地鐵暗挖隧道近距離多次下穿墩梁固結(jié)橋梁樁基影響分析

王體廣

(北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司，北京 100068)

0 引言

隨著地鐵建設(shè)工程越來越多，地鐵線路與周邊建(構(gòu))筑物的關(guān)系越來越復(fù)雜，地鐵隧道穿越建(構(gòu))筑物甚至近距離穿越的工程實例越來越多。比如文獻(xiàn)[1]和[2]均是地鐵工程穿越橋梁的實例，但文中橋梁為一般簡支或連續(xù)梁，但無論是何種工法，隧道開挖勢必造成地層應(yīng)力變化，從而造成地面沉降和地層移動，當(dāng)沉降和移動達(dá)到一定程度，就會影響周圍建(構(gòu))筑物的安全和正常使用。

墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)橋是橋梁中一種較為特殊的結(jié)構(gòu)形式，其常用跨徑在100～300m，剛構(gòu)橋的主要承重結(jié)構(gòu)是梁與橋墩固結(jié)的剛架結(jié)構(gòu)，由于墩梁固結(jié)使得梁和橋墩整體受力，橋墩不僅承受梁上荷載引起的豎向壓力，還承擔(dān)彎矩和水平推力，在豎向荷載作用下，梁的彎矩通常比同等跨徑連續(xù)梁或簡支梁小，省去了大型支座，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、抗震性能好。但由于設(shè)計、施工、維修尤其是保護(hù)難度很大，在城市立交橋中使用比例不高。以北京地鐵12號線為例，全線穿越橋梁30處，但墩梁固結(jié)形式橋梁僅3處。

本文結(jié)合地鐵設(shè)計與施工實例，采用有限元軟件計算地鐵暗挖隧道近距離多次下穿墩梁固結(jié)橋梁樁基的變形，并將計算得到的理論值和現(xiàn)場施工的實際監(jiān)測值進(jìn)行了對比研究，為類似工程提供參考。

1 工程概況

北京地鐵12號線某區(qū)間隧道長739.2m，采用暗挖法施工，隧道埋深19.1～22.9m，沿北三環(huán)敷設(shè)，依次穿越北三環(huán)道路、擋墻、京藏高速匝道橋等多處風(fēng)險源，隧道與京藏高速匝道橋～軸橋樁并行680m，與橋樁凈距1.85～31.75m，并行距離長且近，設(shè)計和施工風(fēng)險很大。本文重點研究隧道左、右線均近距離多次下穿京藏高速匝道的～軸穿越段。隧道右線線路中心線與橋梁斜交角度為17°，左線線路中心線與橋梁斜交角度為31°。隧道與～軸橋樁凈距分別為8.26，3.79，1.85，3.70，18.47m，穿越段隧道覆土厚度約21.6m，隧道底部與樁基底部基本平齊。

穿越段京藏高速匝道橋上部結(jié)構(gòu)為四跨鋼混凝土聯(lián)合梁，跨徑分別為34，60，34.6，22.2m，車行道寬度為7.5m，全橋?qū)挾葹?.7m，地下結(jié)構(gòu)為單柱+承臺+樁基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)均為直徑1.2m的樁基，樁長23～25m，軸和軸橋樁為墩梁固結(jié)形式。地鐵區(qū)間隧道與高架橋相互關(guān)系如圖1，2所示。

圖1 地鐵區(qū)間隧道與高架橋平面關(guān)系

圖2 地鐵區(qū)間隧道與橋樁剖面關(guān)系

根據(jù)野外勘探、原位測試及室內(nèi)土工試驗結(jié)果，結(jié)合本工程周邊已有勘察資料，本工程最大孔深59.00m深度范圍內(nèi)所揭露地層按成因年代分為人工堆積層和一般第四紀(jì)沖洪積層兩大類，按地層巖性進(jìn)一步分為7個大層及亞層。各層土地層巖性、特點及分布規(guī)律自上而下依次為：粉土填土①層、雜填土①1層、粉土③層、粉質(zhì)黏土③1層、粉細(xì)砂③3層、粉質(zhì)黏土④層、黏土④1層、粉土④2層、粉細(xì)砂④3層、粉質(zhì)黏土⑥層、黏土⑥1層、粉土⑥2層、卵石～圓礫⑦層、中粗砂⑦1層、粉細(xì)砂⑦2層、卵石～圓礫⑨層、中粗砂⑨1層、粉細(xì)砂⑨2層、卵石～圓礫層等。

共揭露2層地下水，分別為層間潛水(三)和層間潛水(四)。層間潛水(三)：穩(wěn)定水位為36.320～36.570m，水位埋深為10.90～11.00m，含水層巖性主要為粉細(xì)砂④3層，局部為粉土⑥2層，透水性較好。受多年來水位下降影響，基本無承壓性。層間潛水(四)：穩(wěn)定水位為17.010～17.210m，水位埋深為30.20～30.44m，含水層巖性主要為卵石～圓礫⑦層和卵石～圓礫⑨層，局部為中粗砂⑦1層和粉細(xì)砂⑦2層，透水性較好。受多年來水位下降影響，基本無承壓性。

各主要土層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層力學(xué)參數(shù)

2 現(xiàn)狀橋梁檢測結(jié)果及控制指標(biāo)

2.1 現(xiàn)狀橋梁檢測結(jié)果

根據(jù)橋梁專業(yè)檢測單位出具的檢測報告，本橋梁(全橋)的檢測結(jié)果如下。

2.1.1橋面系外觀檢查結(jié)果

檢測范圍內(nèi)橋面鋪裝共存在19條橫向裂縫，其中12條為橫向通長裂縫，1處網(wǎng)狀裂縫，2處坑槽，1處混凝土堆積路面已凝結(jié)成塊；6條伸縮縫通長積土，其中3處止水帶破損；0號臺橋頭引道連接平順；兩側(cè)防撞護(hù)欄現(xiàn)況良好；4處泄水孔堵塞。

2.1.2上部結(jié)構(gòu)外觀檢查結(jié)果

上部結(jié)構(gòu)第1～4跨、第6～14跨、第16～26跨、第28～30跨為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，橫向4片T梁；第5，15，27跨，第31～37跨為鋼-混組合箱梁；目前存在的主要病害為4-1號T梁底面整體水漬，第5，27跨箱梁局部存在銹跡，T梁左側(cè)翼板7處滲水泛堿，1處銹脹開裂。

2.1.3下部結(jié)構(gòu)外觀檢查結(jié)果

3-3-2號支座局部脫空，脫空率15%，脫空高度2.0mm，其他支座工作正常。0號臺前墻存在2處脹裂，4號墩及9號墩蓋梁局部水漬伴有漆皮剝落，4號墩柱局部混凝土剝落，30號墩蓋梁局部水漬，37號墩蓋梁整體水漬；基礎(chǔ)位于地面以下，根據(jù)現(xiàn)場情況推斷基礎(chǔ)無異常；檢測范圍內(nèi)對拉錨栓共缺失3處，擋塊混凝土麻面1處，其余抗震對拉錨栓、擋塊等未見明顯病害。

2.1.4橋梁無損檢測結(jié)果

1)混凝土抗壓強(qiáng)度

本次共抽取18個構(gòu)件進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度測試，T梁抗壓強(qiáng)度推定值50.2～55.0MPa，蓋梁混凝土抗壓強(qiáng)度推定值45.4～48.3MPa，墩柱混凝土抗壓強(qiáng)度推定值為46.7～52.1MPa。

2)混凝土碳化深度

T梁混凝土碳化深度最大值4.0mm，蓋梁混凝土碳化深度最大值4.5mm，墩柱混凝土碳化深度最大值5.0mm。結(jié)合鋼筋保護(hù)層厚度檢測結(jié)果分析，目前T梁、蓋梁、墩柱的碳化深度未影響到鋼筋。

3)鋼筋保護(hù)層厚度

T梁32個測點，鋼筋保護(hù)層厚度26～37mm；蓋梁30個測點，鋼筋保護(hù)層厚度31～46mm；墩柱30個測點，鋼筋保護(hù)層厚度41～50mm。

4)鋼結(jié)構(gòu)涂層厚度

鋼箱梁底板涂層厚度平均值為250～255um，所檢測區(qū)域的鋼箱梁涂層厚度平均值>150um，滿足規(guī)范要求。

5)鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷

本次共檢測2條焊縫，累計檢測長度6.0m，所檢焊縫均評定為合格。

2.2 橋梁變形控制指標(biāo)

根據(jù)橋梁專業(yè)評估單位出具的評估報告，本橋梁(全橋)的變形控制指標(biāo)如下。

1)鋼混組合梁段 第8聯(lián)Z30～Z34及第9聯(lián)Z34～Z37軸各相鄰墩豎向(縱向)差異沉降控制值為6mm。

2)鋼混組合梁墩頂主梁內(nèi)外側(cè)腹板底橫向不均勻沉降控制值為腹板底寬的1/1 000～1/1 500，各相鄰墩豎向(縱向)差異沉降控制值為5mm。

3)簡支梁段 各相鄰墩豎向(縱向)不均勻沉降控制值為10mm。

4)墩柱傾斜控制值為高度的1/1 000。

5)橋梁均勻沉降最大值15mm。

6)橋頭搭板尾端與橋臺處不均勻沉降控制值為5mm。

3 變形預(yù)測分析及設(shè)計方案

3.1 設(shè)計方案

根據(jù)地鐵下穿既有市政橋梁設(shè)計流程，結(jié)合橋梁檢測和評估報告并經(jīng)過產(chǎn)權(quán)單位審查及相關(guān)設(shè)計評審，設(shè)計方案最終確定如下。

1)暗挖隧道采用臺階法施工，穿越橋樁段增加臨時仰拱并拉大上下導(dǎo)洞步距，橋樁前后10m范圍內(nèi)隧道輪廓線外2.0m、內(nèi)0.5m及掌子面上半斷面采取洞內(nèi)深孔注漿加固周邊地層，注漿加固土體時應(yīng)結(jié)合監(jiān)測反饋情況，及時調(diào)整注漿壓力。

2)嚴(yán)格執(zhí)行“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”十八字方針，同時加強(qiáng)暗挖關(guān)鍵工序控制。

4)施工過程中協(xié)調(diào)區(qū)間隧道左右線施工部署，以減少對橋連續(xù)梁的影響，右線施工至軸前10m時左線施工至軸前10m：右線施工至軸前10m時左線施工至軸前10m。

5)為驗證洞內(nèi)注漿效果，穿越段之前設(shè)計了試驗段，根據(jù)試驗段結(jié)果優(yōu)化施工參數(shù)。

6)及時進(jìn)行初支背后回填注漿，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行多次補注漿，嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量，保證注漿效果。

8)密切關(guān)注掌子面粉細(xì)砂層情況，若出現(xiàn)砂層穩(wěn)定性較差或監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大時應(yīng)采取應(yīng)對措施。

9)深孔注漿段取消小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，注漿壓力控制在0.8～1.0MPa。注漿加固體指標(biāo)要求：28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度0.8MPa，滲透系數(shù)1×10-6cm/s。

10)制定詳細(xì)、有針對性的應(yīng)急預(yù)案。

圖3 軸橋樁及地鐵區(qū)間隧道處理措施剖面

3.2 變形預(yù)測分析

為進(jìn)一步分析暗挖隧道施工對市政橋梁的影響和上述設(shè)計方案的可靠性及合理性，利用MIDAS-GTS NX軟件建立三維有限元數(shù)值分析模型。在三維建模中，取隧道開挖方向為y軸，垂直于地層方向為z軸，沿隧道橫向為x軸，并且與y軸和z軸滿足右手法則。

計算區(qū)域主要根據(jù)隧道以及既有市政橋梁的布置情況，并滿足一定邊界效應(yīng)的要求來確定。由于立交橋存在簡支、連續(xù)、墩梁固結(jié)等不同的結(jié)構(gòu)形式且穿越關(guān)系復(fù)雜，因此模型前后延長以減小模型范圍對計算精度的影響，提高分析準(zhǔn)確性。隧道埋深21.6m，左右線路中心線間距15.8m，根據(jù)影響線分析，本區(qū)間隧道完成后地表沉降槽寬度約21.6+15.8+21.6=59.0m，故在本模型中左右線隧道中心外各取20m，橫向共選取100m；隧道縱向上從軸橋樁開始建立模型，至軸橋樁結(jié)束，共計200m；模型厚度共取50m，對隧道部分地層參數(shù)均取加權(quán)平均值計算。三維模型如圖4所示。

圖4 三維網(wǎng)格模型

本模型采用位移邊界條件：側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取為自由邊界。根據(jù)施工方案，先施工左線后施工右線，為減少對連續(xù)梁的影響，左右線保持一定的步序先后施工。模型分別選取施工進(jìn)度為40，80，120，160，200m等不同工況下橋梁的總沉降、差異沉降等與控制指標(biāo)進(jìn)行對比，如表2所示。

表2 不同施工工況下的橋樁沉降

從以上數(shù)據(jù)來看，采取上述設(shè)計措施后，預(yù)測橋樁最大沉降值為5.65mm<15mm，最大差異沉降3.49mm<6mm，參數(shù)均小于變形控制指標(biāo)，設(shè)計方案合理可行。

4 實測數(shù)據(jù)

施工中對橋梁沉降、橋梁傾斜、地表沉降、隧道收斂、拱頂沉降等項目進(jìn)行了監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場實際工程進(jìn)度，本工程右線于2018年9月10日施工至軸橋樁前10m，此時左線施工至軸橋樁前約10m。左線于2018年10月17日施工至軸橋樁后10m，此時右線施工至軸橋樁處。右線于2018年11月11日施工至軸橋樁后10m，此時區(qū)間左線施工至軸橋樁后39m，距離軸橋樁后53m，后續(xù)施工對橋梁影響很小。

表3 橋樁沉降實測值

圖5 軸橋樁沉降曲線

圖6 軸橋樁沉降曲線

5 結(jié)語

目前本區(qū)間隧道已經(jīng)貫通，橋梁各項指標(biāo)趨于穩(wěn)定，實際監(jiān)測值均未超過控制值，施工期間交通運行未受影響，結(jié)合計算和實測數(shù)據(jù)，地鐵暗挖隧道近距離多次下穿墩梁固結(jié)橋梁樁基設(shè)計和施工經(jīng)驗，可以得到如下結(jié)論。

1)通過計算值和實測值可以看出，本工程穿越過程中采用臺階法+臨時仰供，并采取洞內(nèi)深孔注漿、洞外樁底注漿、協(xié)調(diào)左右線施工部署、及時初支背后及二襯背后注漿、加強(qiáng)監(jiān)測及關(guān)鍵工序控制等綜合措施效果明顯，橋梁沉降得到了很好的控制，施工全過程均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

3)在隧道施工過程中，橋樁側(cè)摩阻力呈負(fù)摩阻力狀態(tài)，對樁基的受力非常不利，必須采取有效措施減小樁側(cè)的負(fù)摩阻力效應(yīng)，提高樁體的承載能力，由于墩梁固結(jié)橋梁不具備支頂條件，暗挖隧道本身施工難度很大，本工程近距離多次下穿橋梁加劇了施工難度，如何采取合理、可行、有效的措施是必須解決的問題，在常規(guī)措施的基礎(chǔ)上，提出了樁底注漿和工序控制是本工程成功的關(guān)鍵。

4)經(jīng)過對全線穿越橋梁不同情況梳理發(fā)現(xiàn)，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與本工程類似，橋梁總沉降、傾斜一般控制較好，實際監(jiān)測值與控制指標(biāo)均有一定差距，由于差異沉降本身控制值較小，且多次穿越或者只穿越連續(xù)梁中一個橋墩時，差異沉降明顯，控制難度較大，因此施工過程中除采取洞內(nèi)外加固地層措施外，協(xié)調(diào)左右線施工部署、選擇合適穿越時機(jī)較為重要，可以最大程度減少對橋梁連續(xù)梁的影響。