發(fā)布時間：2015-01-09 11:16

 

【摘要】 針對北京地鐵七號線01標段達官營PBA暗挖車站及灣達大斷面暗挖區(qū)間在施工過程中存在的主要技術難題，通過現(xiàn)場試驗、數(shù)值分析、工藝改進、理論分析等方法，對富水砂卵石地層降水施工、PBA暗挖車站雙向小導洞開挖、PBA暗挖車站主體超前支護方案、超長管棚工藝改進、大斷面暗挖近距離下穿河流、雙聯(lián)拱大斷面隧道施工等關鍵技術開展研究。研究結果表明，采用“風動潛孔錘工藝+鋼管井身”快速一次成井工藝，有效地解決了卵石地層的降水難題；通過數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，研究了PBA小導洞橫通道雙向開挖方案的變形規(guī)律，提出不同開挖順序和不同錯距是關鍵因素，認為2.4-5.7-1.3-6.8開挖順序、錯距為15m開挖方案為最優(yōu)方案；通過數(shù)值模擬，對車站主體超前支護常用的三種方案（雙排小導管、深孔注漿、大管棚）進行了分析并進行多因子比選，提出大管棚方案為最優(yōu)方案；提出了“剛柔結合”的河道鋪襯與洞內(nèi)WSS深孔注漿的聯(lián)合方案，解決了大斷面暗挖近距離下穿河流的難題；首次提出了“CRD+CD”法實現(xiàn)雙聯(lián)拱大斷面暗挖的解決方案。 

1 緒論

1.1 研究背景及意義
1.1.1 軌道交通發(fā)展形勢背景
近年來，隨著我國城市化進程的快速推進，城市人口密度越來越大，城市基礎設施建設與城市化進程的矛盾日顯突出，城市交通問題已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P注和亟待解決的問題之一，由于地鐵具有“快捷、準時、環(huán)保”的特點，逐漸成為觖決城市交通擁堵的重要措施[1]。
目前各大城市都在大力發(fā)展地鐵。我國從 1965 年開始建第一條地鐵，截止到 2013年底，北京有 17 條運營線路，運營里程 465 公里；上海有運營線路 12 條，運營里程462 公里；廣州有運營線路 8 條線，運營里程 236 公里[2]。此外，其它省會城市和大中城市也都正在或開始修建地鐵，地鐵建設進入了快速發(fā)展時期，中國已將成為當今世界建設規(guī)模最大、建設速度最快的國家[3]。
隨著地鐵建設的快速發(fā)展，工法也在不斷地創(chuàng)新，從最早的單一明挖法，逐步發(fā)展為明挖法、蓋挖法、盾構法、暗挖法、鉆爆法[4]等多種工法并存的局面，尤其是在市區(qū)修建地鐵，受拆遷和管線改移的影響，暗挖法運用的越來越廣，暗挖法又劃分為臺階法、CD 法、CRD 法、雙側壁導坑法、中洞法、側洞法、洞樁法等多種工法。
北京地鐵七號線 01 標段工程，主要以大斷面暗挖施工為主，位于北京西客站至廣安門區(qū)域，環(huán)境條件（地面交通、地下管線及周邊建構筑物）復雜，對沉降控制有較高要求，而暗挖所穿越的地層又主要為砂卵石地層，自穩(wěn)性差，容易引起地層變形[5]，這種復雜環(huán)境條件下砂卵石地層大斷面暗挖是本工程的特點，也是相當大的難點[6]。 
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 砂卵石地層地質(zhì)特性及降水施工研究現(xiàn)狀
目前，地鐵隧道等巖土工程設計、施工所依賴的關鍵基礎數(shù)據(jù)—施工勘察報告均是在施工前通過地質(zhì)鉆探取芯、室內(nèi)試驗等方式完成[8]。這類勘察手段往往存在“一孔之見”，尤其是砂卵石等沖洪沉積地層離散型較大，難以準確反映實際地層情況；此外，鉆孔勘探也無法準確地確定地層卵石粒徑、含石量等關鍵參數(shù)[9]。這種地質(zhì)勘察技術瓶頸必然將導致在設計中存在一定風險，對施工也有一定的風險，通過施工過程的跟蹤勘察[10]，可以修正地層參數(shù)。
劉永勤[11]對砂卵石地層特性進行過初步研究，分析預測了不同的施工工法可能遇到的施工難題。江華[12]對北京的砂卵石地層盾構施工進行了研究，并提出了北京典型的砂卵石地層的定義。黨紅章[13]對成都地鐵砂卵石地層工程地質(zhì)特性進行了分析，建議滲透系數(shù) K=10~20m/d。向賢禮[14]對貴州省都勻市砂卵石地基的勘測方法及承載力進行了研究，建立了試驗模型。袁燦婷[15]采用現(xiàn)場波速波速試驗獲取了南京地區(qū)部分土層的力學參數(shù)。劉春[16]初步研究了巖土力學參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，為資源共享提供了一定的建議。李慎剛[17]對沙性地層的滲透性進行了數(shù)值模擬研究，提出了注漿壓力、注漿部位水頭壓力與漿液擴散距離的規(guī)律。
目前，大多數(shù)隧道暗挖施工中的超前探測[18-19]，主要通過洛陽鏟等手段進行作業(yè)前方 3-5m 的超前地質(zhì)探測，用以指導施工。洛陽鏟超前地質(zhì)探測在砂土、粘土等地層中可以探測 4m-8m 范圍，起到了很好的作用，可以發(fā)現(xiàn)作業(yè)前方存在的空洞、水囊等風險與隱患。但是，洛陽鏟超前地質(zhì)探測在砂卵石地層最多僅能探測 2-3m 深度，難以有效掌握開挖影響范圍內(nèi)的地質(zhì)異常情況。因此，對于砂卵石地層的超前探測需要從技術方法與措施上進行進一步研究[20]。
另一方面，對于地質(zhì)勘察階段由于鉆探勘察技術瓶頸產(chǎn)生的地層不確定性[21-23]，也應在施工過程中及時通過篩分、開挖作業(yè)面地質(zhì)描述與分析、現(xiàn)場原位試驗等手段予以補充勘察（也即施工跟蹤勘察），為設計、施工提供準確地層參數(shù)。然而，這類等施工跟蹤勘察沒有確定的規(guī)范、實施方法、作業(yè)標準等，開展這類試驗工作，形成勘察方法、標準與成果等有著重要的理論意義與工程實踐意義[24]。
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2 砂卵石地層地質(zhì)特性及降水井一次成井技術研究

本章主要根據(jù)勘察報告及現(xiàn)場開挖過程中的地質(zhì)揭示情況，對砂卵石地層的物理力學性能等參數(shù)進行分析、總結，為后續(xù)研究奠定基礎，同時針對城區(qū)砂卵石地層降水施工存在的難題，引進風動潛孔錘工藝，研制鋼管井一次成井技術，通過現(xiàn)場試驗驗證其可行性。
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2.1 引言
砂卵石是產(chǎn)生于第四紀沉積物[91]，它既不同于砂巖和礫巖，也不同于粘土，是一個綜合的地質(zhì)體，主要以漂石(塊石)、卵石(碎石)、圓爍(角爍)為主要成分，有砂土及少量粘性土粒的粗碎屑堆積物組成。卵石顆粒間的穩(wěn)定性主要依賴顆粒間嵌擠和摩擦來維持，這主要是因為顆粒之間幾乎沒有任何聯(lián)結性。
根據(jù)建筑地基基礎設計規(guī)范(GBJ7-89)的描述，圓碩指以圓及亞圓微粒為主要成份，并且粒徑大于 2mm 的微粒占全重一半以上的土；卵石指圓及亞圓為主要成份的微粒，而且微粒尺寸超過 20mm 的微粒超過全重的一半的土；漂石是指以圓及亞圓微粒占主要部分，并且粒徑超過 200mm 的微粒占全重一半以上的土。
北京地鐵達官營站及灣達區(qū)間緊挨西客站，位于北京西客運站與廣安門內(nèi)站之間，沿廣安門外大街東西方向布置。根據(jù)北京地區(qū)地質(zhì)構造特征及土質(zhì)分布規(guī)律可知，本段施工區(qū)域處在永定河沖洪積扇中下游，屬于北京“典型富水砂卵石地層”。
北京“典型砂卵石地層”[92-93]的定義表述如下：是由砂及碎石混合組成，其中粒徑超過 20mm 的碎石含量占總體積的一半以上，且粒徑超過 200mm 的漂石含量占總體積的 15%以上，地下水量豐富，滲透系數(shù)較大。
考慮到達官營車站及灣達區(qū)間所處位置地質(zhì)條件復雜，施工難度大，大斷面暗挖施工自身風險和環(huán)境風險都非常大，因此非常有必要深入研究暗挖區(qū)間所穿越砂卵石地層的地質(zhì)水文規(guī)律，為后續(xù)的研究工作打下良好的基礎。
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3 砂卵石地層 PBA 車站小導洞雙向開挖方案研究....................... 47-69 
3.1 引言....................... 47 
3.2 模型的建立............... 47-49 
3.3 模型的驗證 ...........................49-53 
3.3.1 實際開挖方案 .............................49-50 
3.3.2 實際開挖方案的數(shù)值模擬結果 .................50-53 
3.4 導洞之間不同開挖錯距的比較 ................................53-58 
3.4.1 錯距為 10 米時模擬結果 .................54-55 
3.4.2 錯距為 20 米時模擬結果.................... 55-56 
3.4.3 不同開挖錯距影響的對比分析....................... 56-58 
3.5 導洞不同開洞順序的比較........................ 58-65 
3.5.1 方案 1.4‐6‐2.7‐3.5.8 ......................58-60 
3.5.2 方案 1.3‐6.8‐2.4‐5.7 .............................60-63 
3.5.3 方案 2.4‐5.7‐1.3‐6.8 .........................63-65 
3.6 關鍵地下管線的沉降比較 .........................65-67 
3.7 本章小結............................... 67-69 
4 砂卵石地層 PBA 車站主體超前支護方案及管棚工藝改進研究............ 69-99 
4.1 引言........................... 69 
4.2 模型的建立................. 69-76 
4.2.1 計算域 ..............71-72 
4.2.2 約束條件 .............72 
4.2.3 單元類型................. 72-73 
4.2.4 力學參數(shù) ..........................73-76 
4.3 超前支護方案綜述 ....................76-78 
4.3.1 大管棚方案 ..........................76-77 
4.3.2 雙排小導管注漿方案............................... 77 
4.3.3 深孔注漿方案 ............................77-78 
4.4 三種方案對主體階段地層變形影響規(guī)律數(shù)值分析 ...............78-86 
4.4.1 三種超前支護在扣拱階段對地表土體沉降影響................ 79-85 
4.4.2 三種超前支護方案對電力方溝管線沉降影響 ...................85-86 
4.5 數(shù)值計算結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析 .................86-88 
4.6 三種超前支護方案多目標模糊優(yōu)選 ..................88-91 
4.6.1 模糊數(shù)學基本概念 ....................88 
4.6.2 超前支護方面多目標模糊優(yōu)選的實現(xiàn)....................... 88-91 
4.7 砂卵石地層超長管棚工藝改進研究.................... 91-97 
4.7.1 管棚概況 ................91-93 
4.7.2 地質(zhì)條件............................. 93-94 
4.7.3 風動潛孔錘拖管鉆進工工藝原理.................... 94-95 
4.7.4 管棚試驗研究.................................... 95-97 
4.7.5 改進措施后試驗結果........................... 97 
4.8 本章小結 .................................97-99 
5 砂卵石地層 CRD 大斷面暗挖近距離下穿河流關鍵技術研究................. 99-111 

6 砂卵石地層雙聯(lián)拱隧道采用“CRD+CD”法施工的關鍵技術研究

6.1 引言
北京地鐵七號線灣達區(qū)間雙連拱大斷面區(qū)間一側與灣子站相接，另一側與達官營站相接，由于灣子站為側式站臺，線間距較小，與灣子站相接部位采用雙連拱大斷面進行過渡，過渡到雙線分離的標準斷面隧道。按照原方案，雙連拱斷面是采用“中洞法”，要等待車站結構完成提供馬頭門條件后方可施作，但車站由于拆遷原因遲遲不能開工，同時施工場地又不具備設施工豎井、橫通道條件，采用“中洞法”無法施工，如果等下去將會嚴重影響總工期（滯后 1 年），同時標準斷面隧道施工進展順利，馬上即將到達，問題相當嚴竣。為了不影響工期，經(jīng)過反復方案研究，發(fā)現(xiàn)可采用“CRD+CD”法組合來實現(xiàn)雙連拱斷面，本章重點研究“CRD+CD”法如何來實現(xiàn)雙連拱隧道，以及工序的轉換節(jié)點如何進行處理，如何來確保安全，通過總結一些經(jīng)驗，可為以后類似工程提拱參考，也為大斷面暗挖的施工提供了一種“分部開挖、劃大為小”的思路，具有很好的理論意義和實踐意義。
6.2 工程概況
灣子站～達官營站區(qū)間與灣子站接口處約 47m 為雙聯(lián)拱斷面，斷面如圖 6.1 所示，原方案采用中洞法，筆耕文化推薦期刊，由灣子站主體結構進行暗挖施工，斷面形式為由大逐漸變小，施工難度及風險較小。
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結論

復雜城市環(huán)境條件下，砂卵石地層的大斷面暗挖施工難度大、風險高。本文結合北京地鐵七號線達官營站和灣達區(qū)間，通過理論分析、現(xiàn)場試驗、數(shù)值模擬、工藝改進、監(jiān)控量測等手段，對大斷面開挖群洞效應、超前支護技術、過河流特級風險源、工籌調(diào)整、鉆進成孔等技術難點進行了研究，獲得的主要結論如下： 
（1）針對富水富含大粒徑卵石地層中的降水井施工，首次引進風動潛孔錘鉆進工藝和鋼制套管護壁技術，將套管改良為降水井井管，一次成井，通過現(xiàn)場試驗及理論分析表明，這種“快速一次成井工藝”，很好地解決了砂卵石地層降水難題，值得推廣。
（2）開展砂卵石地層 PBA 法小導洞雙向開挖方案群洞效應影響研究，主要得到了如下的結論：
①選取 4 種典型的開挖組合方案，通過數(shù)值模擬計算，從最大沉降值，沉降槽寬度系數(shù)、沉降槽變化規(guī)律、單個監(jiān)測點的沉降曲線和施工情況五個方面進行比較分析，認為 2.4-5.7-1.3-6.8 方案最優(yōu)。
②研究了在實際開挖方案 1.4-2.5.8-3.6-7 下，不同開挖錯距的地層沉降變化規(guī)律。錯距為 10 米時，最大沉降值為-1.326cm、沉降槽寬度系數(shù)為 9.76m；錯距為 15 米時，最大沉降值為-1.362cm、沉降槽寬度系數(shù)為 9.71m；錯距為 20 米時，最大沉降值為-1.38cm、沉降槽寬度系數(shù)為 9.68m。不難發(fā)現(xiàn)隨著開挖錯距的增加，最大沉降值有所增加，但反彎點距離一直在減少。通過對比三種開挖錯距情況下單個監(jiān)測點的沉降曲線，可以發(fā)現(xiàn)開挖錯距為 10 米時沉降速度最快，15 米時沉降速度慢于 10 米的情況，開挖錯距達到 20 米時，沉降速度最慢，而且曲線中出現(xiàn)了明顯的穩(wěn)定沉降階段。由此可見，開挖錯距對沉降速率的影響是開挖錯距越大，沉降速率越小，逐漸地會形成和出現(xiàn)穩(wěn)定沉降階段。
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本文編號：11046