暗挖隧道下穿跨河橋部分橋樁的影響分析及對策——以北京地鐵14號線北工大站—平樂園站區(qū)間為例

張曉光，劇 亮，李 菲

(1.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010;2.北京建工土木工程有限公司，北京 100013; 3.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

0 引言

伴隨著國內(nèi)地鐵事業(yè)的蓬勃發(fā)展，地鐵區(qū)間的施工環(huán)境越來越復(fù)雜，各種下穿、側(cè)穿橋樁、房屋等障礙物的工程實例越來越多，設(shè)計方案與施工方案也逐漸多樣化［1-12］。文獻(xiàn)［3-4］分析了盾構(gòu)法隧道下穿人行天橋、通車橋橋樁的變形及應(yīng)對措施;文獻(xiàn)［5］基于淺埋暗挖隧道施工引起地表沉降的時空效應(yīng)和沉降機制，分析了暗挖隧道地面沉降規(guī)律;文獻(xiàn)［6-7］通過二維有限元方法對鄰近建筑物工況的暗挖隧道施工進(jìn)行了模擬，分析了地面建筑物的變形規(guī)律;文獻(xiàn)［8-11］分析了暗挖隧道近距離側(cè)穿橋樁引起的變形及內(nèi)力變化;文獻(xiàn)［12］分析了暗挖隧道下穿河流與橋梁的施工技術(shù)，施工過程中對河流進(jìn)行引排并鋪設(shè)防水毯，同時在洞外進(jìn)行降水，工程前期協(xié)調(diào)量大。以上文獻(xiàn)介紹了盾構(gòu)隧道與暗挖隧道下穿、側(cè)穿障礙物的大量工程案例，但對于暗挖隧道在無法降水工況下下穿跨河橋橋樁的工程案例還比較少。

暗挖隧道在不降水情況下下穿跨河橋時，由于存在河水滲漏造成掌子面坍塌的風(fēng)險，同時，開挖過程中地表變形過大會危及上部橋梁的安全與車輛的通行，一旦發(fā)生災(zāi)害后果不堪設(shè)想;因此，暗挖隧道下穿跨河橋工程中在不降水情況下如何確定設(shè)計方案與施工方案以確保河流、橋梁與隧道的安全亟待進(jìn)一步研究。本文以北京地鐵14號線北—平區(qū)間下穿跨河橋橋樁為例，為確保安全，根據(jù)隧道下穿橋樁后結(jié)構(gòu)變形特點建立有限元模型，進(jìn)行計算分析后進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計與施工方案。施工過程中對橋樁變形進(jìn)行了監(jiān)測，并與有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比。

1 工程概況

1.1 暗挖隧道及橋梁概況

北京地鐵14號線北—平區(qū)間沿城市主干道西大望路南北向敷設(shè)，下穿東南郊灌渠、東南郊灌渠橋樁。區(qū)間全長972.206 m，采用礦山法施工。區(qū)間附屬工程包括施工豎井及A肢橫通道、B肢橫通道。區(qū)間南端為地下2層車站，北端為地下3層蓋挖車站，整個區(qū)間呈南高北低的態(tài)勢。區(qū)間出站后線路以-28‰和-4‰的坡度下坡至區(qū)間最低點后，以8‰的坡度爬坡進(jìn)入北端車站。

東南郊灌渠橋為上跨東南郊灌渠的跨河橋。東南郊灌渠底深約2 m，上部寬約20 m，底部寬約8 m，河底有襯砌。東南郊灌渠橋上部結(jié)構(gòu)為單跨混凝土簡支梁板橋，跨度20 m(該橋為舊橋加寬后形成，舊橋?qū)?0.4 m，東側(cè)加寬3.4 m，西側(cè)加寬6.2 m)，設(shè)計荷載為城市A級荷載;下部結(jié)構(gòu)為樁接帽梁式橋臺，舊橋樁基長14 m，直徑0.8 m，間距2.55 m，新橋樁基長22 m，直徑1.2 m，間距3.8 m，舊橋樁基底距離地鐵隧道拱頂3.42～3.78 m?？绾訕?qū)嵕叭鐖D1所示，隧道與跨河橋橋樁關(guān)系如圖2和圖3所示。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

區(qū)間隧道所處地層從上到下依次為中粗砂〈4-4〉、黏土〈4-1〉、粉質(zhì)黏土〈4〉、中粗砂〈4-4〉、中粗砂〈7-1〉層。地下水主要為:潛水(二)(含水層主要為上部的中粗砂〈4-4〉層和粉細(xì)砂〈4-3〉層)、層間水-承壓水(三)(含水層主要為下部的中粗砂〈4-4〉層、卵石〈7〉層及中粗砂〈7-1〉層)。暗挖隧道下穿橋樁區(qū)各層土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 東南郊灌渠橋?qū)嵕皥DFig.1 Picture of canal bridge

圖2 區(qū)間下穿東南郊灌渠橋樁總平面圖(單位:m)Fig.2 Plan of tunnel crossing underneath existing piles(m)

圖3 區(qū)間下穿東南郊灌渠橋樁橫剖面圖Fig.3 Cross-section showing tunnel crossing underneath existing piles

2 設(shè)計方案與變形預(yù)測

2.1 區(qū)間設(shè)計方案

對于線路經(jīng)過橋樁的區(qū)間，一般優(yōu)先考慮線路避讓橋樁，采用側(cè)穿的方式通過。東南郊灌渠橋樁間距僅2.55 m，區(qū)間隧道無法從樁間穿過，同時，該橋總寬度達(dá)50 m，與道路紅線同寬，橋梁西北、東北、西南3個象限內(nèi)均為住宅樓，線路避開橋樁的方案必然下穿住宅。由于隧道下穿房屋施工風(fēng)險極大，本著避重就輕的原則，同時避免線路采用小半徑曲線，本區(qū)間線路直接從舊橋橋樁范圍內(nèi)穿越，這樣可保證在穿越范圍內(nèi)線路為直線(如圖2所示)。

國內(nèi)外對于下穿橋樁的隧道，一般采用盾構(gòu)法施工，相對于礦山法，盾構(gòu)法無需降水，具有安全、高效、經(jīng)濟等諸多優(yōu)點。本區(qū)間原設(shè)計方案采用盾構(gòu)法施工，但由于北端車站采用倒邊蓋挖法施工，施工工期較緊張，無法提供盾構(gòu)接收條件，為保證本區(qū)間能按照節(jié)點工期貫通，調(diào)整為采用礦山法施工。

在線路縱斷面上，結(jié)合地質(zhì)情況，為使暗挖隧道拱頂距離黏土、砂土分界線1.5 m以上，縱斷面坡度按以下進(jìn)行調(diào)整:-28‰(坡長220 m)，-4‰(坡長292 m)，+8‰(坡長398.19 m)。調(diào)整后暗挖隧道拱頂距離橋樁底3.42～3.78 m。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

2.2 下穿橋樁設(shè)計方案

東南郊灌渠橋位于區(qū)間中部，將區(qū)間分為(472+ 450)m 2段。根據(jù)北京地區(qū)類似工程經(jīng)驗，穿越橋樁相關(guān)手續(xù)較為繁雜，為避免辦理手續(xù)影響東南郊灌渠橋南北兩側(cè)正線區(qū)間的開挖，區(qū)間豎井設(shè)置A肢與B肢共2肢橫通道(如圖2所示)。其中，B肢橫通道下穿東南郊灌渠后轉(zhuǎn)向橋樁北側(cè)，開挖北側(cè)正線區(qū)間。

北京地區(qū)暗挖法隧道一般采用降水施工，對于降水效果不理想或者隧道拱頂界面水較大時，一般采用全斷面或半斷面超前注漿堵水。東南郊灌渠橋為跨河橋，灌渠常年流水，橋底無法打設(shè)降水井，因此隧道穿越橋區(qū)范圍只能采用堵水施工，這在北京地區(qū)尚不多見。根據(jù)地下水分布情況，隧道上半部位于潛水(二)，下半部位于層間水-承壓水(三)，為保證隧道開挖過程中的無水作業(yè)，設(shè)計采用全斷面注漿堵水:注漿范圍為隧道開挖面輪廓以外3 m，土體的膠結(jié)強度達(dá)到0.8 MPa，全斷面注漿后要求土體滲透系數(shù)≤1×10-7cm/s，掌子面注漿范圍內(nèi)的土體膠結(jié)強度達(dá)到0.5 MPa。同時為減小隧道開挖尺寸，確保初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)，初期支護(hù)設(shè)置臨時仰拱將隧道分為上下2個導(dǎo)洞進(jìn)行開挖。

2.3 變形預(yù)測

根據(jù)暗挖隧道施工工序，對區(qū)間下穿東南郊灌渠橋樁進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。在實際施工中，隧道與橋樁的相互影響是一個非常復(fù)雜的三維問題，但考慮到橋梁及隧道的走向基本一致，且在其縱向延伸方向上長度較長，可將其簡化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行考慮，并以垂直于其走向的斷面作為計算剖面［6-7］。值得注意的是，簡化為平面模型后不能考慮暗挖施工帶來的左右線錯距、時空效應(yīng)等影響，存在一定近似。

本文采用Plaxis有限元軟件建立地層-結(jié)構(gòu)二維模型，按照實際尺寸建模。計算模型范圍以橋梁結(jié)構(gòu)邊線為基準(zhǔn)并結(jié)合消除邊界效應(yīng)的條件，外擴不小于25 m而建立。有限元模型中，暗挖隧道、橋樁采用plate單元模擬，采用線彈性本構(gòu);土層采用 soil＆interface單元模擬，采用土體-硬化本構(gòu) (即HS模型)。有限元模型的邊界條件為:模型底部約束豎向位移，模型左右兩側(cè)約束水平向位移，橋樁頂部考慮20 kPa的行車荷載。樁土之間的相互影響采用界面強度折減系數(shù)Rinter來表示，該系數(shù)表示樁-土界面的內(nèi)摩擦角φinter和黏聚力cinter比臨近土體有所折減，其折減關(guān)系按式(1)確定。根據(jù)文獻(xiàn)［13］，Rinter取0.7。

計算過程考慮地層預(yù)加固效果，圍巖及支護(hù)計算參數(shù)見表2，其余參數(shù)均按地勘報告提供參數(shù)選取(見表1)，計算模型如圖4所示。

表2 圍巖及支護(hù)計算參數(shù)Table 2 Parameters of ground and support

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

施工模擬過程主要分以下2步進(jìn)行:

1)左線隧道開挖完成，左線隧道中心線正上方的9號橋樁豎向變形最大，達(dá)到16.05 mm，以9號橋樁為中心，兩側(cè)橋樁豎向變形逐漸減小，其中西側(cè)19號橋樁豎向變形最小，為1.54 mm(如圖5所示)。

2)右線隧道開挖完成，左右線隧道之間的6，7號橋樁豎向變形最大，達(dá)到21.45 mm和21.05 mm。以6，7號橋樁為中心，兩側(cè)橋樁豎向變形逐漸減小，其中西側(cè)19號橋樁豎向變形最小，為1.31 mm(如圖6所示)。計算結(jié)果滿足東南郊灌渠橋產(chǎn)權(quán)單位給出控制標(biāo)準(zhǔn):豎向沉降控制值為25 mm，橋梁橫向相鄰樁基的豎向不均勻沉降位移控制值為3.0 mm，兩側(cè)加寬橋墩中心與舊橋基礎(chǔ)西側(cè)邊線之間的豎向不均勻沉降位移控制值為2.0 mm。

實際暗挖隧道施工過程中，全斷面注漿堵水因施工質(zhì)量等各種原因，有時效果欠佳，往往注漿完成后仍帶水作業(yè)。為研究注漿堵水效果對變形的影響，有限元模型中假定水位降低2 m，水位降低后的橋樁豎向變形如圖7所示。計算結(jié)果表明:水位下降2 m后，豎向沉降最大的6，7號橋樁沉降增大約32%。根據(jù)以往暗挖工程實際經(jīng)驗，帶水作業(yè)往往導(dǎo)致格柵連接等質(zhì)量較差，從而進(jìn)一步增大了隧道本身以及周邊環(huán)境的變形，帶水作業(yè)下的沉降變形達(dá)到不帶水作業(yè)情況下的1.5～2.5倍。因此本區(qū)間隧道下穿橋樁施工過程中，保證注漿堵水的質(zhì)量是成功的關(guān)鍵。

圖7 水位變化的影響Fig.7 Influence of water level fluctuation

3 施工方案及對策

3.1 施工方案

暗挖隧道施工過程中，樁底土體存在一定擾動，因此在隧道開挖前，從橋頭搭板位置打設(shè)長管對橋梁蓋梁下方及橋樁下方的土體進(jìn)行注漿加固，要求注漿后土體的抗壓強度不小于0.8 MPa。

注漿堵水的效果是暗挖下穿橋樁能否成功的關(guān)鍵。根據(jù)設(shè)計方案下穿橋樁架設(shè)了臨時仰拱，隧道分為上下2個導(dǎo)洞進(jìn)行施工。下穿橋樁施工時，左右線拉開步序，即左線隧道穿過橋樁并施工完成二次襯砌后方可進(jìn)行右線隧道開挖。在隧道開挖之前，先采用水平注漿的方式對上導(dǎo)洞進(jìn)行加固，注漿時應(yīng)從2肢橫通道向中間對打，每側(cè)注漿縱向長度為21 m，搭接1 m，注漿一次到位后，方可進(jìn)行上導(dǎo)洞開挖;上導(dǎo)洞開挖完成后，在臨時仰拱上采用注漿小導(dǎo)管鏡像注漿加固下導(dǎo)洞。深孔注漿止水漿液材料的種類、規(guī)格為:水玻璃(模數(shù)2.2～2.8，濃度40 Be′)、水泥(強度等級P·O 42.5)、uea抗裂微膨脹劑、液體速凝劑。材料質(zhì)量比為水玻璃∶水泥∶水∶uea抗裂微膨脹劑∶液體速凝劑= 1∶0.65∶0.65∶0.06∶0.03。注漿加固方式如圖8所示。

圖8 注漿加固示意圖(單位:mm)Fig.8 Schematic diagram of grouting consolidation(mm)

3.2 預(yù)防措施

為減小暗挖隧道施工對灌渠橋的影響，在施工過程中盡可能減小暗挖施工對周圍土體的擾動，減小沉降，確保東南郊灌渠橋的安全，采取了以下預(yù)防措施: 1)在穿越東南郊灌渠橋之前，通過地質(zhì)雷達(dá)的探測，對橋區(qū)出現(xiàn)的空洞不密實區(qū)域進(jìn)行注漿加固;2)區(qū)間臨近穿越東南郊灌渠橋期間，檢修各類機械，儲備機械部件，加強設(shè)備保障力量，及時排除機械設(shè)備故障，力求連續(xù)施工;3)對穿越區(qū)域的地質(zhì)情況提前掌握，做好超前注漿地層加固，及時跟進(jìn)背后回填注漿;4)嚴(yán)格控制注漿配合比和注漿壓力，避免對地面及地層擾動過大;5)嚴(yán)格遵循淺埋暗挖法的“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強支護(hù)、快封閉、勤量測”十八字方針;6)在區(qū)間穿越東南郊灌渠橋時加強實時監(jiān)測，加大監(jiān)測頻率，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異?；蛩俾试龃髸r，立即處理分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行土體注漿加固。

3.3 施工監(jiān)測

暗挖隧道下穿橋樁施工期間，監(jiān)測人員、安質(zhì)人員應(yīng)保持24 h值班。監(jiān)測項目主要有地面沉降、橋樁變形、拱頂變形和水平收斂。在東南郊灌渠橋上方設(shè)置2個主觀測斷面，對南北兩端每根橋樁均進(jìn)行監(jiān)測。地面沉降及橋樁沉降監(jiān)測頻率為:距工作面≤20 m時，4次/d;距工作面≤50 m時，2次/d;距工作面＞50 m時，1次/周;數(shù)據(jù)分析確定沉降基本穩(wěn)定后，1次/月。

實測結(jié)果表明:左線隧道開挖完成后，左線隧道中心線正上方的9號橋樁豎向變形最大，達(dá)到18.43 mm;右線隧道開挖完成后，左右線隧道之間的7號橋樁豎向變形最大，達(dá)到25.19 mm。左線隧道、右線隧道開挖完成后的橋樁豎向變形實測值如圖9所示，同時將實測值與有限元計算值進(jìn)行了對比，進(jìn)一步表明有限元計算值基本與實測值吻合。

圖9 橋樁變形實測值Fig.9 Curves of measured pile deformation

4 結(jié)論與討論

本文介紹了暗挖隧道在不降水情況下下穿通車的跨河橋橋樁工程案例，通過建立有限元模型，確定并細(xì)化下穿橋樁的設(shè)計方案與施工方案，結(jié)果表明:架設(shè)臨時仰拱+注漿堵水下穿橋樁的方案是可行的;有限元模型可預(yù)測隧道下穿橋樁全過程的變形，可為設(shè)計方案的優(yōu)化提供參考;注漿堵水的效果是暗挖下穿橋樁施工成功的關(guān)鍵。

在城市軌道交通領(lǐng)域，下穿橋樁工程經(jīng)常發(fā)生，如何選擇施工方法、加固方法確保既有結(jié)構(gòu)的安全，如何有效地預(yù)測既有結(jié)構(gòu)的變形是本課題研究的重點。本工程結(jié)合實際情況，選擇了暗挖不降水下穿通車橋橋樁的方案，可為今后類似工程提供參考，也可為后續(xù)研究者系統(tǒng)歸納、總結(jié)地鐵隧道下穿障礙物提供工程案例。如何確保注漿堵水效果，是本工程實施過程中的一大難點，尚待進(jìn)一步研究。本文在有限元模擬過程中采用了二維模型，不能考慮暗挖施工帶來的左右線錯距、時空效應(yīng)等影響，存在一定近似性，可作進(jìn)一步研究。

［1］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2010.(WANG Mengshu.Tunneling and underground engineering technology in China［M］.Beijing: China Communications Press，2010.(in Chinese))

［2］ 張慶賀，朱合華，莊榮，等.地鐵與輕軌［M］.北京:人民交通出版社，2006:40-55.(ZHANG Qinghe，ZHU Hehua，ZHUANG Rong，et al.Metro and light rail［M］.Beijing: China Communications Press，2006:40-55.(in Chinese))

［3］ 井景鳳，王綜勇.砂卵石地層中某盾構(gòu)區(qū)間過橋區(qū)段的方案優(yōu)化［J］.隧道建設(shè)，2011，31(2):208-214，227.(JING Jingfeng，WANG Zongyong.Optimization on design of shield-bored tunnel crossing underneath pile foundations in sandy gravel strata［J］.Tunnel Construction，2011，31(2): 208-214，227.(in Chinese))

［4］ 儲柯鈞，趙亮，徐騫.盾構(gòu)區(qū)間下穿并截除人行天橋部分橋樁的對策［J］.隧道建設(shè)，2014，34(11):1071-1076.( CHU Kejun，ZHAO Liang，XU Qian.Countermeasures for shield cutting and passing underneath piles of existing pedestrian bridge［J］.Tunnel Construction，2014，34(11): 1071-1076.(in Chinese))

［5］ 齊震明，李鵬飛.地鐵區(qū)間淺埋暗挖隧道地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報，2010，34(3):117-121.(QI Zhenming，LI Pengfei.Control standard of ground surface settlements in Metro section shallow tunnel［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2010，34(3):117-121.(in Chinese))

［6］ 魏綱，裘新谷，魏新江，等.鄰近建筑物的暗挖隧道施工數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2009，30(2):547-552.(WEI Gang，QIU Xingu，WEIXinjiang，etal.Numerical simulation of underground excavated tunnel construction of adjacent structure［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30 (2):547-552.(in Chinese))

［7］ 卿偉宸，廖紅建，錢春宇.地下隧道施工對相鄰建筑物及地表的沉降的影響［J］.地下空間與工程學(xué)報，2005，1 (6):960-963，978.(QING Weichen，LIAO Hongjian，QIAN Chunyu.The effects construction on the settlements of adjacent building and earth surfaces of underground tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1(6):960-963，978.(in Chinese))

［8］ 張金偉.暗挖地鐵區(qū)間穿越城市大型立交橋橋區(qū)風(fēng)險工程設(shè)計優(yōu)化研究［J］.隧道建設(shè)，2014，34(9):887-894.(ZHANG Jinwei.Study on optimization of design of mined running tunnel crossing underneath large-scale interchange in urban area［J］.Tunnel Construction，2014，34 (9):887-894.(in Chinese))

［9］ 孟昭暉，徐霖，武子薦.地鐵暗挖隧道施工對鄰近橋樁的影響［J］.市政技術(shù)，2014，32(1):81-82.(MENG Zhaohui，XU Lin，WU Zijian.The influences of subway tunneling construction on adjacentbridge piles［J］.Municipal Engineering Technology，2014，32(1):81-82.(in Chinese))

［10］ 李強，王明年，李德才，等.地鐵車站暗挖隧道施工對既有樁基的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(1): 184-190.(LI Qiang，WANG Mingnian，LI Decai，et al.Effects of subsurface construction of Metro station tunnel on existing pile foundation［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(1):184-190.(in Chinese))

［11］ 譚富圣.淺埋暗挖車站近距離穿越既有橋樁影響分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009(10):32-37.(TAN Fusheng.Analysis on influence of shallow station with mining method closely underpassing through existing bridge piles［J］.Railway Standard Design，2009(10):32-37.(in Chinese))

［12］ 吳波.淺埋暗挖地鐵隧道下穿河流和橋梁施工技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008(S1):278-282.(WU Bo.Research on construction technology of shallow embedded tunnel underneath passing bridges and rivers［J］.Modern Tunnelling Technology，2008(S1):278-282.(in Chinese))

［13］ R B J Brinkgreve，Al-Khoury R，Bakker K J，et al.PLAXIS finite element code for soil and rock analyses［M］.［s.l.］:Balkema，2001.