為防止既有折返線結構的過量沉降，本工程引入主動沉降控制理念，首次在地鐵中采用PLC同步頂升主動沉降控制系統(tǒng)調(diào)整既有線結構的變形。PLC液壓同步控制系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)(油泵、油缸等)、監(jiān)測傳感系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等幾個部分組成。液壓系統(tǒng)由計算機控制，可以自動完成同步位移，實現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖、過程顯示、故障報警等多種功能。監(jiān)測傳感系統(tǒng)主要是由光柵尺、信號放大器、傳感線路及計算機組成，光柵尺的分辨率可達到0.005mm。2.3頂升系統(tǒng)控制系統(tǒng)為實現(xiàn)有效的位移調(diào)整,獲得各千斤頂布置部位既有折返線的精確變形,將既有結構遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)與PLC同步頂升系統(tǒng)連接,實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的同步互動。自動化監(jiān)測系統(tǒng)實時解算的數(shù)據(jù)傳輸?shù)巾斏到y(tǒng)主控計算機,可與各千斤頂處的頂升控制量進行比對,并與自身光柵尺位移變化進行比較,計算下一循環(huán)頂升力及節(jié)油壓等參數(shù),以供控制人員進行分析并通過工控系統(tǒng)進行控制。遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)與頂升系統(tǒng)聯(lián)動關系布置圖如圖3所示。既有結構自動化監(jiān)測靜力水準傳感器與頂升系統(tǒng)千斤頂布置對應位置關系如圖4所示。37年10月7日完成回填東直門站C區(qū)穿越工程自2006年9月21日導洞開挖開始，至2007年12月7日完成回填，其中下穿結構施工時間為2007年9月4日至22日，上跨結構施工時間為2007年9月24日至10月14日。期間，由于變形較大，對既有折返線結構進行了4次頂升工作，既有線的變形得到了有效控制。3.1前頂升和卸壓過程自動化監(jiān)測為了保證既有地鐵運營安全，本工程在夜間車輛停運期間進行了4次頂升工作，2007年10月18日夜間的頂升幅度最大，效果最明顯。千斤頂頂升期間自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)變化時程曲線見圖5ㄢ由圖5可知，下方?jīng)]有設置千斤頂?shù)臏y點上浮量較小(+0.16mm～+0.51mm)，而其它隧道、軌道結構沉降測點則有明顯上浮(+0.89mm～+1.74mm)，西北側(cè)變形縫處差異沉降明顯減小(-1.01mm)。千斤頂采取“加壓—穩(wěn)定—加壓—穩(wěn)定”的階段性加壓方式，反映在圖上為階梯狀的上升曲線。2007年10月25日夜間進行了頂板與折返線結構間千斤頂?shù)男秹汗ぷ鳌Ｐ秹汉蠹訌娏酥ёo。千斤頂卸壓期間自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)變化時程曲線見圖6ㄢ千斤頂卸壓前的頂升階段，施工單位有選擇性地對南側(cè)變形縫附近累計沉降變形較大的點進行了頂升，這些測點階段上浮量相對較大，達到了0.77mm。北側(cè)變形縫結構差異沉降也有所減小，達到-0.25mmㄢ在千斤頂頂升和卸壓階段，自動化監(jiān)測發(fā)揮了重要的指導作用。自動化監(jiān)測系統(tǒng)和頂升系統(tǒng)的連接使千斤頂?shù)捻斏Ч诛@著，十分鐘就能達到0.5mm的變化量，如此高頻率的監(jiān)測是常規(guī)監(jiān)測手段所達不到的。3.29年4月20日價值穩(wěn)定穩(wěn)定測壓本工程第三方監(jiān)測自2006年7月13日測定初始值始至2009年4月20日各項變形穩(wěn)定時結束，共歷時2年零9個多月。監(jiān)測結果準確地反映了既有折返線結構的各項變形。(1)圍巖變形結果分析隧道結構不同施工階段的沉降斷面見圖7ㄢ結果顯示，基坑開挖到底時，折返線隧道結構大部分測點處于上浮狀態(tài)，北側(cè)變形縫處結構上浮較大。隨著C區(qū)導洞施工、頂板施工的進行，折返線中部測點逐漸下沉，形成沉降槽。隧道結構最大沉降量為-12.7mm，超過報警值(-10.8mm)。折返線北側(cè)測點在2007年7月30日之前變化較小(-1.9～+1.4mm)，后由于上方東直門航空服務樓的持續(xù)加載，北側(cè)測點開始下沉，最大達到-6.8mm;南側(cè)部分測點仍處上浮狀態(tài)，最大上浮量+2.4mm。南側(cè)變形縫(里程K40+646.5)附近測點變化幅度較大。自動化監(jiān)測顯示隧道結構最大沉降量為-12.89mm，與人工監(jiān)測相接近。變形縫附近隧道結構測點變形情況見圖8。結果顯示，隨著既有折返線上部基坑開挖深度的增加，隧道結構逐步上浮。2006年11月下旬基坑開挖到基底，受氣溫降低、土體凍脹等影響，北變形縫以北測點繼續(xù)上浮，至12月底達到最大值11.3mm;而北變形縫以南測點未再上浮。隨著氣溫回升、基坑加載和導洞開挖的作用，北變形縫附近測點開始回落，到2007年4月底5月初基本至0附近，后隨著頂板施工和剩余土體開挖繼續(xù)下沉;2007年10月初由于降溫等影響，北變形縫附近測點又開始上浮，隨后C區(qū)回填致使北變形縫南側(cè)測點下沉，北側(cè)測點于2008年1月中旬上浮量達到3.0mm。此后，由于氣溫回升等影響，北變形縫附近測點下沉，后測點有輕微起伏，但C區(qū)已經(jīng)回填，結構不再裸露在外，起伏較小。北變形縫附近隧道結構最終下沉量為-9.4mmㄢ南變形縫附近測點在基坑開挖至基底，結構上浮至最大值(5.9mm)后即轉(zhuǎn)入沉降變形階段，最終沉降量為-12.6mmㄢ隧道結構水平位移大多小于1.0mm，累計最大變化量為1.5mm，未超出控制值。(2)軌道結構沉降控制值軌道結構變化基本與隧道結構相對應。上部基坑開挖完畢后，北側(cè)變形縫處軌道測點最大上浮量為6.6mm。軌道結構最大沉降量為-12.6mm。施工完成后大部分測點處于下沉狀態(tài)，南側(cè)部分測點處于上浮狀態(tài)，有3個測點超過上浮控制值，最大上浮量為+2.5mm。自動化監(jiān)測軌道結構最大沉降量較大，為-13.09mm，超過報警值(-11.0mm)。(3)結構變形對沉降和方面活動的影響軌道橫向高差變化控制效果較好，最大變化量為+1.4mm，未超出預警值(+2.8mm)。變形縫差異沉降和開合度的變化受隧道結構變形的影響，也出現(xiàn)季節(jié)性變化的特點，南側(cè)變形縫差異沉降為0.8mm，北側(cè)變形縫差異沉降為6.3mm;南側(cè)變形縫開合度為1.17mm;北側(cè)變形縫開合度為1.60mmㄢ軌距和支距最大變化量為±1.0mm，尖軌與基本軌差異沉降最大變化量為-0.71mm，均未超出預警值。4工程變形控制的結論和建議經(jīng)過各方的努力，首都機場線東直門車站順利建成。通過準確的監(jiān)測和及時、有效的位移調(diào)整，既有折返線的各項變形得到控制。安全運營未受影響。第三方監(jiān)測和微量位移技術的有機結合在上跨下穿重大穿越工程中發(fā)揮了積極的作用。通過本工程的變形控制得出以下結論和建議:(1)既有折返線上部基坑開挖造成隧道結構的上浮，由于氣溫、地質(zhì)條件等影響，結構上浮和變形縫變化具有季節(jié)性的特點，類似施工過程中應注意低溫時土體凍脹等對隧