地鐵暗挖隧道近距離穿越橋樁施工技術(shù)

王東清

(北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京100018)

1 工程概況

麗澤橋位于北京市西三環(huán)南段，是北京市幾座大型橋梁之一，于1991年竣工投入使用，是連接西三環(huán)和豐臺北路的重要交通樞紐。北京地鐵14號線西局站—東管頭站區(qū)間暗挖隧道下穿麗澤橋區(qū)，其中地鐵近距離穿越的匝道橋共計7處，凈距離在0.84～4.61 m，且樁端在隧道的肩部，為受力最不利位置。橋梁為混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，檢查評估報告顯示，匝道橋技術(shù)狀況等級評定為A級，即完好狀態(tài)［1］。

地鐵14號線西局站—東管頭站區(qū)間暗挖隧道下穿麗澤橋樁工程，暗挖為馬蹄形標(biāo)準(zhǔn)斷面(6 570 mm×6 480 mm)。自上而下主要地層為粉土填土①、粉砂-細(xì)砂②3、圓礫-卵石②5、中砂、粗砂⑤1、卵石⑤、層卵石⑦。結(jié)構(gòu)覆土厚度為10.1～15.3 m，隧道穿越地層主要為卵石⑤，中砂、粗砂⑤1。地下水位于結(jié)構(gòu)線以下，設(shè)計采用地表雙排復(fù)合錨桿樁隔離加固，洞內(nèi)增設(shè)臨時仰拱、徑向注漿等措施來控制橋梁沉降。

橋梁沉降控制要求是:橋梁豎向均勻沉降為15 mm;縱向不均勻沉降位移值為5 mm;墩柱橫橋向相鄰基礎(chǔ)不均勻沉降位移值為3 mm;地表沉降為30 mm。

2 橋樁與隧道沉降及變形模擬預(yù)測

2.1 建模

在施工之前，協(xié)調(diào)設(shè)計單位研究討論各種技術(shù)措施，針對施工條件和工況，經(jīng)過建模分析，提前預(yù)測施工沉降。采用大型巖土計算軟件FLAC-3D，假定土體為各向同性彈塑體，由實(shí)體單元模擬，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，滿足莫爾-庫侖準(zhǔn)則;采用板單元模擬初襯，二襯采用實(shí)體單元;模型邊界范圍取4倍開挖洞徑，地表為自由面，其余面均施加法向約束，進(jìn)行施工模擬。每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，按設(shè)計圖工序的工況步驟，以Z3-4橋樁為例，計算模型［2］見圖1～圖2。

圖1 Z3-4橋樁計算模型

圖2 豎向位移云圖

2.2 計算

按設(shè)計要求進(jìn)行計算，以Z3-4橋樁為例:近暗挖側(cè)橋樁的沉降值為4.8 mm，遠(yuǎn)暗挖側(cè)橋樁的沉降值為3.6 mm，差異沉降值為1.2 mm，橋樁沉降主要發(fā)生在上臺階開挖期間，沉降值為3.7 mm，且沉降速率加大;在暗挖施工期間，隧道拱頂最大沉降值為7 mm，沉降主要發(fā)生在上臺階開挖期間，下臺階開挖時剛開挖期間發(fā)生小幅沉降;隨開挖進(jìn)展出現(xiàn)小幅隆起，水平收斂值為3.6 mm，地表最大沉降值為6.5 mm，各橋樁的沉降模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 各橋樁沉降模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.3 分析

經(jīng)過分析，在隧道施工期間，橋樁沉降主要發(fā)生在上導(dǎo)洞開挖期間，應(yīng)加強(qiáng)施工工藝控制，盡快對上導(dǎo)洞臨時仰拱封閉成環(huán)，并及時進(jìn)行回填注漿。

3 施工措施

為保證施工過程中的沉降受控，確保施工安全，參考軟件的分析情況，除嚴(yán)格按設(shè)計要求，采取地面實(shí)施復(fù)合錨桿樁對土體進(jìn)行加固、洞內(nèi)徑向注漿、增設(shè)臨時仰拱等措施外，同時在施工工藝控制上，采取上導(dǎo)洞先行通過和及時進(jìn)行多次重復(fù)回填注漿等措施，控制施工給橋樁和地面帶來的沉降。

3.1 地表加固措施

采用復(fù)合錨桿樁加固地層，將橋樁周圍土體加固和改良，以不降低原有側(cè)摩阻為目的，并在隧道內(nèi)對橋樁底部的土體實(shí)施注漿加固，具體布置見圖3。

復(fù)合錨桿樁直徑150 mm，采用φ50鋼管(煤氣管)和3根φ18定位鋼筋作為復(fù)合錨桿樁鋼筋籠子的骨架，每段長100 mm，間距1 m，3根φ20鋼筋作為縱向主受力筋，另附3根φ20塑料管作為注漿管，每根注漿管出漿口范圍距底端4 m，注漿管φ20 mm，出漿孔φ4 mm，4孔豎向錯開150 mm，如圖4所示。采用兩次注漿，第一次注漿壓力為0.4～0.5 MPa，孔口溢漿時結(jié)束本次注漿，水泥漿水灰比為0.5∶1;第二次注漿采用中高壓注漿，注漿壓力1.0 MPa，水泥漿水灰比為0.75∶1，在第一次注漿完成后10～15 h進(jìn)行。

圖3 復(fù)合錨桿樁施工

圖4 復(fù)合錨桿樁構(gòu)造

復(fù)合錨桿樁在本工程相臨標(biāo)段也使用過(相似環(huán)境、相同工法、相同工藝情況下)，通過不同措施下產(chǎn)生的沉降進(jìn)行對比后得出，復(fù)合錨桿樁對減少橋樁沉降的數(shù)值約為2～4 mm。

3.2 洞內(nèi)加固措施

3.2.1 超前注漿

根據(jù)本段以卵石-圓礫石為主的地質(zhì)，將超前注漿進(jìn)行優(yōu)化，小導(dǎo)管采用φ25無縫鋼管，長1.75 m，水平傾角為10°～15°，在環(huán)向120°范圍打設(shè)，縱向每榀打設(shè)，如圖5所示。注漿漿液選用單液水泥漿+早強(qiáng)劑，壓力控制在0.3～0.5 MPa，單根小導(dǎo)管注漿量按照擴(kuò)散半徑0.25 m進(jìn)行計算。注漿結(jié)束后需要對注漿效果進(jìn)行檢查，并對注漿薄弱部位進(jìn)行重新補(bǔ)充注漿。

3.2.2 臨時仰拱

計算模型的橋樁沉降主要發(fā)生在臺階洞施工期間，為使上臺階盡早封閉，在隧道穿越橋樁前后各10 m范圍內(nèi)增設(shè)了臨時仰拱，將隧道初襯分為上、下兩個導(dǎo)洞。臨時仰供采用I22a工字鋼和掛網(wǎng)錨噴混凝土的形式，從而使隧道形成上、下兩個導(dǎo)洞進(jìn)行施工(見圖6)。

圖5 超前小導(dǎo)管布置

圖6 臨時仰拱位置及構(gòu)造

3.2.3 徑向注漿

暗挖區(qū)間下穿橋樁段時，橋樁底基本位于隧道中部，由于在開挖過程中容易造成土體松散、回噴不密實(shí)，導(dǎo)致橋樁沉降，因此在隧道靠近橋樁側(cè)、臨時仰拱下45°范圍內(nèi)進(jìn)行徑向注漿，注漿范圍為1.5 m。注漿管采用φ25×5小導(dǎo)管，長1.5 m，采用1.0 m×1.0 m梅花型布置，布置縱向范圍為橋樁兩側(cè)各6 m，注漿選用1∶1純水泥漿液，壓力控制為0.2～0.5 MPa(見圖7)。

3.3 施工輔助技術(shù)措施

3.3.1 上導(dǎo)洞先行通過

經(jīng)過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)洞開挖時地面沉降縱向形狀范圍和沉降值略有不同，但大致影響范圍為開挖面的縱向后方約12～18 m。為有效控制上導(dǎo)洞施工帶來的沉降，采取上導(dǎo)洞先行通過橋樁，并及時完成回填注漿，待回填注漿強(qiáng)度充分起作用后(注漿后約7 d)，下導(dǎo)洞方施工到此位置為最佳狀態(tài)，根據(jù)正常施工進(jìn)度，下導(dǎo)洞7 d的施工長度約為15 m，加上上臺階核心土等長度約為20 m。此位置的下導(dǎo)洞施工在上導(dǎo)洞施工的沉降影響線以外，經(jīng)過上導(dǎo)洞回填注漿的處理，下導(dǎo)洞施工帶來的沉降幾乎為0。隧道施工上導(dǎo)洞先行通過情況如圖8所示。

圖7 徑向注漿管布置

圖8 隧道施工上導(dǎo)洞先行通過情況

3.3.2 多次重復(fù)回填注漿

在暗挖施工過程中，初襯錨噴背后普遍存在錨噴不密實(shí)的現(xiàn)象，會導(dǎo)致地面或橋樁的沉降加大。在施工過程中，應(yīng)以設(shè)計圖紙為依據(jù)，對背后注漿施工進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

1)將回填注漿管的縱向間距由原設(shè)計的3 m縮短至2 m，環(huán)向間接由拱頂2 m、側(cè)墻3 m統(tǒng)一調(diào)整為2 m，并呈梅花形布置，以保證回填注漿的密實(shí)性。

2)為保證對背后及時回填注漿，在保證開挖面土體穩(wěn)定的前提下，將注漿段與掌子面開挖距離由原設(shè)計的5 m調(diào)整至4 m。

3)每次注漿段長度由原設(shè)計的5 m縮短至4 m。

4)注漿采用水泥+白灰+粉煤灰，重量比為1∶1∶1，加入適量水拌成黏稠狀。注漿分兩次進(jìn)行，第一次注漿，壓力達(dá)到0.3 MPa并穩(wěn)壓10 min后停止;30 min后開始進(jìn)行二次補(bǔ)漿，二次補(bǔ)漿穩(wěn)壓壓力應(yīng)達(dá)到0.5 MPa，并穩(wěn)壓3 min后終止［3-5］。

5)對完工段進(jìn)行回填注漿檢測。每填充注漿完成約20 m，即對回填注漿情況進(jìn)行雷達(dá)空洞掃描檢測，在拱頂和起拱線處共設(shè)置3道平行檢測線。如存在空洞或疏松現(xiàn)象，立即再次進(jìn)行注漿和檢測，直至填充密實(shí)。經(jīng)取芯檢查，效果顯著(見圖9)。

圖9 隧道施工注漿段落劃分

4 實(shí)施效果及沉降變形數(shù)據(jù)對比

暗挖隧道近距離下穿麗澤橋樁共計7處，隧道與橋樁之間凈距離為2.76 m。根據(jù)各項數(shù)據(jù)比較，采用設(shè)計給定措施和施工輔助措施相結(jié)合的方式，經(jīng)過穿越后2個月的持續(xù)監(jiān)測，各數(shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比見表2。實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)為計算模擬數(shù)據(jù)的47.6%～82.2%，明顯小于模擬計算數(shù)據(jù)。

表2 各項計算模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比 mm

5 結(jié)語

根據(jù)數(shù)據(jù)對比分析得出，在砂卵石地層下施工暗挖隧道，采用臨時仰拱、上導(dǎo)洞先行通過，并及時進(jìn)行多次重復(fù)回填，注漿能夠在沉降發(fā)生之前有效控制沉降。同時，在設(shè)計給定措施的基礎(chǔ)上，調(diào)整施工順序，可以有效控制隧道施工引起的地表構(gòu)筑物、地下管線等建筑物的沉降，總體上具有指導(dǎo)施工和借鑒意義。復(fù)合錨桿樁是橋樁加固的常用措施，起到了對橋樁和施工隧道的隔離作用，對砂卵石特別是松散砂性土體具有很強(qiáng)的加固作用，但其造價相對較高，在其他地質(zhì)條件下或橋樁和隧道距離大于5 m的情況不建議使用。

［1］王夢恕.地下工程淺埋暗挖施工技術(shù)通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.

［2］崔玖江.隧道與地下工程注漿技術(shù)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］張金偉.北京地鐵十四號線工程西局站～東管頭站區(qū)間特、一級風(fēng)險工程專項設(shè)計:設(shè)計說明(五)(六)［G］.北京，2011.

［4］姚宣德.淺埋暗挖法地下工程施工對既有橋梁的影響分析［J］.水利水電技術(shù)，2010，41(4):62-68.

［5］王力勇，楊兆仁.地鐵隧道下穿高架橋施工控制技術(shù)［J］.市政技術(shù)，2010，28(4):101-103，135.