・隧道/地下工程・
地铁施工下穿建筑物沉降控制标准研究
李永敬
(中铁三局集团第四工程公司, 北京 102300)
摘 要:地铁施工中对既有建筑物产生一定的影响, 施工期间需制定相应的沉降控制标准。由于建筑物结构形式千差万别, 沉降标准也随之改变。目前, 国内这方面的相关技术规定较少, 大部分处于研究探索阶段, 给施工期间的变形控制带来诸多不便。以北京地铁五号线施工中下穿建筑物的几个实例作为分析对象, 对施工中既有建筑沉降控制标准的制定提出参考意见。
关键词:地铁; 下穿建筑物; 沉降标准中图分类号:U231 文献标识码:B 文章编号:10042954(2006) 02009102
注:a —承插槽深度; —; ; L —管节长度; θ—管节外张角; δ; Δh ; 。
1 问题的提出
, , , 虽然地表的沉降值较大, 但各种建筑物的使用功能并未受到破坏。因此, 各种建筑物的使用功能主要与自身的结构特性有关。那么与地表沉降有什么关系呢?
多大的地表沉降才会对地下设施、管线产生破坏作用? 为此, 寻求一种合适模型来计算各种既有建筑物设施的容许值很有必要, 对于各种设施建立什么样的模型是制定合理控制标准的重要依据。2 模型的建立
2a /3作为控制值, 即[Δl ]=2a /3, 由此
[θ]值; 即
-1
[θ]=tan [2a /3(d +2b ) ]
Δh =L ×sin [θ] 考虑结构的设计特性, 使用年代、质量状况, 确定容许Δh , 那么[Δh ]=k ・L ・sin[θ], 其中, k 为折减系数, 结构越久远, 则k 越小。
现场污水管的外径为1980mm , 壁厚120mm , 槽深60mm , 承插头的厚度为60mm , 每节管长2000mm , 计算[θ]值为
-1
[θ]=tan [2a /3(d +2b ) ]=
tan [2×30/3(1740+2×60) ]=1°13′55″
-1
笔者对施工中的北京磁器口站两条典型管线和法
华寺过街天桥桩基沉降进行分析研究, 探讨沉降控制标准的制定方法。
211 车站拱部K6+118下穿
由于结构为20世纪90年代新修管线, 结构的使
用周期较短, 但该管线距离拱顶只有0178m , 出于安全考虑, 取k =015, 则
[Δh ]=k ・L ・sin [θ]=
015×2000×sin1°13′55″=2115mm
212 西南风道下穿
该污水管位于车站结构上方, 距车站开挖外轮廓线0178m , 管线为西污东输干线, 车站采用暗挖法下穿该管线。经过实际调查和资料收集, 该管线采用顶进法施工。污水管为2m 一节, 采用承插接口形式, 接口部添塞沥青棉麻进行防水。
根据实际情况, 提出差异沉降理论计算模型。模型见图1。
通过模型可以看出, 当承插头全部滑出槽时, 则管
线破坏, 此时两管节的外张距离为Δl =a , 要保证管线不破坏, 必须保证Δl
。根据结构容许理论的判定
收稿日期:20050905
作者简介:李永敬(1974—) , 男, 工程师, 1999年毕业于长沙铁道学院交通土建专业, 工学学士。
自来水为有压管线, 一般多采用钢管或铸铁管。在西南风道施工中, 有一条直径为1000mm 的自来水管, 埋深110m , 施工中地表沉降达到55mm , 而管线的使用功能完好, 以此为例建立如下模型。把自来水上部的覆土作为土柱荷载, 管内自来水也作为内部荷载, 根据受力状况此时可以把自来水管当作一根梁来看待。当隧道开挖时, 管下土体与自来水管分离, 钢管承载, 模型见图2。
由于自来水两端下部和周边的土体在钢管的受力变形下不能约束钢管的竖向、水平和纵向移动, 因此可把钢管简化为简支梁来对待。
q 1按下式计算
φ) h ・γq 1=(d +h tan
91
铁道标准设计 RA I L WAY ST ANDARD DESI G N 2006(2
)
・隧道/地下工程李永敬—
地铁施工下穿建筑物沉降控制标准研究
图4 模型简图
注:q —均部荷载q =q 1+q 2; q 1—土柱荷载; q 2—管内水的荷载; N —集中荷载;
H —遂底埋深; L —隧道沉降影响范围; B —隧道宽度
根据有关规范, 钢混梁的竖向挠度容许值为f =L /800,
为了保证结构使用功能, 按照容许数值概念, 在制定Δ数值时可取Δ=2f /3, 即Δ=2L /3×800。
法华寺人行天桥长30m , 根据上式计算Δ容=25mm 。
3 现场施工方法、监测数据及模型应用311
图2 自来水管受力模型
式中 d ———自来水管的外径;
h ———自来水管的埋深; φ———土的内摩擦角; γ———土的容重。
梁的截取长度L 可通过隧道沉降影响范围计算。
L =B +H ・tan (45+φ/2)
根据上述推算, 4
w =K 1×5ql /弯矩
2
6m 的位置段, 在Ⅰ、Ⅲ; 距污
10m 的位置段以及管棚工作室, 35c m; 联结筋加密。
在污水管下方, 主体结构施工区域内采用工作面全断面注浆加固地层, 使污水管下方土体形成一注浆凝结体, 承载管线, 减小下沉。如图5所示
。
式中, K 1。
根据上式, , 检算管壁的拉力。如果拉力小于允许值, 表明结构是安全的; 如果大于允许值, 按照容许值可以反推出[w ], 实际施工中把Δh =[w]作为控制标准。213 区间隧道下穿法华寺过街天桥桩基
区间隧道K5+46214处有一座法华寺过街天桥与隧道相交, 该天桥基础为钻孔灌注桩, 桩径110m , 主要为摩擦受力。天桥一根桩基侵入左线二衬结构20c m , 天桥结构为等截面连续钢混梁, 梁长30m 。天桥的结构型式见图3
。
图5 断面注浆加固示意
监测中在K6+118处布点, 间距按照4m 布设, 当
监测相邻两点的沉降数值超过2115mm 时, 表明结构达到最大容许状态, 现场需采取应急处理措施。
通过对该段的地表沉降观测, 该处在中洞通过后最大沉降量为45172mm , 边洞开挖完成后为86146mm , 拱顶沉降39145mm 。通过实际监测表明, 相邻点的最大差异沉降为21mm , 因此污水管结构的使用功能完好, 并没有出现管线渗漏水的情况。
采用上述方法在结构迅速通过管线时是比较安全的, 但管线下部已产生了一定的张角, 破坏了原有的防水功能, 可能会出现渗水现象, 长期作用也会对管线的使用功能产生一定影响。当降水井取消降水后, 地下水位恢复, 则管线可恢复原有的使用功能。312 西南风道下穿
风道穿越该管线时采用CRD 方法施工, 拱部采用双排小导管注浆加固地层。施工期间地面最大沉降5518mm , 现场在自来水管上也布设了沉降监测点, 沉降变形值为1125mm , 下部悬空413m 。根据模型推
(下转第103页)
铁道标准设计 RA I L WAY ST ANDARD DESI G N 2006(2
)
说明:天桥1号桩基侵入隧道二衬20c m
图3 隧道与天桥基础立面关系(单位:mm )
针对沉降标准的制定, 可以通过下面模型计算。模型见图4。
模型为连续钢混梁, 其中L 为结构跨度, Δ为差异沉降数值。为了计算容许的Δ数值, 可以将连续梁看作简支梁, 通过计算简支梁的下沉挠度推出Δ数值
。92
丁晓宁—地铁车站的接地设计
・电力/电气化・
中, 通常将接地线连成环网结构(图6) 。在各系统设备房间设置强电或弱电接地母排, 通过Z R -VV -1
2
k V 1×95mm 电缆将各弱电接地母排连接成环, 保证即使在某点出现故障, 其余各处仍然不会受到影响。另外, 电缆桥架、进出车站的金属管道等在适当的位置与强电母排连接。3 结语
不大于1Ω的要求, 也可以减小接地网的敷设面积, 一般情况下也不用采取换土或加物理降阻剂等降阻措
施, 不但可降低地铁投资, 又能节省有色能源, 工程施工实施也会比以前更方便。
地铁作为百年大计工程, 必须在方方面面精心设计、精心施工, 虽然杂散电流作为地铁设计中一个比较小的组成部分, 也必须周全考虑, 精心安排, 保障人身和设备的安全。参考文献:
[1] CJJ49—92, 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].
[2] 郑 炽. 城市轨道交通牵引供电系统[M]. 北京:中国铁道出版社,
2002.
[3] 韩 风. [:中国建筑工业出版社,
1991.
现在很多城市地铁接地网的接地电阻规定小于
015Ω, 是基于以往地铁的某些进口弱电设备提出的要求, 但是根据目前弱电专业提供的要求, 弱电设备接地小于1Ω已完全满足要求。故笔者认为, 在以后的地铁接地设计是否可以将车站的接地电阻改为不大于1Ω, 这样既可满足现行有关的电气设计规范接地电阻
(上接第92页)
算, 1116m , , , 拉力小于允许值, 。
, 并注浆密实。313 区间隧道下穿法华寺过街天桥桩基
将区间断面划分为2个洞室, 先施作左侧洞室, 由于上台阶与下台阶相错3m , 上台阶工作面已经封闭, 为保证左侧洞室开挖后能封闭成环, 在上台阶3m 范围加设水平I 20a 工字钢支撑, 同时加设竖向临时中隔壁格栅, 补喷30c m 厚混凝土。下部开挖时与中隔壁格栅相连, 形成封闭结构。
开挖采用台阶法, 每进尺50c m 支立一榀格栅, 加设水平钢支撑, 台阶长度控制在2m 左右, 封闭成环后及时对初期支护背后进行注浆。开挖方法见图6。
由于两个边墩与人行踏板相连, 沉降后有一个错台, 因上铺毡垫, 对行走时的舒适度影响较小, 如果超过一定数值, 则应恢复原位, 以保证行人行走时的舒适度。天桥桩基托换完成后, 现场应采用千斤顶将中墩上部桥梁上顶15mm , 重新调整支座高度, 恢复天桥正常使用状态。4 结语
对于地下建筑物沉降控制标准, 应理论联系实际并进一步完善。根据不同建筑物的特点建立相应的验算模型, 进行结构的受力、破坏临界值、差异变形等。结构的差异变形往往导致结构的整体破坏, 施工中应充分重视。
实践中可以把破坏临界值分为3个等级, 一级取容许值的70%, 在70%范围内可以正常施工; 当监测变形值大于017[Δ容]而小于0185[Δ容]时, 则应采取加固措施或改进施工方法; 超过0185[Δ容]时, 进入三级控制状态, 即进入应急控制状态, 现场停工采取处理措施。我国的地铁施工现已经进入快速发展期, 这方面的理论研究有广阔的应用前景。参考文献:
[1] 丁宇坤, 唐坤全.
从成都市红星路下穿地道施工浅谈成都地区地
下工程施工技术[J]. 铁道标准设计, 2004(11) .
图6 洞室开挖示意
[2] 彭泽润. 北京地铁复—八线土建工程施工技术[M]. 北京:中国科
过桩基7m 后, 恢复隧道正常开挖。通过实际监
学技术出版社, 2003.
[3] 徐干成, 白洪才. 地下工程支护结构[M]. 北京:中国水利水电出版
测, 天桥中墩最终沉降达到22194mm , 现场在对托换桩柱进行监测的同时, 也对两侧15m 的边墩进行了沉降监测, 监测结果为7145mm 。这表明隧道开挖也影响了边墩, 中墩和边墩的差异沉降为15149mm , 小于
Δ容=25mm , 因此天桥使用功能正常。
铁道标准设计 RA I L WAY ST ANDARD DESI G N 2006(2)
社, 2002.
[4] 阳军生, 刘宝琛. 城市隧道施工引起的地表移动及变形[M]. 北京:
中国铁道出版社, 2002.
[5] 关宝树. 隧道施工要点集[M]. 北京:人民交通出版社, 2003.
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・隧道/地下工程・
地铁施工下穿建筑物沉降控制标准研究
李永敬
(中铁三局集团第四工程公司, 北京 102300)
摘 要:地铁施工中对既有建筑物产生一定的影响, 施工期间需制定相应的沉降控制标准。由于建筑物结构形式千差万别, 沉降标准也随之改变。目前, 国内这方面的相关技术规定较少, 大部分处于研究探索阶段, 给施工期间的变形控制带来诸多不便。以北京地铁五号线施工中下穿建筑物的几个实例作为分析对象, 对施工中既有建筑沉降控制标准的制定提出参考意见。
关键词:地铁; 下穿建筑物; 沉降标准中图分类号:U231 文献标识码:B 文章编号:10042954(2006) 02009102
注:a —承插槽深度; —; ; L —管节长度; θ—管节外张角; δ; Δh ; 。
1 问题的提出
, , , 虽然地表的沉降值较大, 但各种建筑物的使用功能并未受到破坏。因此, 各种建筑物的使用功能主要与自身的结构特性有关。那么与地表沉降有什么关系呢?
多大的地表沉降才会对地下设施、管线产生破坏作用? 为此, 寻求一种合适模型来计算各种既有建筑物设施的容许值很有必要, 对于各种设施建立什么样的模型是制定合理控制标准的重要依据。2 模型的建立
2a /3作为控制值, 即[Δl ]=2a /3, 由此
[θ]值; 即
-1
[θ]=tan [2a /3(d +2b ) ]
Δh =L ×sin [θ] 考虑结构的设计特性, 使用年代、质量状况, 确定容许Δh , 那么[Δh ]=k ・L ・sin[θ], 其中, k 为折减系数, 结构越久远, 则k 越小。
现场污水管的外径为1980mm , 壁厚120mm , 槽深60mm , 承插头的厚度为60mm , 每节管长2000mm , 计算[θ]值为
-1
[θ]=tan [2a /3(d +2b ) ]=
tan [2×30/3(1740+2×60) ]=1°13′55″
-1
笔者对施工中的北京磁器口站两条典型管线和法
华寺过街天桥桩基沉降进行分析研究, 探讨沉降控制标准的制定方法。
211 车站拱部K6+118下穿
由于结构为20世纪90年代新修管线, 结构的使
用周期较短, 但该管线距离拱顶只有0178m , 出于安全考虑, 取k =015, 则
[Δh ]=k ・L ・sin [θ]=
015×2000×sin1°13′55″=2115mm
212 西南风道下穿
该污水管位于车站结构上方, 距车站开挖外轮廓线0178m , 管线为西污东输干线, 车站采用暗挖法下穿该管线。经过实际调查和资料收集, 该管线采用顶进法施工。污水管为2m 一节, 采用承插接口形式, 接口部添塞沥青棉麻进行防水。
根据实际情况, 提出差异沉降理论计算模型。模型见图1。
通过模型可以看出, 当承插头全部滑出槽时, 则管
线破坏, 此时两管节的外张距离为Δl =a , 要保证管线不破坏, 必须保证Δl
。根据结构容许理论的判定
收稿日期:20050905
作者简介:李永敬(1974—) , 男, 工程师, 1999年毕业于长沙铁道学院交通土建专业, 工学学士。
自来水为有压管线, 一般多采用钢管或铸铁管。在西南风道施工中, 有一条直径为1000mm 的自来水管, 埋深110m , 施工中地表沉降达到55mm , 而管线的使用功能完好, 以此为例建立如下模型。把自来水上部的覆土作为土柱荷载, 管内自来水也作为内部荷载, 根据受力状况此时可以把自来水管当作一根梁来看待。当隧道开挖时, 管下土体与自来水管分离, 钢管承载, 模型见图2。
由于自来水两端下部和周边的土体在钢管的受力变形下不能约束钢管的竖向、水平和纵向移动, 因此可把钢管简化为简支梁来对待。
q 1按下式计算
φ) h ・γq 1=(d +h tan
91
铁道标准设计 RA I L WAY ST ANDARD DESI G N 2006(2
)
・隧道/地下工程李永敬—
地铁施工下穿建筑物沉降控制标准研究
图4 模型简图
注:q —均部荷载q =q 1+q 2; q 1—土柱荷载; q 2—管内水的荷载; N —集中荷载;
H —遂底埋深; L —隧道沉降影响范围; B —隧道宽度
根据有关规范, 钢混梁的竖向挠度容许值为f =L /800,
为了保证结构使用功能, 按照容许数值概念, 在制定Δ数值时可取Δ=2f /3, 即Δ=2L /3×800。
法华寺人行天桥长30m , 根据上式计算Δ容=25mm 。
3 现场施工方法、监测数据及模型应用311
图2 自来水管受力模型
式中 d ———自来水管的外径;
h ———自来水管的埋深; φ———土的内摩擦角; γ———土的容重。
梁的截取长度L 可通过隧道沉降影响范围计算。
L =B +H ・tan (45+φ/2)
根据上述推算, 4
w =K 1×5ql /弯矩
2
6m 的位置段, 在Ⅰ、Ⅲ; 距污
10m 的位置段以及管棚工作室, 35c m; 联结筋加密。
在污水管下方, 主体结构施工区域内采用工作面全断面注浆加固地层, 使污水管下方土体形成一注浆凝结体, 承载管线, 减小下沉。如图5所示
。
式中, K 1。
根据上式, , 检算管壁的拉力。如果拉力小于允许值, 表明结构是安全的; 如果大于允许值, 按照容许值可以反推出[w ], 实际施工中把Δh =[w]作为控制标准。213 区间隧道下穿法华寺过街天桥桩基
区间隧道K5+46214处有一座法华寺过街天桥与隧道相交, 该天桥基础为钻孔灌注桩, 桩径110m , 主要为摩擦受力。天桥一根桩基侵入左线二衬结构20c m , 天桥结构为等截面连续钢混梁, 梁长30m 。天桥的结构型式见图3
。
图5 断面注浆加固示意
监测中在K6+118处布点, 间距按照4m 布设, 当
监测相邻两点的沉降数值超过2115mm 时, 表明结构达到最大容许状态, 现场需采取应急处理措施。
通过对该段的地表沉降观测, 该处在中洞通过后最大沉降量为45172mm , 边洞开挖完成后为86146mm , 拱顶沉降39145mm 。通过实际监测表明, 相邻点的最大差异沉降为21mm , 因此污水管结构的使用功能完好, 并没有出现管线渗漏水的情况。
采用上述方法在结构迅速通过管线时是比较安全的, 但管线下部已产生了一定的张角, 破坏了原有的防水功能, 可能会出现渗水现象, 长期作用也会对管线的使用功能产生一定影响。当降水井取消降水后, 地下水位恢复, 则管线可恢复原有的使用功能。312 西南风道下穿
风道穿越该管线时采用CRD 方法施工, 拱部采用双排小导管注浆加固地层。施工期间地面最大沉降5518mm , 现场在自来水管上也布设了沉降监测点, 沉降变形值为1125mm , 下部悬空413m 。根据模型推
(下转第103页)
铁道标准设计 RA I L WAY ST ANDARD DESI G N 2006(2
)
说明:天桥1号桩基侵入隧道二衬20c m
图3 隧道与天桥基础立面关系(单位:mm )
针对沉降标准的制定, 可以通过下面模型计算。模型见图4。
模型为连续钢混梁, 其中L 为结构跨度, Δ为差异沉降数值。为了计算容许的Δ数值, 可以将连续梁看作简支梁, 通过计算简支梁的下沉挠度推出Δ数值
。92
丁晓宁—地铁车站的接地设计
・电力/电气化・
中, 通常将接地线连成环网结构(图6) 。在各系统设备房间设置强电或弱电接地母排, 通过Z R -VV -1
2
k V 1×95mm 电缆将各弱电接地母排连接成环, 保证即使在某点出现故障, 其余各处仍然不会受到影响。另外, 电缆桥架、进出车站的金属管道等在适当的位置与强电母排连接。3 结语
不大于1Ω的要求, 也可以减小接地网的敷设面积, 一般情况下也不用采取换土或加物理降阻剂等降阻措
施, 不但可降低地铁投资, 又能节省有色能源, 工程施工实施也会比以前更方便。
地铁作为百年大计工程, 必须在方方面面精心设计、精心施工, 虽然杂散电流作为地铁设计中一个比较小的组成部分, 也必须周全考虑, 精心安排, 保障人身和设备的安全。参考文献:
[1] CJJ49—92, 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].
[2] 郑 炽. 城市轨道交通牵引供电系统[M]. 北京:中国铁道出版社,
2002.
[3] 韩 风. [:中国建筑工业出版社,
1991.
现在很多城市地铁接地网的接地电阻规定小于
015Ω, 是基于以往地铁的某些进口弱电设备提出的要求, 但是根据目前弱电专业提供的要求, 弱电设备接地小于1Ω已完全满足要求。故笔者认为, 在以后的地铁接地设计是否可以将车站的接地电阻改为不大于1Ω, 这样既可满足现行有关的电气设计规范接地电阻
(上接第92页)
算, 1116m , , , 拉力小于允许值, 。
, 并注浆密实。313 区间隧道下穿法华寺过街天桥桩基
将区间断面划分为2个洞室, 先施作左侧洞室, 由于上台阶与下台阶相错3m , 上台阶工作面已经封闭, 为保证左侧洞室开挖后能封闭成环, 在上台阶3m 范围加设水平I 20a 工字钢支撑, 同时加设竖向临时中隔壁格栅, 补喷30c m 厚混凝土。下部开挖时与中隔壁格栅相连, 形成封闭结构。
开挖采用台阶法, 每进尺50c m 支立一榀格栅, 加设水平钢支撑, 台阶长度控制在2m 左右, 封闭成环后及时对初期支护背后进行注浆。开挖方法见图6。
由于两个边墩与人行踏板相连, 沉降后有一个错台, 因上铺毡垫, 对行走时的舒适度影响较小, 如果超过一定数值, 则应恢复原位, 以保证行人行走时的舒适度。天桥桩基托换完成后, 现场应采用千斤顶将中墩上部桥梁上顶15mm , 重新调整支座高度, 恢复天桥正常使用状态。4 结语
对于地下建筑物沉降控制标准, 应理论联系实际并进一步完善。根据不同建筑物的特点建立相应的验算模型, 进行结构的受力、破坏临界值、差异变形等。结构的差异变形往往导致结构的整体破坏, 施工中应充分重视。
实践中可以把破坏临界值分为3个等级, 一级取容许值的70%, 在70%范围内可以正常施工; 当监测变形值大于017[Δ容]而小于0185[Δ容]时, 则应采取加固措施或改进施工方法; 超过0185[Δ容]时, 进入三级控制状态, 即进入应急控制状态, 现场停工采取处理措施。我国的地铁施工现已经进入快速发展期, 这方面的理论研究有广阔的应用前景。参考文献:
[1] 丁宇坤, 唐坤全.
从成都市红星路下穿地道施工浅谈成都地区地
下工程施工技术[J]. 铁道标准设计, 2004(11) .
图6 洞室开挖示意
[2] 彭泽润. 北京地铁复—八线土建工程施工技术[M]. 北京:中国科
过桩基7m 后, 恢复隧道正常开挖。通过实际监
学技术出版社, 2003.
[3] 徐干成, 白洪才. 地下工程支护结构[M]. 北京:中国水利水电出版
测, 天桥中墩最终沉降达到22194mm , 现场在对托换桩柱进行监测的同时, 也对两侧15m 的边墩进行了沉降监测, 监测结果为7145mm 。这表明隧道开挖也影响了边墩, 中墩和边墩的差异沉降为15149mm , 小于
Δ容=25mm , 因此天桥使用功能正常。
铁道标准设计 RA I L WAY ST ANDARD DESI G N 2006(2)
社, 2002.
[4] 阳军生, 刘宝琛. 城市隧道施工引起的地表移动及变形[M]. 北京:
中国铁道出版社, 2002.
[5] 关宝树. 隧道施工要点集[M]. 北京:人民交通出版社, 2003.
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