既有13號(hào)線折線位移控制研究

既有13號(hào)線折線位移控制研究

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，中國(guó)積極開(kāi)展了城市公共交通建設(shè)。城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中線路之間的交叉、換乘不可避免,節(jié)點(diǎn)車站大量存在。目前節(jié)點(diǎn)車站主要為同期建設(shè)、前期預(yù)留和穿越既有線三種建設(shè)形式。其中穿越既有線最為常見(jiàn),可分為側(cè)穿、上穿或下穿等類型。穿越施工技術(shù)難度較大,上跨下穿的立體交叉穿越更是難于控制,首都機(jī)場(chǎng)線東直門車站上跨下穿既有13號(hào)線東直門站后折返線工程為類似重大風(fēng)險(xiǎn)工程的變形控制積累了很好的經(jīng)驗(yàn),具有積極的借鑒意義。1項(xiàng)目總結(jié)1.1地鐵d區(qū)員工雙跨雙穿結(jié)構(gòu)核心隧道洞結(jié)構(gòu)組成首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)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(hào)線東直門站，北側(cè)為城鐵13號(hào)線東直門站交通樞紐及東華廣場(chǎng)在建結(jié)構(gòu)。東直門站為地下站，主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)183.86m，由5段獨(dú)立結(jié)構(gòu)組成，為A區(qū)～D區(qū)及安全線。其中C區(qū)為單層結(jié)構(gòu)，上跨和下穿13號(hào)線折返線，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)31.12m，寬16.52m。穿越處13號(hào)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(jié)構(gòu)，長(zhǎng)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(shè)一變形縫，均處于工程影響范圍內(nèi)。新建上跨結(jié)構(gòu)底板距折返線頂板僅200～300mm;下穿結(jié)構(gòu)為單跨結(jié)構(gòu)，緊貼折返線結(jié)構(gòu)底板。上跨下穿中心線位于地鐵13號(hào)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(guān)系見(jiàn)圖1ㄢ1.2地下水及下穿結(jié)構(gòu)根據(jù)巖土工程勘察結(jié)果，下穿折返線暗挖結(jié)構(gòu)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(xì)砂、粉質(zhì)粘土、中粗砂以及卵石層。場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在三層地下水:(1)潛水:水位標(biāo)高26.31～26.65m，埋深14.40～14.80m。(2)承壓水:水頭標(biāo)高17.13～17.50m，埋深23.10～23.90m。(3)承壓水:水頭標(biāo)高12.00～12.57m，埋深27.90～28.60m。下穿結(jié)構(gòu)底板位于第三層承壓水水頭以上，結(jié)構(gòu)抗浮水位31.5m。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性，鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕，干濕交替環(huán)境下對(duì)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(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)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(jìn)行穿越施工。具體施工步驟見(jiàn)表1。2保證既有折返線的各項(xiàng)變形該工程周邊環(huán)境條件極為復(fù)雜，穿越處為既有隧道不同工法轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)位置，兩側(cè)為28m的深基坑，上跨土體開(kāi)挖可引發(fā)折返線結(jié)構(gòu)的上浮，跨縫設(shè)置的交叉渡線對(duì)沉降變形又極為敏感。因此，工程必須嚴(yán)格控制既有折返線的各項(xiàng)變形，保證城鐵13號(hào)線的安全運(yùn)營(yíng)。本工程采用第三方監(jiān)測(cè)和微量位移技術(shù)對(duì)既有折返線進(jìn)行位移監(jiān)控和調(diào)整。第三方監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)掌握穿越工程各工序中既有折返線的各項(xiàng)變形，提供及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，避免惡性事故發(fā)生，確保既有線安全運(yùn)營(yíng);微量位移技術(shù)可有效地控制既有折返線結(jié)構(gòu)的過(guò)量位移，保證折返線的正常使用。2.1監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的控制本工程監(jiān)測(cè)范圍為穿越中線與折返線中線交點(diǎn)兩側(cè)40m內(nèi)。中心里程為K40+642.571，監(jiān)測(cè)里程為K40+602.571～K40+682.571ㄢ根據(jù)工程特點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)巡視、自動(dòng)化和人工監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。人工沉降監(jiān)測(cè)采用水準(zhǔn)測(cè)量方法，水平位移監(jiān)測(cè)采用全站儀三維變形監(jiān)測(cè)方法;自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采用遠(yuǎn)程自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。人工監(jiān)測(cè)具體內(nèi)容見(jiàn)表2ㄢ自動(dòng)化監(jiān)測(cè)僅在折返線兩條變形縫之間(約16m)范圍內(nèi)進(jìn)行，具體內(nèi)容見(jiàn)表3ㄢ人工監(jiān)測(cè)在影響區(qū)中心兩側(cè)以間距5m、10m布設(shè)監(jiān)測(cè)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(shè)測(cè)點(diǎn);自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在變形縫兩側(cè)、左線道岔附近布設(shè)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)具體位置見(jiàn)圖2ㄢ采用數(shù)值模擬、工程類比等方法，綜合確定各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的控制指標(biāo)。工程監(jiān)測(cè)按三級(jí)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理，預(yù)警值、報(bào)警值分別取控制值的70%、80%，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的控制指標(biāo)見(jiàn)表4。對(duì)施工關(guān)鍵工序，隧道結(jié)構(gòu)分步沉降控制與差異沉降控制指標(biāo)見(jiàn)表5ㄢ2.2plc液壓同步控制系統(tǒng)組成為防止既有折返線結(jié)構(gòu)的過(guò)量沉降，本工程引入主動(dòng)沉降控制理念，首次在地鐵中采用PLC同步頂升主動(dòng)沉降控制系統(tǒng)調(diào)整既有線結(jié)構(gòu)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(cè)傳感系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。液壓系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，可以自動(dòng)完成同步位移，實(shí)現(xiàn)力和位移控制、操作閉鎖、過(guò)程顯示、故障報(bào)警等多種功能。監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)主要是由光柵尺、信號(hào)放大器、傳感線路及計(jì)算機(jī)組成，光柵尺的分辨率可達(dá)到0.005mm。2.3頂升系統(tǒng)控制系統(tǒng)為實(shí)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(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與PLC同步頂升系統(tǒng)連接,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的同步互動(dòng)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算的數(shù)據(jù)傳輸?shù)巾斏到y(tǒng)主控計(jì)算機(jī),可與各千斤頂處的頂升控制量進(jìn)行比對(duì),并與自身光柵尺位移變化進(jìn)行比較,計(jì)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(jìn)行分析并通過(guò)工控系統(tǒng)進(jìn)行控制。遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與頂升系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)關(guān)系布置圖如圖3所示。既有結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)靜力水準(zhǔn)傳感器與頂升系統(tǒng)千斤頂布置對(duì)應(yīng)位置關(guān)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(dǎo)洞開(kāi)挖開(kāi)始，至2007年12月7日完成回填，其中下穿結(jié)構(gòu)施工時(shí)間為2007年9月4日至22日，上跨結(jié)構(gòu)施工時(shí)間為2007年9月24日至10月14日。期間，由于變形較大，對(duì)既有折返線結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guò)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為了保證既有地鐵運(yùn)營(yíng)安全，本工程在夜間車輛停運(yùn)期間進(jìn)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(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化時(shí)程曲線見(jiàn)圖5ㄢ由圖5可知，下方?jīng)]有設(shè)置千斤頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)上浮量較小(+0.16mm～+0.51mm)，而其它隧道、軌道結(jié)構(gòu)沉降測(cè)點(diǎn)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(jìn)行了頂板與折返線結(jié)構(gòu)間千斤頂?shù)男秹汗ぷ?。卸壓后加?qiáng)了支護(hù)。千斤頂卸壓期間自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化時(shí)程曲線見(jiàn)圖6ㄢ千斤頂卸壓前的頂升階段，施工單位有選擇性地對(duì)南側(cè)變形縫附近累計(jì)沉降變形較大的點(diǎn)進(jìn)行了頂升，這些測(cè)點(diǎn)階段上浮量相對(duì)較大，達(dá)到了0.77mm。北側(cè)變形縫結(jié)構(gòu)差異沉降也有所減小，達(dá)到-0.25mmㄢ在千斤頂頂升和卸壓階段，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(dá)到0.5mm的變化量，如此高頻率的監(jiān)測(cè)是常規(guī)監(jiān)測(cè)手段所達(dá)不到的。3.29年4月20日價(jià)值穩(wěn)定穩(wěn)定測(cè)壓本工程第三方監(jiān)測(cè)自2006年7月13日測(cè)定初始值始至2009年4月20日各項(xiàng)變形穩(wěn)定時(shí)結(jié)束，共歷時(shí)2年零9個(gè)多月。監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確地反映了既有折返線結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)變形。(1)圍巖變形結(jié)果分析隧道結(jié)構(gòu)不同施工階段的沉降斷面見(jiàn)圖7ㄢ結(jié)果顯示，基坑開(kāi)挖到底時(shí)，折返線隧道結(jié)構(gòu)大部分測(cè)點(diǎn)處于上浮狀態(tài)，北側(cè)變形縫處結(jié)構(gòu)上浮較大。隨著C區(qū)導(dǎo)洞施工、頂板施工的進(jìn)行，折返線中部測(cè)點(diǎn)逐漸下沉，形成沉降槽。隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為-12.7mm，超過(guò)報(bào)警值(-10.8mm)。折返線北側(cè)測(cè)點(diǎn)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(wù)樓的持續(xù)加載，北側(cè)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始下沉，最大達(dá)到-6.8mm;南側(cè)部分測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)變化幅度較大。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)顯示隧道結(jié)構(gòu)最大沉降量為-12.89mm，與人工監(jiān)測(cè)相接近。變形縫附近隧道結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)變形情況見(jiàn)圖8。結(jié)果顯示，隨著既有折返線上部基坑開(kāi)挖深度的增加，隧道結(jié)構(gòu)逐步上浮。2006年11月下旬基坑開(kāi)挖到基底，受氣溫降低、土體凍脹等影響，北變形縫以北測(cè)點(diǎn)繼續(xù)上浮，至12月底達(dá)到最大值11.3mm;而北變形縫以南測(cè)點(diǎn)未再上浮。隨著氣溫回升、基坑加載和導(dǎo)洞開(kāi)挖的作用，北變形縫附近測(cè)點(diǎn)開(kāi)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(kāi)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(cè)點(diǎn)又開(kāi)始上浮，隨后C區(qū)回填致使北變形縫南側(cè)測(cè)點(diǎn)下沉，北側(cè)測(cè)點(diǎn)于2008年1月中旬上浮量達(dá)到3.0mm。此后，由于氣溫回升等影響，北變形縫附近測(cè)點(diǎn)下沉，后測(cè)點(diǎn)有輕微起伏，但C區(qū)已經(jīng)回填，結(jié)構(gòu)不再裸露在外，起伏較小。北變形縫附近隧道結(jié)構(gòu)最終下沉量為-9.4mmㄢ南變形縫附近測(cè)點(diǎn)在基坑開(kāi)挖至基底，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)水平位移大多小于1.0mm，累計(jì)最大變化量為1.5mm，未超出控制值。(2)軌道結(jié)構(gòu)沉降控制值軌道結(jié)構(gòu)變化基本與隧道結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。上部基坑開(kāi)挖完畢后，北側(cè)變形縫處軌道測(cè)點(diǎn)最大上浮量為6.6mm。軌道結(jié)構(gòu)最大沉降量為-12.6mm。施工完成后大部分測(cè)點(diǎn)處于下沉狀態(tài)，南側(cè)部分測(cè)點(diǎn)處于上浮狀態(tài)，有3個(gè)測(cè)點(diǎn)超過(guò)上浮控制值，最大上浮量為+2.5mm。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軌道結(jié)構(gòu)最大沉降量較大，為-13.09mm，超過(guò)報(bào)警值(-11.0mm)。(3)結(jié)構(gòu)變形對(duì)沉降和方面活動(dòng)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(yù)警值(+2.8mm)。變形縫差異沉降和開(kāi)合度的變化受隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，也出現(xiàn)季節(jié)性變化的特點(diǎn)，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(kāi)合度為1.17mm;北側(cè)變形縫開(kāi)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(yù)警值。4工程變形控制的結(jié)論和建議經(jīng)過(guò)各方的努力，首都機(jī)場(chǎng)線東直門車站順利建成。通過(guò)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和及時(shí)、有效的位移調(diào)整，既有折返線的各項(xiàng)變形得到控制。安全運(yùn)營(yíng)未受影響。第三方監(jiān)測(cè)和微量位移技術(shù)的有機(jī)結(jié)合在上跨下穿重大穿越工程中發(fā)揮了積極的作用。通過(guò)本工程的變形控制得出以下結(jié)論和建議:(1)既有折返線上部基坑開(kāi)挖造成隧道結(jié)構(gòu)的上浮，由于氣溫、地質(zhì)條件等影響，結(jié)構(gòu)上浮和變形縫變化具有季節(jié)性的特點(diǎn)，類似施工過(guò)程中應(yīng)注意低溫時(shí)土體凍脹等對(duì)隧