北京地铁新机场线下穿燃气调压站变形控制技术

北京地铁新机场线下穿燃气调压站变形控制技术
武俊杰
【摘要】为保证地铁下穿既有建构物的施工安全性,本文依托北京地铁新机场线草桥站折返区间下穿燃气调压站工程,研究既有结构基础的变形控制技术.通过MIDAS数值模拟技术,对地铁暗挖施工上方既有结构进行了变性影响分析.研究结果表明:随隧道施工的进行调压站燃气管线竖向及横向位移逐渐增大,在施工进行到第三步时竖向位移出现急剧增大现象,在施工完成时竖向与横向位移达到最大值,位移极值分别为-9.04mm、-5.83mm,在施工过程中,模拟燃气过滤站基础和调压区基础的竖向位移极值分别为-6.8mm、-7.2mm,倾斜率最大值分别为0.31‰、0.52‰.综上可知,通过工程中的管棚加固措施可有效限制既有结构沉降.并根据实际工程特点,将控制值的80％作为报警值,70％作为预警值,以便对施工监测提供依据.研究成果为地铁下穿既有建筑施工提供有力参考.
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2019(038)006
【总页数】4页(P86-89)
【关键词】地铁暗挖区间;近接下穿;防护措施;变形控制
【作者】武俊杰
【作者单位】中铁二十三局集团第六工程有限公司,重庆400012
【正文语种】中文
【中图分类】U231
0 引言
新建工程在下穿施工过程中，不可避免地会对周围土体产生扰动，既有结构由于周围土体的开挖卸载作用，会产生一定的侧移及沉降变形，既有结构自身会产生一定的差异变形。

如果差异变形过大，则会影响既有结构的正常使用，直接危及既有结构的安全。

因此，有必要对既有燃气调压站受新建工程施工影响的安全性进行评估。

地下结构常规和公认的计算方法有两种，即荷载-结构模型和地层-结构模型。

荷载-结构模型是设计中采用的主要方法。

地层-结构模型是以地下结构和周围岩土介质为分析对象，从地层的初始应力出发，采用岩体力学方法计算围岩和支护对围岩应力和位移场的作用。

地层-结构模型适用于几何形状和围岩初始应力状态、地质条
件等较为复杂的地下工程，尤其是需要考虑围岩的各种非线性特征和施工过程对隧道稳定性影响时，采用地层-结构模型较为有利[1-2]。

目前的研究主要集中在隧道施工对临近桩基的变形影响[3-4]，在复杂地层中隧道
下穿工程的变形规律模拟[5-7]，盾构隧道下穿既有结构施工技术[8-10]等。

但对
地铁区间隧道下穿燃气站等危险性较高的重点项目研究较少。

因此，本文依托北京地铁新机场线草桥站后折返线区间下穿燃气调压站，根据新建隧道设计资料和相关的地质勘察报告，通过数值计算，对隧道区间施工引起的既有结构的结构变形进行预测分析。

研究成果为类似下穿既有建筑地铁工程提供有力参考。

1 工程概况
1.1 工程地质
根据详勘资料，揭露地层最大深度为55.0m。

根据收集资料、钻探资料及室内土
工试验结果，按地层沉积年代、成因类型，将本区段工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层、新近沉积层、第四纪全新世冲洪积层、第四纪晚更新世冲洪积层和新近纪沉积层四大类。

1.2 线路概况
拟建北京轨道交通新机场线草桥站后折返线区间左线隧道在里程左K43+583～左
K43+598下穿燃气调压站，既有玉泉营燃气调压站位于三环北侧地块内，为次高压A级，地上一层，无地下调压设备；调压站基础由四块长6m、宽1.3m、厚
0.3m的基础组成；燃气调压站接入管线为φ600、400高压燃气，燃气管底埋深2.44m。

1.3 墩柱与隧道位置关系
1.3.1 折返区间风房
本工程影响范围内，北京轨道交通新机场线草桥站后折返线区间风房基坑采用明挖法施工，宽25.15m，长39.42m，最大埋深20.758m。

距既有燃气管线9.69m，调压站27.48m。

1.3.2 管棚工程
为保证隧道下穿施工既有燃气的安全，打设临时竖井并施作管棚，阻隔变形的向上传播。

竖井宽18m，长7m，深6.5m，距既有管线6.4m、调压站15.44m。

竖
井管棚与调压站平房垂直，管棚覆盖范围与平房相同。

竖井偏置在区间上方，要求竖井开挖与正线开挖不能同时施工，尽量管棚施工完毕回填竖井后再开挖正线。

采用Ø108×6大管棚，L=35m，水平间距500mm。

管棚距调压站竖向距离5.5m。

1.3.3 暗挖区间隧道
本工程影响范围内，暗挖区间为单洞单线马蹄形断面，开挖初支外轮廓尺寸为宽8.9m，高9.09m，采用CRD法施工。

初支：C25喷射混凝土；临时支撑：C25
喷射混凝土；二衬结构：C40防水混凝土，抗渗等级P10。

覆土厚度约为10.9～12.1m。

其中左线隧道下穿燃气调压站，距上水管底竖向最小净距8.141m，距离燃气管线竖向最小净距8.689。

图1 工程平面位置关系示意图
2 研究情况
2.1 计算模型
数值计算模型上边界为地表，竖向共取50m，与区间隧道平行方向取200m，与区间隧道垂直方向取180m。

由此建立的计算模型网格如图2所示。

地表取为自由边界，其他五个面均约束其法向变形。

模型共划分了128319个单元，计73017个节点。

地面超载按20kPa考虑。

2.2 计算模型
本文主要物理力学参数见表1所示。

2.3 施工步骤
以实际施工顺序为准，计算模型模拟施工步骤如图3所示。

表1 材料物理力学参数注：h、E、c、fric和γ分别代表材料厚度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角和重度；调压站基础之间用接触面来模拟.项目 h/m E/GPa 泊松比C/kPa Fric/° γ/kN·m-3①素填土、杂填土②粉土②3粉细砂②5卵石-圆砾②3粉细砂⑤卵石⑨卵石3注浆加固土初衬C20二衬C40基础C30 1.35 0.9 3.2 1.3 5.0 10.0 27.75实际0.3 0.45 1.0 0.005 0.023 0.03 0.06 0.03 0.06 0.09 0.09 25.5 32.5 30.0 0.35 0.26 0.2 0.25 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 5 27.9 000006 0///10 23.9 26 45 26 45 45 35///18 18.9 20 22 20 22 22 22 25 25 25
图2 计算模型
图3 施工步骤图
3 研究结果分析
3.1 燃气调压站基础和燃气管线位移
计算得到燃气调压站基础和燃气管线在各施工步骤下的竖向位移与水平位移云图，如图4、图5所示。

提取各施工步骤的位移极值，如图6所示。

图4 施工过程竖向位移云图
由图6可知，新机场线草桥站后折返线区间施工模拟中，燃气调压站基础和燃气
管线的水平与竖向位移以负值为主，随施工开挖的进展而不断增大，在施工第3
步开挖左线隧道时竖向位移绝对值出现急剧增大现象。

竖向位移相对横向位移较大，且竖向与水平位移绝对值极大值均出现在施工过程完成时，分别为9.04mm、
5.83mm，由此可见，隧道施工时上方结构的位移主要以沉降为主。

3.2 燃气过滤站基础和调压区基础角点位移
图5 施工过程水平位移云图
图6 既有结构位移图
表2 调压站各分础结构四角点竖向位移及差异沉降最大值调压区角点编号 1 2 3 4 1 2 3 4过滤区竖向沉降/mm角点编号差异沉降/mm倾斜率-6.8 1-2 0.2 2e-5-6.6 2-3 1.1 3.1e-4-5.5 3-4 0.0 0.0-5.5 4-1 1.3 1e-4-4.1 1-2 2.5 2.5e-4-1.6 2-3 3.1 5.2e-4-4.7 3-4 2.5 2.5e-4-7.2 4-1 3.1 5.2e-4
由上述分析可知，既有结构的位移主要以沉降为主，且极值出现在施工完成时，故提取结算完成时的燃气过滤站基础和调压区基础位移云图，如图7所示。

提取既
有结构基础的四角点竖向位移值及差异沉降值，汇于表2。

图7 调压站各基础结构竖向位移云图（单位：mm）
由表2可知，既有过滤区基础与调压区基础均出现明显沉降，且结构四角沉降值
相差明显。

过滤区基础结构靠近区间暗挖隧道一侧沉降值较大，沉降极值为
6.8mm，差异沉降极值为1.3mm，最大倾斜率为0.31‰；既有调压区基础结构
在靠近管棚工程竖井一侧沉降值较大，沉降最大值为7.2mm，差异沉降极值为
3.1mm，最大倾斜率为0.52‰。

4 结构安全性评估
结合工程实际特点，综合变形预测结果，建议本工程施工期间燃气调压站设备基础、燃气管线竖向沉降及倾斜率控制值如表3。

并将控制值的80%作为报警值，70%
作为预警值，详细控制指标汇于表3。

表3 基础控制指标燃气设备燃气管线控制指标预警值报警值控制值预警值报警值控制值竖向沉降/mm倾斜率/‰竖向沉降速率/mm/d 7.0 0.7 0.7 8.0 0.8 0.8 10.0 1.0 1.0 7.0 1.4 0.7 8.0 1.6 0.8 10.0 2.0 1.0
5 结论
通过计算可知，新机场线草桥站后折返线区间施工引起燃气管线竖向位移及水平位移最大值分别为9.04mm、5.83mm；过滤区基础竖向位移最大值为-6.8mm，调压区基础竖向位移最大值为-7.2mm；燃气过滤区倾斜率最大值为0.31‰，燃气
调压站基础的倾斜率最大值为0.52‰。

采取管棚防护措施可有效控制既有结构物沉降，且满足当地变形控制相关要求。

并将控制值的80%作为报警值，70%作为预警值，以此为施工过程中的控制标准。

参考文献：
【相关文献】
[1]陶龙光，刘波，侯公羽.城市地下工程[M].二版.北京：科学出版社，2011.
[2]王海涛，易富民，涂兵雄，等.MIDAS/GTS岩土工程数值分析与设计[M].大连理工大学出版社，2013.
[3]崔光耀，王明年，路军富，等.客运专线机场路隧道下穿高架桥近接桩基施工位移控制技术 [J].中国铁道科学，2011，32（03）：68-73.
[4]胡锡鹏，刘拴锭，马思伟，等.隧道施工对临近桩基影响的数值分析[J].城市轨道交通研究，2018，21（08）：125-128.
[5]李克钢，马琳，曹勇，等.在建车站下穿既有车站开挖过程仿真及监测对比分析[J].安全与环境学报，2018，18（04）：1339-1344.
[6]胡德华，段景川.上软下硬地层双线地铁隧道下穿既有城市道路地层变形规律研究[J].防灾减灾工程学报，2017，37（06）：910-915.
[7]武科，张文，吴昊天，等.上软下硬地层地铁隧道下穿既有城市道路的变形规律及控制措施研究[J].现代隧道技术，2017，54（06）：126-135.
[8]王国富，孙捷城，路林海，等.盾构隧道近距离下穿高架桥主动预支护研究[J].现代隧道技术，2017，54（06）：195-202.
[9]徐五嗣.超浅埋盾构隧道下穿供澳水管施工技术研究[J].现代隧道技术，2018，55（04）：191-196.
[10]胡长明，张延杰，袁一力，等.盾构隧道临近河流始发及过电塔掘进技术[J].长安大学学报（自然科学版），2017，37（06）：83-91.。