地鐵暗挖車站下穿立交橋沉降控制技術(shù)研究與應(yīng)用

許愛峻

(中鐵十九局集團第一工程有限公司,遼寧 遼陽 111000)

地鐵暗挖車站下穿立交橋沉降控制技術(shù)研究與應(yīng)用

許愛峻

(中鐵十九局集團第一工程有限公司,遼寧 遼陽 111000)

以北京地鐵十號線蓮花橋站下穿既有橋梁為例，探討了PBA工法暗挖車站施工對下穿立交橋安全的影響。采用FLAC3D軟件對施工過程進行數(shù)值模擬，同時采用以雙排導(dǎo)管+控制注漿為主的沉降控制技術(shù)，數(shù)值模擬動態(tài)指導(dǎo)施工；最后結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，從理論以及實際中論證了該技術(shù)的可行性，橋臺基礎(chǔ)及變形縫差異沉降均保持在安全允許控制值內(nèi)。這對今后的地鐵下穿既有橋梁工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。

地鐵車站；PBA工法；下穿橋梁；沉降控制

隨著城市地鐵建設(shè)規(guī)模的逐漸增大，新建地鐵線路不可避免地從已建成的市政橋梁的基礎(chǔ)側(cè)面或下方穿過[1-3]。當(dāng)?shù)罔F下穿既有橋梁施工時，開挖引起的地層損失可能會導(dǎo)致施工范圍內(nèi)的橋梁基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，從而導(dǎo)致橋梁的安全性受損[4-5]。如何確保在地鐵施工過程中既有橋梁的安全使用一直都是社會各方關(guān)注的焦點。綜合國內(nèi)外理論研究以及施工經(jīng)驗[6-7]，對新建地鐵車站下穿既有橋梁工程的加固措施主要有：①加固橋臺附近地層，提高土層的自身承載力，減小橋臺的不均勻沉降。②擴大基樁承臺，提高橋樁的承載力。③車站主體結(jié)構(gòu)施工時采用強度高的支護結(jié)構(gòu)，減小開挖引起的地層損失。④在新建地鐵車站與既有橋梁基礎(chǔ)之間施作隔離樁等，隔斷地鐵施工對既有橋梁的影響。

目前，國內(nèi)不少專家學(xué)者對類似的工程都進行了大量的研究。駱建軍[8]等研究了北京地鐵開挖對臨近管線的影響；萬良勇[9]等以北京地鐵雙井站為例，針對地鐵區(qū)間隧道“零距離”穿越既有車站的施工工況，探索了不同開挖方式對既有結(jié)構(gòu)變形的影響。張成平[10]等研究了暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制技術(shù)。孫旭東[11]在北京地鐵6號線東四站施工時提出采用超前注漿加固及止水技術(shù)、CRD+千斤頂支護法、輔助深孔注漿及背后回填和補償注漿技術(shù)等暗挖隧道下穿既有車站施工技術(shù)，取得了良好的效果。以上多是對新建隧道穿越既有車站、管線的施工技術(shù)研究，對于地鐵下穿既有橋梁的技術(shù)研究不多，尤其是地鐵車站采用PBA工法對橋梁影響的案例研究甚少，本文將對此技術(shù)進行研究。

1 工程概況

北京地鐵十號線蓮花橋站位于蓮花橋北側(cè)、西三環(huán)路正下方，沿西三環(huán)中路南北向設(shè)置。主體結(jié)構(gòu)為地下兩層三跨、拱頂直墻框架結(jié)構(gòu)；車站主體結(jié)構(gòu)長度約184.0 m(沿右線剖切)，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.9 m，站臺寬度12 m，底板埋深約25.2 m，頂板覆土厚約6～10 m。車站主體結(jié)構(gòu)采用暗挖PBA工法施工，附屬結(jié)構(gòu)除出入口口部采用明挖法施工外，其余均采用暗挖法施工。

蓮花橋暗挖車站主體結(jié)構(gòu)下穿蓮花橋主橋以北的蓮花橋1號橋。地鐵結(jié)構(gòu)線與蓮花橋立交結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)水平距離和垂直距離較近，工程施工對既有蓮花橋立交會產(chǎn)生一定影響，是蓮花橋站土建施工工程的一個控制性風(fēng)險工程。蓮花橋1號橋?qū)捈s48.0 m，長約14 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)為單跨鋼筋砼簡支T型梁，梁高0.7 m；下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為擴大基礎(chǔ)，重力式橋臺(每座橋臺設(shè)3道沉降縫，間距10～12 m)；橋面設(shè)防水層，上設(shè)瀝青面層，支座均為板式橡膠支座。車站暗挖段垂直下穿橋臺基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)洞與橋臺底凈距約2.3 m，初襯扣拱與橋臺凈距約2.0 m。蓮花橋與地鐵車站結(jié)構(gòu)之間的剖面關(guān)系詳見圖1。

該段地質(zhì)條件較為復(fù)雜,如圖2所示。車站頂板上方主要以雜填土、粉土填土、圓礫層為主，車站高度范圍內(nèi)主要以圓礫、卵石圓礫以及強風(fēng)化礫巖為主，地基土主要持力土層均為強風(fēng)化礫巖。

圖1 車站主體下穿蓮花橋1#橋縱剖圖(單位：mm)

圖2 車站主體地質(zhì)斷面圖

2 下穿立交橋沉降控制技術(shù)

2.1 橋梁變形的數(shù)值模擬分析

蓮花橋暗挖車站主體結(jié)構(gòu)下穿蓮花橋1#橋?qū)儆谝患夛L(fēng)險源，存在以下工程重難點：①車站拱部距離橋臺最近距離為1.7 m。②既有蓮花橋1#橋結(jié)構(gòu)控制標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格，沉降差異值不超過3 mm。③在主體結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)沿車站走向的地下管線較多，且距離橋臺距離較近，結(jié)構(gòu)施工時必須保證兩者使用的安全性。車站結(jié)構(gòu)施工過程中，必須保證橋梁各個部分的形變、位移、應(yīng)力變化等參數(shù)控制在合理的區(qū)間內(nèi)，使橋梁結(jié)構(gòu)安全性以及使用耐久性得到保證。因此在該工程施工前，須預(yù)測評估橋梁的變形，研究具有針對性的應(yīng)對措施，以減小車站施工時對既有橋梁的影響。

綜上所述，本文采用FLAC3D軟件模擬區(qū)間開挖過程，進行建模分析?？紤]到尺寸效應(yīng)帶來的計算誤差，計算范圍?。鹤笥疫吔鐬?.5倍車站寬度，下邊界為1.5倍車站高度，上邊界到地面，沿車站縱向取30 m，圍巖、初支、二襯、橋臺均采用8節(jié)點六面體實體單元模擬，超前支護注漿層采用提高地層參數(shù)來模擬，土體開挖采用null模型。模型的前后、左右邊界施加x向約束，上邊界為應(yīng)力位移自由邊界，下邊界施加全約束。所建模型見圖3、圖4。

圖3 計算模型圖

圖4 蓮花橋1#橋模型圖

模型的建立及后處理分析是嚴(yán)格按照PBA工法的施工工序進行的。在數(shù)據(jù)分析過程中，與實踐經(jīng)驗類似，在車站扣拱期間的地表沉降值最大，地層沉降云圖詳見圖5。

圖5 車站扣拱完成后地層豎向沉降云圖

在數(shù)值模擬計算中不考慮車站上導(dǎo)洞及扣拱拱部的土體加固時，經(jīng)過模擬分析得出蓮花橋1#橋下方的道路地表最大沉降值為30.5 mm，因車站開挖導(dǎo)致的橋臺不均勻沉降約為7.3 mm。當(dāng)計算中考慮車站上導(dǎo)洞及扣拱拱部的土體加固時，分析得出蓮花橋1#橋下方的道路地表最大沉降值為13.5 mm，因車站開挖導(dǎo)致的橋臺不均勻沉降約為3.0 mm。模擬計算結(jié)果詳見圖6～圖7。

將計算得出的地表沉降分解至各工況狀態(tài)，各工況的沉降比例如表1、表2所示。

圖6 橋臺沉降曲線

圖7 地面沉降曲線

2.2 橋梁變形控制方案

表1 地表沉降比

表2 橋臺不均勻沉降比

結(jié)合前文對施工過程的數(shù)值分析，并根據(jù)本工程的實際情況，對車站下穿蓮花橋1#橋范圍內(nèi)(南北兩座橋臺向外各3.0 m范圍)，采用以雙排導(dǎo)管+控制注漿工藝的施工控制技術(shù)為主、其他沉降控制技術(shù)為輔的方案對橋臺進行保護，詳見圖8。主要包括以下幾個方面：

圖8 車站主體結(jié)構(gòu)下穿橋梁處理措施圖(單位：mm)

(1)根據(jù)數(shù)值模擬分析，把沉降值分解至各工況狀態(tài)，得出沉降主要發(fā)生在上層導(dǎo)洞及扣拱施工階段，故上層導(dǎo)洞下穿蓮花橋1#橋橋臺前，須對導(dǎo)洞起拱線與橋臺之間的區(qū)域進行注漿加固。土體在注漿完成后，其有良好的均勻性和自立性使掌子面沒有明顯的滲水。注漿后土體的無側(cè)限抗壓強度須達到0.5～0.8 MPa。注漿工藝采用雙重管無收縮深孔注漿，漿液種類根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗效果調(diào)整。

(2)加強初襯拱部超前注漿：①上層導(dǎo)洞拱部以及初襯扣拱上方，每榀設(shè)置?25 mm超前導(dǎo)管并注漿，注漿時采取控制注漿工藝，保留部分導(dǎo)管先不注漿，后期根據(jù)對橋臺的監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整注漿參數(shù)后有針對性的利用剩余導(dǎo)管進行注漿。②掌子面開挖前打設(shè)超前地質(zhì)探孔并分析地層狀況，若存在滲漏水嚴(yán)重、地層情況與勘察報告不符、土層較差時應(yīng)封閉掌子面，須重新修正設(shè)計參數(shù)后才能繼續(xù)施工。③初期支護形成后在其背后及時注漿填充空隙，并使附近土層得到加固，減小因隧道開挖引起的地面沉降。根據(jù)地勘報告，注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿壓力控制在0.1～0.3 MPa。在初襯與二襯之間壓注與二襯混凝土等強的無收縮水泥漿，注漿壓力小于0.1 MPa。

(3)輔助的控制沉降施工技術(shù)主要包括以下幾方面：①主體初襯結(jié)構(gòu)控制開挖步距0.5 m，且由南、北方向?qū)ΨQ開挖兩橋臺下方的暗挖結(jié)構(gòu)。②橋梁下方的道路上鋪設(shè)鋼板，降低車輛行駛過程中產(chǎn)生的振動對支護結(jié)構(gòu)及圍巖造成的影響。③加強監(jiān)控量測，做到洞內(nèi)與地面監(jiān)測同步，并做到信息化施工。將橋臺的控制指標(biāo)分解到車站各施工步序中，根據(jù)分項工程的監(jiān)控量測結(jié)果，及時調(diào)整施工參數(shù)，指導(dǎo)后續(xù)工程施工。④鑒于蓮花橋變形反應(yīng)敏感，變形控制要求極其嚴(yán)格，監(jiān)測過程中除保證數(shù)據(jù)的完整、可靠外，還應(yīng)加強對數(shù)據(jù)的分析與利用。對橋梁反應(yīng)的預(yù)測，應(yīng)貫穿于施工的全過程。

3 橋梁的監(jiān)控量測分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測項目及控制指標(biāo)

本工程采用了動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，為判斷施工過程引起的環(huán)境變化、既有橋梁狀態(tài)提供依據(jù)，并將數(shù)據(jù)分析反饋施工，以使現(xiàn)場據(jù)此采取對應(yīng)動態(tài)控制措施。監(jiān)測項目見表3，橋臺、橋梁測點布置平面圖詳見圖9。除對既有站的監(jiān)測外，本工程還設(shè)置了對地表及地層變形進行的實時精密監(jiān)測，從而得到下穿橋梁施工過程中地層變形分布規(guī)律，為設(shè)計施工提供更符合工程實際情況的設(shè)計參數(shù)，為以后類似工程積累相關(guān)經(jīng)驗。

表3 監(jiān)測項目表

圖9 測點布置平面圖(單位：mm)

3.2 施工過程監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以得出，蓮花橋站主體暗挖施工期間，蓮花橋1#橋橋臺基礎(chǔ)差異沉降測點共有2個超出報警值、1個超出預(yù)警值；變形縫差異沉降和橋臺基礎(chǔ)沉降測點都在正常范圍內(nèi)。橋臺基礎(chǔ)沉降最終累計值范圍+3.3～-4.4 mm，橋臺基礎(chǔ)差異沉降最大值為-3.8 mm；變形縫差異沉降累計最大值為-1.2 mm，為QCJ02-06測點與QCJ02-07測點之間的差異沉降。橋梁墩柱累計變形沉降值為-4.4 mm，詳見表4。

表4 監(jiān)測數(shù)據(jù)與累計變形量最大值統(tǒng)計表

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，蓮花橋1#橋沉降監(jiān)測點在車站進行上導(dǎo)洞施工期間沉降最明顯，沉降量較大，中導(dǎo)洞及下導(dǎo)洞施工期間隧道橋梁墩臺階段沉降量較小。主體暗挖導(dǎo)洞施工至橋區(qū)影響區(qū)域，由于車站暗挖段垂直下穿橋臺基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)洞與橋臺底凈距約2.0 m，初襯扣拱與橋臺凈距約1.7 m。在主體暗挖上導(dǎo)洞開挖至3號橋臺位置處，橋臺基礎(chǔ)沉降測點QCJ02-03的基礎(chǔ)差異沉降達到-2.7 mm，變形縫差異沉降達到-1.1 mm?；诖?，主體暗挖掌子面暫停作業(yè)，持續(xù)對蓮花橋1#橋橋區(qū)位置進行注漿，橋臺基礎(chǔ)沉降測點QCJ02-03累計沉降值回升到-2.0 mm，橋臺基礎(chǔ)差異沉及變形縫差異沉降均變化至設(shè)計控制值之內(nèi)。中導(dǎo)洞及下導(dǎo)洞施工期間隧道橋梁墩臺階段沉降量較小。

上述分析及檢測數(shù)據(jù)表明，在車站主體結(jié)構(gòu)施工過程中既有橋梁結(jié)構(gòu)是安全的。

4 結(jié)論

(1)PBA工法施工時須分解施工工序并制定沉降指標(biāo)，針對不同工況采用具有針對性的沉降控制方案，要體現(xiàn)過程控制。

(2)數(shù)值計算因為具有一定的局限性，應(yīng)與工程的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合，從理論到實踐對工程進行指導(dǎo)。

(3)本工程的順利實施，有望解決類似地下工程的技術(shù)難題，突破下穿既有橋梁工程的瓶頸，為國內(nèi)地鐵發(fā)展進一步夯實技術(shù)基礎(chǔ)，為后續(xù)類似工程提供重要參考。

[1]閆保華,曹 煒,盧士軍，等.橋梁頂升技術(shù)在地鐵近距離下穿橋梁中的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2012,41(23):42-46

[2]胡 煒.下穿既有高鐵橋梁的地鐵明挖基坑支護結(jié)構(gòu)施工與監(jiān)測[J].建筑科學(xué),2013,29(9):99-103

[3]施仲衡.地下鐵道設(shè)計與施工[M].北京:北京交通大學(xué)出版社,1997

[4]鄭熹光,何 平,張安琪，等.地鐵施工對鄰近橋梁樁基礎(chǔ)內(nèi)力影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2015,52(3):110-118

[5]唐新權(quán).地鐵區(qū)間隧道下穿橋梁大軸力樁基托換設(shè)計與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2016(1):87-91

[6]姚文花.地鐵暗挖隧道穿越橋梁群樁綜合技術(shù)——以麗澤橋橋區(qū)為例[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(15):263-269

[7]呂高峰,魏慶朝.地鐵雙線隧道施工對其穿越橋梁安全性分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,32(4):103-107

[8]駱建軍,張頂立,王夢恕，等.地鐵施工對管線的影響[J].中國鐵道科學(xué),2006,27(6):124-128

[9]萬良勇,宋戰(zhàn)平,曲建生，等.新建地鐵隧道“零距離”下穿既有車站施工技術(shù)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2015,52(1):168-176,183

[10]張成平,張頂立,吳介普，等.暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制[J].中國鐵道科學(xué),2009,30(1):69-73

[11]孫旭東.暗挖隧道密貼下穿既有線車站施工關(guān)鍵技術(shù)[J].隧道建設(shè),2013,33(5):412-418

A Study and Application of the Settlement-Controlling Technique for the Underground-Excavated Subway Station Under-Crossing a Flyover

XU Aijun

(The 1st Engineering Co. Ltd. of the 19th Bureau Group of China Railway,Liaoyang 111000,China)

With the project of the Lotus Flower Station under-crossing an existing bridge of Line 10 of the Beijing Metro as a practical example,the effect of the construction of the underground-cut and the PBA-method-built subway station on the security of under-crossing a flyover is explored in the paper.The construction process of the project is numerically simulated by means of the software of the FLAC3D, with the dual-row conduits+the controlled slip-casting settlement-controlling technique adopted for the project in the meantime, upon the basis of which the construction of the project is dynamically guided by means of numerical simulation.Finally,the feasibility of the technique is testified in both theory and practice with the site-measured data.With the technique adopted,the values of both the settlement of the bridge abutment and the differential settlement resulting from the deformation joints are kept within the permissible and safe control range. The project may serve as a certain guide for the construction of other subway projects under-crossing existing bridges.

subway station;PBA Method;under-crossing bridge;control of settlement

2016-08-22

許愛峻(1978—)，男，高級工程師，主要從事地下空間及隧道工程方面的研究工作。1270055350@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.018

U231.3

B

1672-3953(2016)06-0066-05