北京地铁七号线达官营站及湾达区间大断面暗挖关键技术研究
【摘要】 针对北京地铁七号线01标段达官营PBA暗挖车站及湾达大断面暗挖区间在施工过程中存在的主要技术难题，通过现场试验、数值分析、工艺改进、理论分析等方法，对富水砂卵石地层降水施工、PBA暗挖车站双向小导洞开挖、PBA暗挖车站主体超前支护方案、超长管棚工艺改进、大断面暗挖近距离下穿河流、双联拱大断面隧道施工等关键技术开展研究。研究结果表明，采用“风动潜孔锤工艺+钢管井身”快速一次成井工艺，有效地解决了卵石地层的降水难题；通过数值模拟和监测数据分析，研究了PBA小导洞横通道双向开挖方案的变形规律，提出不同开挖顺序和不同错距是关键因素，认为2.4-5.7-1.3-6.8开挖顺序、错距为15m开挖方案为最优方案；通过数值模拟，对车站主体超前支护常用的三种方案（双排小导管、深孔注浆、大管棚）进行了分析并进行多因子比选，提出大管棚方案为最优方案；提出了“刚柔结合”的河道铺衬与洞内WSS深孔注浆的联合方案，解决了大断面暗挖近距离下穿河流的难题；首次提出了“CRD+CD”法实现双联拱大断面暗挖的解决方案。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 轨道交通发展形势背景
近年来，随着我国城市化进程的快速推进，城市人口密度越来越大，城市基础设施建设与城市化进程的矛盾日显突出，城市交通问题已经成为人们日益关注和亟待解决的问题之一，由于地铁具有“快捷、准时、环保”的特点，逐渐成为觖决城市交通拥堵的重要措施[1]。
目前各大城市都在大力发展地铁。我国从 1965 年开始建第一条地铁，截止到 2013年底，北京有 17 条运营线路，运营里程 465 公里；上海有运营线路 12 条，运营里程462 公里；广州有运营线路 8 条线，运营里程 236 公里[2]。此外，其它省会城市和大中城市也都正在或开始修建地铁，地铁建设进入了快速发展时期，中国已将成为当今世界建设规模最大、建设速度最快的国家[3]。
随着地铁建设的快速发展，工法也在不断地创新，从最早的单一明挖法，逐步发展为明挖法、盖挖法、盾构法、暗挖法、钻爆法[4]等多种工法并存的局面，尤其是在市区修建地铁，受拆迁和管线改移的影响，暗挖法运用的越来越广，暗挖法又划分为台阶法、CD 法、CRD 法、双侧壁导坑法、中洞法、侧洞法、洞桩法等多种工法。
北京地铁七号线 01 标段工程，主要以大断面暗挖施工为主，位于北京西客站至广安门区域，环境条件（地面交通、地下管线及周边建构筑物）复杂，对沉降控制有较高要求，而暗挖所穿越的地层又主要为砂卵石地层，自稳性差，容易引起地层变形[5]，这种复杂环境条件下砂卵石地层大断面暗挖是本工程的特点，也是相当大的难点[6]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 砂卵石地层地质特性及降水施工研究现状
目前，地铁隧道等岩土工程设计、施工所依赖的关键基础数据—施工勘察报告均是在施工前通过地质钻探取芯、室内试验等方式完成[8]。这类勘察手段往往存在“一孔之见”，尤其是砂卵石等冲洪沉积地层离散型较大，难以准确反映实际地层情况；此外，钻孔勘探也无法准确地确定地层卵石粒径、含石量等关键参数[9]。这种地质勘察技术瓶颈必然将导致在设计中存在一定风险，对施工也有一定的风险，通过施工过程的跟踪勘察[10]，可以修正地层参数。
刘永勤[11]对砂卵石地层特性进行过初步研究，分析预测了不同的施工工法可能遇到的施工难题。江华[12]对北京的砂卵石地层盾构施工进行了研究，并提出了北京典型的砂卵石地层的定义。党红章[13]对成都地铁砂卵石地层工程地质特性进行了分析，建议渗透系数 K=10~20m/d。向贤礼[14]对贵州省都匀市砂卵石地基的勘测方法及承载力进行了研究，建立了试验模型。袁灿婷[15]采用现场波速波速试验获取了南京地区部分土层的力学参数。刘春[16]初步研究了岩土力学参数的数据库，为资源共享提供了一定的建议。李慎刚[17]对沙性地层的渗透性进行了数值模拟研究，提出了注浆压力、注浆部位水头压力与浆液扩散距离的规律。
目前，大多数隧道暗挖施工中的超前探测[18-19]，主要通过洛阳铲等手段进行作业前方 3-5m 的超前地质探测，用以指导施工。洛阳铲超前地质探测在砂土、粘土等地层中可以探测 4m-8m 范围，起到了很好的作用，可以发现作业前方存在的空洞、水囊等风险与隐患。但是，洛阳铲超前地质探测在砂卵石地层最多仅能探测 2-3m 深度，难以有效掌握开挖影响范围内的地质异常情况。因此，对于砂卵石地层的超前探测需要从技术方法与措施上进行进一步研究[20]。
另一方面，对于地质勘察阶段由于钻探勘察技术瓶颈产生的地层不确定性[21-23]，也应在施工过程中及时通过筛分、开挖作业面地质描述与分析、现场原位试验等手段予以补充勘察（也即施工跟踪勘察），为设计、施工提供准确地层参数。然而，这类等施工跟踪勘察没有确定的规范、实施方法、作业标准等，开展这类试验工作，形成勘察方法、标准与成果等有着重要的理论意义与工程实践意义[24]。
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2 砂卵石地层地质特性及降水井一次成井技术研究
本章主要根据勘察报告及现场开挖过程中的地质揭示情况，对砂卵石地层的物理力学性能等参数进行分析、总结，为后续研究奠定基础，同时针对城区砂卵石地层降水施工存在的难题，引进风动潜孔锤工艺，研制钢管井一次成井技术，通过现场试验验证其可行性。
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2.1 引言
砂卵石是产生于第四纪沉积物[91]，它既不同于砂岩和砾岩，也不同于粘土，是一个综合的地质体，主要以漂石(块石)、卵石(碎石)、圆烁(角烁)为主要成分，有砂土及少量粘性土粒的粗碎屑堆积物组成。卵石颗粒间的稳定性主要依赖颗粒间嵌挤和摩擦来维持，这主要是因为颗粒之间几乎没有任何联结性。
根据建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)的描述，圆硕指以圆及亚圆微粒为主要成份，并且粒径大于 2mm 的微粒占全重一半以上的土；卵石指圆及亚圆为主要成份的微粒，而且微粒尺寸超过 20mm 的微粒超过全重的一半的土；漂石是指以圆及亚圆微粒占主要部分，并且粒径超过 200mm 的微粒占全重一半以上的土。
北京地铁达官营站及湾达区间紧挨西客站，位于北京西客运站与广安门内站之间，沿广安门外大街东西方向布置。根据北京地区地质构造特征及土质分布规律可知，本段施工区域处在永定河冲洪积扇中下游，属于北京“典型富水砂卵石地层”。
北京“典型砂卵石地层”[92-93]的定义表述如下：是由砂及碎石混合组成，其中粒径超过 20mm 的碎石含量占总体积的一半以上，且粒径超过 200mm 的漂石含量占总体积的 15%以上，地下水量丰富，渗透系数较大。
考虑到达官营车站及湾达区间所处位置地质条件复杂，施工难度大，大断面暗挖施工自身风险和环境风险都非常大，因此非常有必要深入研究暗挖区间所穿越砂卵石地层的地质水文规律，为后续的研究工作打下良好的基础。
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3 砂卵石地层 PBA 车站小导洞双向开挖方案研究....................... 47-69
3.1 引言....................... 47
3.2 模型的建立............... 47-49
3.3 模型的验证 ...........................49-53
3.3.1 实际开挖方案 .............................49-50
3.3.2 实际开挖方案的数值模拟结果 .................50-53
3.4 导洞之间不同开挖错距的比较 ................................53-58
3.4.1 错距为 10 米时模拟结果 .................54-55
3.4.2 错距为 20 米时模拟结果.................... 55-56
3.4.3 不同开挖错距影响的对比分析....................... 56-58
3.5 导洞不同开洞顺序的比较........................ 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 关键地下管线的沉降比较 .........................65-67
3.7 本章小结............................... 67-69
4 砂卵石地层 PBA 车站主体超前支护方案及管棚工艺改进研究............ 69-99
4.1 引言........................... 69
4.2 模型的建立................. 69-76
4.2.1 计算域 ..............71-72
4.2.2 约束条件 .............72
4.2.3 单元类型................. 72-73
4.2.4 力学参数 ..........................73-76
4.3 超前支护方案综述 ....................76-78
4.3.1 大管棚方案 ..........................76-77
4.3.2 双排小导管注浆方案............................... 77
4.3.3 深孔注浆方案 ............................77-78
4.4 三种方案对主体阶段地层变形影响规律数值分析 ...............78-86
4.4.1 三种超前支护在扣拱阶段对地表土体沉降影响................ 79-85
4.4.2 三种超前支护方案对电力方沟管线沉降影响 ...................85-86
4.5 数值计算结果与实际监测数据对比分析 .................86-88
4.6 三种超前支护方案多目标模糊优选 ..................88-91
4.6.1 模糊数学基本概念 ....................88
4.6.2 超前支护方面多目标模糊优选的实现....................... 88-91
4.7 砂卵石地层超长管棚工艺改进研究.................... 91-97
4.7.1 管棚概况 ................91-93
4.7.2 地质条件............................. 93-94
4.7.3 风动潜孔锤拖管钻进工工艺原理.................... 94-95
4.7.4 管棚试验研究.................................... 95-97
4.7.5 改进措施后试验结果........................... 97
4.8 本章小结 .................................97-99
5 砂卵石地层 CRD 大断面暗挖近距离下穿河流关键技术研究................. 99-111
6 砂卵石地层双联拱隧道采用“CRD+CD”法施工的关键技术研究
6.1 引言
北京地铁七号线湾达区间双连拱大断面区间一侧与湾子站相接，另一侧与达官营站相接，由于湾子站为侧式站台，线间距较小，与湾子站相接部位采用双连拱大断面进行过渡，过渡到双线分离的标准断面隧道。按照原方案，双连拱断面是采用“中洞法”，要等待车站结构完成提供马头门条件后方可施作，但车站由于拆迁原因迟迟不能开工，同时施工场地又不具备设施工竖井、横通道条件，采用“中洞法”无法施工，如果等下去将会严重影响总工期（滞后 1 年），同时标准断面隧道施工进展顺利，马上即将到达，问题相当严竣。为了不影响工期，经过反复方案研究，发现可采用“CRD+CD”法组合来实现双连拱断面，本章重点研究“CRD+CD”法如何来实现双连拱隧道，以及工序的转换节点如何进行处理，如何来确保安全，通过总结一些经验，可为以后类似工程提拱参考，也为大断面暗挖的施工提供了一种“分部开挖、划大为小”的思路，具有很好的理论意义和实践意义。
6.2 工程概况
湾子站～达官营站区间与湾子站接口处约 47m 为双联拱断面，断面如图 6.1 所示，原方案采用中洞法，笔耕文化推荐期刊，由湾子站主体结构进行暗挖施工，断面形式为由大逐渐变小，施工难度及风险较小。
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结论
复杂城市环境条件下，砂卵石地层的大断面暗挖施工难度大、风险高。本文结合北京地铁七号线达官营站和湾达区间，通过理论分析、现场试验、数值模拟、工艺改进、监控量测等手段，对大断面开挖群洞效应、超前支护技术、过河流特级风险源、工筹调整、钻进成孔等技术难点进行了研究，获得的主要结论如下：
（1）针对富水富含大粒径卵石地层中的降水井施工，首次引进风动潜孔锤钻进工艺和钢制套管护壁技术，将套管改良为降水井井管，一次成井，通过现场试验及理论分析表明，这种“快速一次成井工艺”，很好地解决了砂卵石地层降水难题，值得推广。
（2）开展砂卵石地层 PBA 法小导洞双向开挖方案群洞效应影响研究，主要得到了如下的结论：
①选取 4 种典型的开挖组合方案，通过数值模拟计算，从最大沉降值，沉降槽宽度系数、沉降槽变化规律、单个监测点的沉降曲线和施工情况五个方面进行比较分析，认为 2.4-5.7-1.3-6.8 方案最优。
②研究了在实际开挖方案 1.4-2.5.8-3.6-7 下，不同开挖错距的地层沉降变化规律。错距为 10 米时，最大沉降值为-1.326cm、沉降槽宽度系数为 9.76m；错距为 15 米时，最大沉降值为-1.362cm、沉降槽宽度系数为 9.71m；错距为 20 米时，最大沉降值为-1.38cm、沉降槽宽度系数为 9.68m。不难发现随着开挖错距的增加，最大沉降值有所增加，但反弯点距离一直在减少。通过对比三种开挖错距情况下单个监测点的沉降曲线，可以发现开挖错距为 10 米时沉降速度最快，15 米时沉降速度慢于 10 米的情况，开挖错距达到 20 米时，沉降速度最慢，而且曲线中出现了明显的稳定沉降阶段。由此可见，开挖错距对沉降速率的影响是开挖错距越大，沉降速率越小，逐渐地会形成和出现稳定沉降阶段。
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本文编号：11046
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