某暗挖車站穿越橋梁的方案優(yōu)化

邱術(shù)來

（中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

某暗挖車站穿越橋梁的方案優(yōu)化

邱術(shù)來

（中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

車站主體暗挖大斷面穿越建構(gòu)筑物時(shí)，會(huì)對(duì)建構(gòu)筑物產(chǎn)生一定變形影響，能否合理控制建筑的水平位移及沉降至關(guān)重要，直接決定車站采用何種工法。論文以北京地鐵某車站為例，通過車站與橋梁的相互位置關(guān)系及地層等特點(diǎn)，提出洞柱法[1]施工和洞樁法[1]施工穿越橋梁的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及理論分析計(jì)算，得出在該種情況下洞柱法方案更具有優(yōu)越性。該方案可大量推廣應(yīng)用于類似的設(shè)計(jì)及施工。

洞柱法；洞樁法；橋樁；深孔注漿

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.072

1 引言

隨著我國城市化的飛速發(fā)展，城市交通受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，以地鐵為代表的公共交通的重要性日益顯現(xiàn)，各大城市掀起了大規(guī)模建設(shè)地鐵的熱潮。而地鐵新建的一個(gè)突出問題就是車站主體鄰近穿越橋樁的設(shè)計(jì)和施工，車站采取何種工法施工能滿足橋梁安全可靠及施工方便已成為目前地鐵設(shè)計(jì)界的重要研究課題之一。

目前，暗挖洞柱法和洞樁法已經(jīng)廣泛用于城市地鐵基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這兩種工法施工不可避免的會(huì)遇到各種建構(gòu)筑物。都有成功穿越橋梁等建構(gòu)筑物的文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)[2]。其中文獻(xiàn)[2]主要講述北京地鐵6號(hào)線花園橋站根據(jù)數(shù)值模擬及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析等注漿加固條件下4導(dǎo)洞法控制遠(yuǎn)、近側(cè)樁基位移效果比5、6導(dǎo)洞法稍好，文獻(xiàn)[3]主要講敘北京地鐵10號(hào)線國貿(mào)站采用洞樁法施工對(duì)鄰近橋樁的影響，并提出了地鐵鄰近橋樁施工的控制措施。

馬甸站車站主體主要位于砂層和卵石層中，根據(jù)施工需要暗挖鄰近匝道橋橋樁。本文通過吸收以前成功經(jīng)驗(yàn)后，對(duì)馬甸站鄰近穿越匝道橋的洞柱法和洞樁法方案設(shè)計(jì)進(jìn)行可行性比較分析，確定較優(yōu)方案，并對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2 工程概況

北京地鐵12號(hào)線馬甸站車站位于馬甸橋與京藏高速Z2匝道橋相交東南象限下北三環(huán)中路路下，沿北三環(huán)中路東西向設(shè)置。車站為暗挖雙層雙跨島式車站，站前、后區(qū)間均采用礦山法施工。車站全長281.6m，站臺(tái)寬度12m，主體結(jié)構(gòu)斷面尺寸1.3m× 16.5m，結(jié)構(gòu)覆土約11.14m。

2.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

車站主體結(jié)構(gòu)主要位于粉細(xì)砂④3層、卵石－圓礫⑦層及粉細(xì)砂⑦2層。

勘察報(bào)告顯示，擬建場(chǎng)地范圍內(nèi)主要賦存有一層地下水，地下水類型為層間潛水（四），層間潛水（四）穩(wěn)定水位標(biāo)高為16.02m，水位埋深為32.30m，水位標(biāo)高位于車站底板以下約4.2m。

2.2 匝道橋樁基概況

匝道位于北三環(huán)路，由東向西跨越三環(huán)路輔路、馬甸立交一條轉(zhuǎn)向匝道及京藏高速路東輔路，接至京藏高速路東主路。

上部結(jié)構(gòu)：全橋共分4聯(lián)。第一聯(lián)：Z0~Z3號(hào)墩，為3跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，跨徑24+24+24=72m。Z2-0墩:五樁承臺(tái)鉆孔灌注樁D=1200mm,樁底標(biāo)高23.797m，23.737m；Z2-1～Z2-3墩均為兩樁承臺(tái)鉆孔灌注樁D=1200mm。第二聯(lián)：Z3~Z6號(hào)墩，為3跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑26+28.5+26=90.5m。Z2-4墩為兩樁承臺(tái)鉆孔灌注樁D=1200mm。

下部結(jié)構(gòu)均采用單柱+承臺(tái)+樁基礎(chǔ)形式。匝道橋與車站位置關(guān)系（見表1）

表1 匝道橋與車站位置關(guān)系

3 制約因素及方案確定

3.1 制約因素

采取目前設(shè)計(jì)方案的原因如下：

1）避開橋樁無法實(shí)現(xiàn)

車站西端馬甸橋及京藏高速Z1匝道橋，馬甸橋等級(jí)為D級(jí)，車站及區(qū)間為避開這兩處橋樁，車站無法向西移或南移。

2）距離樁基距離不是很近

車站主體外皮距離匝道橋Z2-0#～Z2-4#墩柱橋樁水平距離8.86～10.94m，距離不是很近，在主觀上可以接受。

3）車站埋深受到限制

與車站主體垂直4.4m×2.8m的熱力溝埋深較深，車站軌面標(biāo)高難以上抬，目前方案車站底板位于樁端附近。

3.2 設(shè)計(jì)方案的可行性

目前北京地區(qū)采用洞柱法及洞樁法穿越橋樁成功案例較多，具體采取何種工法根據(jù)橋樁位置關(guān)系及地層等各個(gè)因素而定：

1）當(dāng)車站主體主要位于粉質(zhì)土層中鄰近穿越橋樁一般采用洞樁法施工（如北京地鐵10號(hào)線國貿(mào)站穿越國貿(mào)橋區(qū)[4]）；

2）當(dāng)車站主體主要位于卵石土層中鄰近穿越橋樁一般采用洞柱法施工（如北京地鐵6號(hào)線一期工程花園橋站穿越花園橋橋樁[3]）；

3）兩種工法均有成功的案例，這兩種工法在控制變形及沉降方面均具有優(yōu)越性；同時(shí)對(duì)鄰近橋樁邊的小導(dǎo)洞拱部及側(cè)墻進(jìn)行深孔注漿的措施，控制好小導(dǎo)洞開挖過程中的變形；在砂卵石地層中穿越橋樁這兩種工法是可行的。

4 存在的問題及對(duì)方案的優(yōu)化

4.1 地層的特殊性及施工存在的問題

本車站主體穿越地層主要為砂卵石地層，砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層[5]，顆粒之間孔隙大，沒有粘聚力。在無水狀態(tài)下，顆粒之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力，地層反應(yīng)靈敏。在小導(dǎo)洞開挖、人工挖孔樁及鉆孔灌注樁開挖時(shí)，地層很容易破壞原來的相對(duì)穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，引起較大的圍巖擾動(dòng)。在小導(dǎo)洞及邊樁開挖施工過程中，對(duì)卵石的穩(wěn)定性擾動(dòng)較大，從而影響匝道橋橋樁的沉降及水平變形。

在小導(dǎo)洞內(nèi)在砂卵石地層采用鉆孔灌注法施工邊樁，此方法在北京16號(hào)線普遍使用。在小導(dǎo)洞狹小空間內(nèi)進(jìn)行鉆孔灌注樁的作業(yè)條件比較惡劣，邊樁的成孔及作業(yè)時(shí)間較長；在砂卵石采用泥漿護(hù)壁成孔易造成踏孔的問題；在砂卵石地層進(jìn)行人工挖孔也易造成坍塌，在孔洞內(nèi)作業(yè)的通風(fēng)條件較差。如果在鄰近橋區(qū)頻繁出現(xiàn)地層不穩(wěn)坍塌及施工作業(yè)時(shí)間延誤較長的話，后果不堪設(shè)想。

4.2 方案的優(yōu)化

目前的設(shè)計(jì)方案，邊樁及小導(dǎo)洞穿越橋梁樁基時(shí)，均位于卵石層或粉細(xì)砂層。鑒于施工風(fēng)險(xiǎn)較大，為減小施工風(fēng)險(xiǎn)，在穿越橋樁前后5m范圍內(nèi)對(duì)小導(dǎo)洞鄰近橋樁側(cè)側(cè)壁及拱部開挖輪廓線以外1.5m區(qū)域土體進(jìn)行深孔注漿加固；人工進(jìn)行邊樁開挖施工，每節(jié)護(hù)壁的高度減小到0.5m，并隨挖、隨驗(yàn)、隨灌注混凝土，及時(shí)處理好通風(fēng)問題；通過調(diào)整泥漿濃度、機(jī)械優(yōu)化及操作防止踏孔。以下針對(duì)洞柱法和洞樁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行力學(xué)分析對(duì)比。

5 力學(xué)模擬分析

5.1 模擬方法

使用專業(yè)巖土工程分析軟件——MIDAS/GTS建立模型。對(duì)洞柱法鄰近穿越橋樁及洞樁法鄰近穿越橋樁過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬盡可能做到與實(shí)際施工情況相符。通過模擬計(jì)算，得到施工過程中橋樁的水平位移及垂直沉降。

5.2 數(shù)值模型

5.2.1 本構(gòu)模型

根據(jù)本工程實(shí)際情況，數(shù)值模型本構(gòu)關(guān)系土體選用莫爾-庫倫準(zhǔn)則，土體、橋樁及主體二襯等采用平面應(yīng)變單元。

5.2.2 邊界條件

應(yīng)力邊界條件為：豎直方向按土層自重應(yīng)力，水平方向應(yīng)力為0.6倍自重應(yīng)力。位移邊界條件為：模型頂面自由，四周約束各邊界面的法向位移，底面完全約束。

5.2.3 地質(zhì)條件

車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)邊樁取C30混凝土，導(dǎo)洞單元參數(shù)取C25混凝土，主體二襯結(jié)構(gòu)參數(shù)取C40混凝土數(shù)。其中土體參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，見表2。

表2 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

5.2.4 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合數(shù)值模擬的基本要求，建立二維模型分析車站主體施工工程中對(duì)橋樁的影響情況，模型全貌見下圖，寬62m，土層厚度45m，單元采用平面應(yīng)變模型。見圖1、圖2。

圖1 洞柱法整體數(shù)值模型網(wǎng)格圖

圖2 洞樁法整體數(shù)值模型網(wǎng)格圖

5.3 數(shù)值模擬計(jì)算計(jì)算過程中車站施工按實(shí)際工況，先對(duì)土層深孔注漿加固，再依次開挖小導(dǎo)洞、邊樁、中柱及扣初支大拱，完成初期支護(hù)，最后澆筑二襯結(jié)構(gòu)混凝土。

5.3.1 車站洞樁法施工鄰近穿越橋樁計(jì)算結(jié)果（見圖3、圖4）

圖3 洞樁法施工橋樁豎向位移圖

圖4 洞樁法施工橋樁水平位移圖

5.3.2 車站洞柱法施工鄰近穿越橋樁計(jì)算結(jié)果（見圖5，圖6）

圖5 洞柱法施工橋樁豎向位移圖

圖6 洞柱法施工橋樁水平位移圖

5.4 計(jì)算結(jié)果分析

通過數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可以看出：采用洞樁法施工時(shí)，橋樁沉降值為1.34mm，水平位移為1.90mm；洞柱法施工時(shí)，橋樁沉降值為0.75mm，水平位移為1.00mm。從對(duì)結(jié)構(gòu)變形量可以看出兩種工法對(duì)橋樁的變形的影響均不大，均能滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全變形的要求，但洞柱法對(duì)橋梁的影響較洞樁法小。

根據(jù)以往倫理和數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值，在控制地面沉降方面洞樁法施工較洞柱施工有利，而本工程在控制橋梁變形方面，顯然是洞柱法施工較優(yōu)。其主要原因：砂卵石地層中通過對(duì)下小導(dǎo)洞拱部及側(cè)墻進(jìn)行深孔注漿加固，其土層穩(wěn)定性及強(qiáng)度得到加強(qiáng)；人工挖孔樁在砂卵石地層采取縮小開挖節(jié)深度及加強(qiáng)護(hù)壁支護(hù)，土層的穩(wěn)定得到保障，施工作業(yè)簡便、靈活、快捷；鉆孔灌注樁在卵石地層作業(yè)，其地層穩(wěn)定性受到工人對(duì)機(jī)械操作水平影響較大，作業(yè)空間狹小，施工進(jìn)度受到制約；洞柱法車站底板施做橫向條基，對(duì)其控制車站周圍土體及橋樁水平位移有利，而施做橫向條基的導(dǎo)洞開挖斷面較小，且距離橋樁較遠(yuǎn)，對(duì)橋樁的影響較小。

6 結(jié)語

本文基于實(shí)際工程為背景，借鑒類似工程的經(jīng)驗(yàn)對(duì)車站不同工法鄰近穿越橋樁進(jìn)行分析，后通過理論模擬計(jì)算對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較分析并優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

1）在砂卵石地層中車站洞柱法及洞樁法施工鄰近穿越橋樁可滿足橋梁結(jié)構(gòu)安全，在初期支護(hù)過程中砂卵石地層穩(wěn)定尤為重要。

2）通過對(duì)洞柱方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，其在砂卵石地層中控制橋樁變形、施工作業(yè)環(huán)境及施工進(jìn)度等方面更有利。

【1】DB11/995-2013城市軌道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【2】何海建.地鐵洞樁法施工對(duì)鄰近橋樁的影響與控制[S].

【3】韋京，王芳，孫明志.PBA工法地鐵車站下穿橋梁方案優(yōu)化研究[S].

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【5】王泰典，劉世桐，陳麗華，等．礫巖地層濱海公路隧道選線與規(guī)劃案例探討[C]//第六屆海峽兩岸隧道與地下工程學(xué)術(shù)及技術(shù)研討會(huì)論文集．2007.

圖1 周邊縫修復(fù)圖

3.2 面板水平裂縫和高趾墻裂縫處理

先將縫面用鋼刷清洗干凈，并烘干；然后在縫面粘貼SG305-C1液體橡膠或PSI-TAPE快速修補(bǔ)帶,涂刷PSI-200水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，寬度不小0.4m。

3.3 墊層料填充處理根據(jù)墊層料的級(jí)配分析，小于5mm的顆粒僅14.4%,少于設(shè)計(jì)的40%。為此,擬采用灌漿進(jìn)行填充。每塊面板設(shè)3排孔，排距3m，孔距3m，呈梅花狀布置?？咨?0～40m，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。灌漿材料可采水泥；為增強(qiáng)可灌性，可加入粉煤灰，水泥和粉煤灰各50%；對(duì)于強(qiáng)透水層，可摻入細(xì)砂，細(xì)砂比例根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，但不宜超過1/3。灌漿方法宜采用套管灌漿法。灌漿壓力0.3～1.5MPa,并保證面板不被掀起。每排一般采用三序灌漿，孔距先稀再逐漸加密。

4 結(jié)語

2016年5月，我們對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行回訪，通過查閱監(jiān)測(cè)資料，表明處理效果良好?；炷撩姘宥咽瘔沃苓吙p止水破壞及修復(fù)，在國內(nèi)少見，故總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以供參考。

【參考文獻(xiàn)】

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【收稿日期】2016-6-27

Optimization Scheme on A Mining Station Across a Bridge

QIUShu-lai
（ChinaRailwayTunnelSurveyDesignInstituteCo.Ltd.,Beijing100073，China）

The large cross section of station main structure through the buildings makes a certain deformation on architectural structures,and whether can reasonably control architecture is very important for the horizontal displacement and settlement, determining directly which method to use. Taking Beijing subwaystationasanexample,throughmutual positionrelationandstratigraphiccharacteristicsofstationandbridge,thisarticleputsforwardbridgeconstruction design scheme of hole column method[1]and hole pile construction method[1],through analysis and calculation, combining with experience and theory , it is concluded that, under this condition , hole columnmethod scheme hasmore advantages.Scheme can be widely promoted and applied into the similar design and construction.

holecolumnmethod;holepilemethod;bridgepier;deepholegrouting

TU921

A

1007-9467（2016）07-0111-03

2016-6-2

邱術(shù)來(1986~)，男，河南信陽人，助理工程師，從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)研究，（電子信箱）695901702@qq.com。