發(fā)布時(shí)間：2015-01-09 11:16

 

【摘要】 針對(duì)北京地鐵七號(hào)線01標(biāo)段達(dá)官營(yíng)PBA暗挖車(chē)站及灣達(dá)大斷面暗挖區(qū)間在施工過(guò)程中存在的主要技術(shù)難題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值分析、工藝改進(jìn)、理論分析等方法，對(duì)富水砂卵石地層降水施工、PBA暗挖車(chē)站雙向小導(dǎo)洞開(kāi)挖、PBA暗挖車(chē)站主體超前支護(hù)方案、超長(zhǎng)管棚工藝改進(jìn)、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(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究。研究結(jié)果表明，采用“風(fēng)動(dòng)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(guò)數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，研究了PBA小導(dǎo)洞橫通道雙向開(kāi)挖方案的變形規(guī)律，提出不同開(kāi)挖順序和不同錯(cuò)距是關(guān)鍵因素，認(rèn)為2.4-5.7-1.3-6.8開(kāi)挖順序、錯(cuò)距為15m開(kāi)挖方案為最優(yōu)方案；通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)車(chē)站主體超前支護(hù)常用的三種方案（雙排小導(dǎo)管、深孔注漿、大管棚）進(jìn)行了分析并進(jìn)行多因子比選，提出大管棚方案為最優(yōu)方案；提出了“剛?cè)峤Y(jié)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(shí)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(shì)背景
近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市人口密度越來(lái)越大，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與城市化進(jìn)程的矛盾日顯突出，城市交通問(wèn)題已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注和亟待解決的問(wèn)題之一，由于地鐵具有“快捷、準(zhǔn)時(shí)、環(huán)保”的特點(diǎn)，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(guó)從 1965 年開(kāi)始建第一條地鐵，截止到 2013年底，北京有 17 條運(yùn)營(yíng)線路，運(yùn)營(yíng)里程 465 公里；上海有運(yùn)營(yíng)線路 12 條，運(yùn)營(yíng)里程462 公里；廣州有運(yùn)營(yíng)線路 8 條線，運(yùn)營(yíng)里程 236 公里[2]。此外，其它省會(huì)城市和大中城市也都正在或開(kāi)始修建地鐵，地鐵建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，中國(guó)已將成為當(dāng)今世界建設(shè)規(guī)模最大、建設(shè)速度最快的國(guó)家[3]。
隨著地鐵建設(shè)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(gòu)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(yùn)用的越來(lái)越廣，暗挖法又劃分為臺(tái)階法、CD 法、CRD 法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法、側(cè)洞法、洞樁法等多種工法。
北京地鐵七號(hào)線 01 標(biāo)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(mén)區(qū)域，環(huán)境條件（地面交通、地下管線及周邊建構(gòu)筑物）復(fù)雜，對(duì)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(fù)雜環(huán)境條件下砂卵石地層大斷面暗挖是本工程的特點(diǎn)，也是相當(dāng)大的難點(diǎn)[6]。 
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1.2 國(guó)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(shè)計(jì)、施工所依賴的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)—施工勘察報(bào)告均是在施工前通過(guò)地質(zhì)鉆探取芯、室內(nèi)試驗(yàn)等方式完成[8]。這類勘察手段往往存在“一孔之見(jiàn)”，尤其是砂卵石等沖洪沉積地層離散型較大，難以準(zhǔn)確反映實(shí)際地層情況；此外，鉆孔勘探也無(wú)法準(zhǔn)確地確定地層卵石粒徑、含石量等關(guān)鍵參數(shù)[9]。這種地質(zhì)勘察技術(shù)瓶頸必然將導(dǎo)致在設(shè)計(jì)中存在一定風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工也有一定的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)施工過(guò)程的跟蹤勘察[10]，可以修正地層參數(shù)。
劉永勤[11]對(duì)砂卵石地層特性進(jìn)行過(guò)初步研究，分析預(yù)測(cè)了不同的施工工法可能遇到的施工難題。江華[12]對(duì)北京的砂卵石地層盾構(gòu)施工進(jìn)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(duì)成都地鐵砂卵石地層工程地質(zhì)特性進(jìn)行了分析，建議滲透系數(shù) K=10~20m/d。向賢禮[14]對(duì)貴州省都勻市砂卵石地基的勘測(cè)方法及承載力進(jìn)行了研究，建立了試驗(yàn)?zāi)Ｐ�。袁燦婷[15]采用現(xiàn)場(chǎng)波速波速試驗(yàn)獲取了南京地區(qū)部分土層的力學(xué)參數(shù)。劉春[16]初步研究了巖土力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為資源共享提供了一定的建議。李慎剛[17]對(duì)沙性地層的滲透性進(jìn)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(kuò)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(cè)[18-19]，主要通過(guò)洛陽(yáng)鏟等手段進(jìn)行作業(yè)前方 3-5m 的超前地質(zhì)探測(cè)，用以指導(dǎo)施工。洛陽(yáng)鏟超前地質(zhì)探測(cè)在砂土、粘土等地層中可以探測(cè) 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(fēng)險(xiǎn)與隱患。但是，洛陽(yáng)鏟超前地質(zhì)探測(cè)在砂卵石地層最多僅能探測(cè) 2-3m 深度，難以有效掌握開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的地質(zhì)異常情況。因此，對(duì)于砂卵石地層的超前探測(cè)需要從技術(shù)方法與措施上進(jìn)行進(jìn)一步研究[20]。
另一方面，對(duì)于地質(zhì)勘察階段由于鉆探勘察技術(shù)瓶頸產(chǎn)生的地層不確定性[21-23]，也應(yīng)在施工過(guò)程中及時(shí)通過(guò)篩分、開(kāi)挖作業(yè)面地質(zhì)描述與分析、現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)等手段予以補(bǔ)充勘察（也即施工跟蹤勘察），為設(shè)計(jì)、施工提供準(zhǔn)確地層參數(shù)。然而，這類等施工跟蹤勘察沒(méi)有確定的規(guī)范、實(shí)施方法、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，開(kāi)展這類試驗(yàn)工作，形成勘察方法、標(biāo)準(zhǔn)與成果等有著重要的理論意義與工程實(shí)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(shù)研究

本章主要根據(jù)勘察報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中的地質(zhì)揭示情況，對(duì)砂卵石地層的物理力學(xué)性能等參數(shù)進(jìn)行分析、總結(jié)，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，同時(shí)針對(duì)城區(qū)砂卵石地層降水施工存在的難題，引進(jìn)風(fēng)動(dòng)潛孔錘工藝，研制鋼管井一次成井技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。
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2.1 引言
砂卵石是產(chǎn)生于第四紀(jì)沉積物[91]，它既不同于砂巖和礫巖，也不同于粘土，是一個(gè)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(lái)維持，這主要是因?yàn)轭w粒之間幾乎沒(méi)有任何聯(lián)結(jié)性。
根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(guò) 20mm 的微粒超過(guò)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(guò) 200mm 的微粒占全重一半以上的土。
北京地鐵達(dá)官營(yíng)站及灣達(dá)區(qū)間緊挨西客站，位于北京西客運(yùn)站與廣安門(mén)內(nèi)站之間，沿廣安門(mén)外大街東西方向布置。根據(jù)北京地區(qū)地質(zhì)構(gòu)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(guò) 20mm 的碎石含量占總體積的一半以上，且粒徑超過(guò) 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(dá)官營(yíng)車(chē)站及灣達(dá)區(qū)間所處位置地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，大斷面暗挖施工自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)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(chǔ)。
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3 砂卵石地層 PBA 車(chē)站小導(dǎo)洞雙向開(kāi)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(yàn)證 ...........................49-53 
3.3.1 實(shí)際開(kāi)挖方案 .............................49-50 
3.3.2 實(shí)際開(kāi)挖方案的數(shù)值模擬結(jié)果 .................50-53 
3.4 導(dǎo)洞之間不同開(kāi)挖錯(cuò)距的比較 ................................53-58 
3.4.1 錯(cuò)距為 10 米時(shí)模擬結(jié)果 .................54-55 
3.4.2 錯(cuò)距為 20 米時(shí)模擬結(jié)果.................... 55-56 
3.4.3 不同開(kāi)挖錯(cuò)距影響的對(duì)比分析....................... 56-58 
3.5 導(dǎo)洞不同開(kāi)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(guān)鍵地下管線的沉降比較 .........................65-67 
3.7 本章小結(jié)............................... 67-69 
4 砂卵石地層 PBA 車(chē)站主體超前支護(hù)方案及管棚工藝改進(jìn)研究............ 69-99 
4.1 引言........................... 69 
4.2 模型的建立................. 69-76 
4.2.1 計(jì)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(xué)參數(shù) ..........................73-76 
4.3 超前支護(hù)方案綜述 ....................76-78 
4.3.1 大管棚方案 ..........................76-77 
4.3.2 雙排小導(dǎo)管注漿方案............................... 77 
4.3.3 深孔注漿方案 ............................77-78 
4.4 三種方案對(duì)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(hù)在扣拱階段對(duì)地表土體沉降影響................ 79-85 
4.4.2 三種超前支護(hù)方案對(duì)電力方溝管線沉降影響 ...................85-86 
4.5 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析 .................86-88 
4.6 三種超前支護(hù)方案多目標(biāo)模糊優(yōu)選 ..................88-91 
4.6.1 模糊數(shù)學(xué)基本概念 ....................88 
4.6.2 超前支護(hù)方面多目標(biāo)模糊優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)....................... 88-91 
4.7 砂卵石地層超長(zhǎng)管棚工藝改進(jìn)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(fēng)動(dòng)潛孔錘拖管鉆進(jìn)工工藝原理.................... 94-95 
4.7.4 管棚試驗(yàn)研究.................................... 95-97 
4.7.5 改進(jìn)措施后試驗(yàn)結(jié)果........................... 97 
4.8 本章小結(jié) .................................97-99 
5 砂卵石地層 CRD 大斷面暗挖近距離下穿河流關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)研究

6.1 引言
北京地鐵七號(hào)線灣達(dá)區(qū)間雙連拱大斷面區(qū)間一側(cè)與灣子站相接，另一側(cè)與達(dá)官營(yíng)站相接，由于灣子站為側(cè)式站臺(tái)，線間距較小，與灣子站相接部位采用雙連拱大斷面進(jìn)行過(guò)渡，過(guò)渡到雙線分離的標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道。按照原方案，雙連拱斷面是采用“中洞法”，要等待車(chē)站結(jié)構(gòu)完成提供馬頭門(mén)條件后方可施作，但車(chē)站由于拆遷原因遲遲不能開(kāi)工，同時(shí)施工場(chǎng)地又不具備設(shè)施工豎井、橫通道條件，采用“中洞法”無(wú)法施工，如果等下去將會(huì)嚴(yán)重影響總工期（滯后 1 年），同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道施工進(jìn)展順利，馬上即將到達(dá)，問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)竣。為了不影響工期，經(jīng)過(guò)反復(fù)方案研究，發(fā)現(xiàn)可采用“CRD+CD”法組合來(lái)實(shí)現(xiàn)雙連拱斷面，本章重點(diǎn)研究“CRD+CD”法如何來(lái)實(shí)現(xiàn)雙連拱隧道，以及工序的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)如何進(jìn)行處理，如何來(lái)確保安全，通過(guò)總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)，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(kāi)挖、劃大為小”的思路，具有很好的理論意義和實(shí)踐意義。
6.2 工程概況
灣子站～達(dá)官營(yíng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行暗挖施工，斷面形式為由大逐漸變小，施工難度及風(fēng)險(xiǎn)較小。
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結(jié)論

復(fù)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(fēng)險(xiǎn)高。本文結(jié)合北京地鐵七號(hào)線達(dá)官營(yíng)站和灣達(dá)區(qū)間，通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、工藝改進(jìn)、監(jiān)控量測(cè)等手段，對(duì)大斷面開(kāi)挖群洞效應(yīng)、超前支護(hù)技術(shù)、過(guò)河流特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源、工籌調(diào)整、鉆進(jìn)成孔等技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究，獲得的主要結(jié)論如下： 
（1）針對(duì)富水富含大粒徑卵石地層中的降水井施工，首次引進(jìn)風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝和鋼制套管護(hù)壁技術(shù)，將套管改良為降水井井管，一次成井，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(kāi)展砂卵石地層 PBA 法小導(dǎo)洞雙向開(kāi)挖方案群洞效應(yīng)影響研究，主要得到了如下的結(jié)論：
①選取 4 種典型的開(kāi)挖組合方案，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線和施工情況五個(gè)方面進(jìn)行比較分析，認(rèn)為 2.4-5.7-1.3-6.8 方案最優(yōu)。
②研究了在實(shí)際開(kāi)挖方案 1.4-2.5.8-3.6-7 下，不同開(kāi)挖錯(cuò)距的地層沉降變化規(guī)律。錯(cuò)距為 10 米時(shí)，最大沉降值為-1.326cm、沉降槽寬度系數(shù)為 9.76m；錯(cuò)距為 15 米時(shí)，最大沉降值為-1.362cm、沉降槽寬度系數(shù)為 9.71m；錯(cuò)距為 20 米時(shí)，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(kāi)挖錯(cuò)距的增加，最大沉降值有所增加，但反彎點(diǎn)距離一直在減少。通過(guò)對(duì)比三種開(kāi)挖錯(cuò)距情況下單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線，可以發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖錯(cuò)距為 10 米時(shí)沉降速度最快，15 米時(shí)沉降速度慢于 10 米的情況，開(kāi)挖錯(cuò)距達(dá)到 20 米時(shí)，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(jiàn)，開(kāi)挖錯(cuò)距對(duì)沉降速率的影響是開(kāi)挖錯(cuò)距越大，沉降速率越小，逐漸地會(huì)形成和出現(xiàn)穩(wěn)定沉降階段。
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本文編號(hào)：11046