安志剛 趙寶忠

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600；2.內蒙古中電物流路港有限責任公司赤峰鐵路分公司 內蒙古赤峰 024000)

1 引言

隨著地方經濟發(fā)展和城市軌道交通基礎設施大規(guī)模建設的加快，新建地鐵鄰近或下穿既有市政橋梁的重大風險工程與日俱增。新建地鐵施工對周邊土體擾動可能會對鄰近橋梁運營帶來安全隱患[1-2]。

本文以北京地鐵19號線區(qū)間隧道穿越某立交南幅橋施工為研究背景，在對橋梁現狀進行檢測的基礎上，分析地鐵施工對橋梁的影響；采用施加強制位移的方式，計算確定橋梁允許變形值，并基于巖土有限元分析軟件，預估橋梁在地鐵近距離下穿施工后的變形情況，以達到對既有橋梁監(jiān)控和預警提供充分理論依據的目的。

2 工程概況

2.1 既有橋梁概況

某立交由南北兩幅橋組成，南幅橋橋梁垂直斷面寬度為(1.25+16.5+1)m，其中1.25 m為地袱、步道及欄桿，16.5 m為行車道，1 m為中央隔離帶。該橋為11跨，橋面連續(xù)，全橋共設三道伸縮縫，橋長264 m。上部結構采用預制安裝預應力砼T型梁，每孔橫向由北向南依次為1根邊梁、9根中梁、1根邊梁，共11根梁。下部結構采用三柱蓋梁，鉆孔灌注樁邊墩樁徑為1.2 m，中墩樁徑為1.0 m。樁間擋墻采用包式鋼筋砼扶壁式樁間擋土墻。支座形式為板式橡膠支座。橋梁設計荷載為汽車-超20、掛車-120，步道人群荷載3.5 kN/m2。

2.2 新建工程與既有橋梁位置關系

地鐵19號線呈南北走向，左右線分別向北穿越某立交南幅橋第6跨、第8跨(見圖1)。其中5號橋墩基礎埋深20.168 m，與隧道結構最小水平凈距4.774 m，6號橋墩基礎埋深20.590 m，與隧道結構最小水平凈距8.491 m，7號橋墩基礎埋深20.652 m，與隧道結構最小水平凈距10.571 m，8號橋墩基礎埋深20.562 m，與隧道結構最小水平凈距3.630 m。

圖1 19號線正線與立交南幅橋橋墩及樁位置關系(單位:mm)

2.3 新建工程施工方案

地鐵19號線區(qū)間左右線暗挖隧道側穿右安門橋橋樁。正線暗挖隧道開挖尺寸(6.48×6.81)m，采用臺階法施工，初襯厚250 mm，二襯厚300 mm。暗挖隧道標準斷面施工步序見圖2。

圖2 暗挖隧道標準斷面施工步序

區(qū)間施工時，采取以下措施，以盡量減少對橋梁的影響:(1)及時進行初支背后注漿，通過注漿壓力和注漿量的嚴格控制，以及多次補注漿，保證整體注漿質量；(2)及時進行二襯背后注漿，保證注漿效果；(3)預先布設測點，施工期間加強對橋梁的監(jiān)測，根據監(jiān)測結果及時調整施工參數；(4)對橋樁與隧道之間的土體采用超前深孔注漿加固，注漿過程嚴格控制注漿壓力(不大于0.5 MPa)及注漿量，并安排專人對橫通道上方下游雨污水井進行巡查，如發(fā)現漿液立刻停止注漿。施工過程中如發(fā)現深孔注漿效果不理想部位，及時封閉掌子面進行補注或打設超前小導管進行加固[3-5]。

2.4 工程地質情況

根據勘察報告，將本工程場地勘探范圍內的土層按地層沉積年代以及成因類型，劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀沖洪積層和新近紀沉積層四大類。在本場區(qū)內存在1層地下水，為潛水，主要賦存于第⑦卵石層、第⑨卵石層，水位埋深20.43～22.00 m，水位標高19.80～21.37 m。

3 地鐵穿越橋梁評估思路

地鐵穿越既有橋梁評估涉及到檢測、設計、施工、咨詢等多個專業(yè)，各專業(yè)缺一不可，其實施過程基本包括三個方面:(1)通過檢測獲悉橋梁現狀，分析其損傷程度，從而評估既有橋梁當前的承載能力、正常使用狀態(tài)、抗震性能及耐久性；(2)根據現狀建立橋梁有限元模型，通過對橋梁基礎施加強制位移模擬地鐵施工對橋梁變形的影響，確定實際狀態(tài)下既有橋梁的允許變形控制值；(3)基于橋梁設計、檢測資料和地鐵設計資料，建立地鐵、橋梁的三維仿真模型，分析地鐵施工過程中橋梁的最大變形量是否滿足既有橋梁允許變形控制值，如不滿足則需在設計防護方案的基礎上優(yōu)化設計并重新評估，直至滿足橋梁的允許變形控制值為止[6-7]。

4 現狀檢測及既有橋梁變形控制值確定

4.1 既有橋梁現狀檢測情況

通過對橋梁的現場檢測，立交南幅橋當前存在的主要病害為:T梁間橫隔板和蓋梁存在銹脹開裂，部分蓋梁開裂嚴重，目前尚未影響結構安全；此外，橋梁還存在其他一些影響結構耐久性的病害(如T梁翼板局部銹脹露筋、滲水泛堿，蓋梁局部銹脹露筋等)和一些影響構(配)件使用功能的病害(如橋面鋪裝坑槽、伸縮縫積土等)。混凝土強度滿足原設計要求，且混凝土梁和墩柱的碳化深度未影響到鋼筋。

按照《城市橋梁養(yǎng)護技術標準》(CJJ 99—2017)，立交南幅橋技術狀況等級評定為B級，處于良好狀態(tài)。

4.2 既有橋梁變形影響因素及控制標準確定

4.2.1 地鐵對既有橋梁的影響分析

新建地鐵下穿施工對既有橋梁的影響與橋梁本身結構形式及狀態(tài)息息相關。地鐵19號線區(qū)間正線穿越某立交南幅橋，施工造成基礎沉降的范圍為5?！?0＃墩之間結構，對橋梁可能帶來的風險和影響如下[8-9]:

學生在參與實習的過程中，通常難以得到有效的管理，因此學校應當通過信息交流平臺，為學生提供更為有效的管理服務。例如，實習教師可通過微信平臺，組建實習生管理群。微信是當下學生最為常用的交流工具，通過微信進行日常交流，是較為便捷的管理方式。其次，教師可在教學APP中增設簽到功能，通過該功能，學生的考勤情況將被教師及時掌握，學生的工作狀態(tài)也將得到保障。再有，教師可利用手機QQ，為學生建立學習平臺。QQ的文件傳輸能力較強，利用該系統(tǒng)，學生將獲得大量的知識信息。在應用中教師可及時將數據庫內的教學視頻發(fā)至QQ平臺，學生通過簡短的學習通?？苫貞浧鹨酝慕虒W內容，其面臨的理論問題也將得到解決。

(1)影響范圍內橋梁的上部結構為預應力混凝土簡支T梁，下部結構采用三柱式蓋梁?；A的差異沉降對上部結構受力影響較小，主要影響部位為橋面系和蓋梁?；A差異沉降過大，會造成橋面系損傷外，同時會導致跨間易形成急促變坡點，影響橋梁上部道路正常使用；同一橋墩不同墩柱之間的不均勻沉降會導致蓋梁的受力變化，影響蓋梁的使用。

(2)地鐵隧道側穿橋樁基礎擾動土層，對樁側摩阻力、樁側向土壓力產生影響，將減小樁基單側土壓力，使得樁基豎向承載力降低，樁基彎矩增加，進而可能導致墩柱傾斜、樁基開裂，影響橋梁的安全性及穩(wěn)定性。

(3)基礎沉降會對橋面縱坡產生影響，可能會對行車舒適度以及橋面排水造成不利影響。

(4)該橋蓋梁當前存在銹脹開裂露筋等病害，基礎沉降有可能會導致結構既有病害進一步發(fā)展。

4.2.2 橋梁變形控制值的確定

針對本橋，同一橋墩不同墩柱之間的不均勻沉降會導致蓋梁受力發(fā)生變化，嚴重時導致蓋梁開裂以致對橋梁的承載力及正常使用產生影響，因此同一蓋梁不同墩柱的不均勻沉降是本橋變形的重點控制對象。為分析同一蓋梁不同墩柱間不均勻沉降對結構受力的影響，采用Midas Civil建立蓋梁有限元模型，見圖3，并采用強制位移法對不均勻沉降工況(見表1)進行計算分析。

圖3 墩柱蓋梁結構計算模型

根據蓋梁橫向不均勻沉降計算結果，并考慮橋墩沉降對橋梁平順性等因素的影響，最終確定該立交南幅橋的變形控制指標如下:

(1)橋墩均勻沉降控制值為15 mm。

(2)縱向相鄰墩柱不均勻沉降控制值10 mm。

(3)橫向相鄰墩柱不均勻沉降控制值為3 mm。

(4)墩柱傾斜控制值1/1 000。

5 施工影響安全分析

5.1 模型的建立

根據既有橋梁、新建地鐵結構及周邊環(huán)境，并考慮模型尺寸對計算結果的影響，確定本計算模型前后方向長220 m、左右方向長190 m，高60 m。對計算區(qū)域內土體、既有橋梁結構、暗挖隧道等進行三維精細建模，除橋梁樁基采用梁單元外，并考慮樁土接觸，其余均采用實體單元[10-11]。

模型中車輛荷載、上部結構及橋面系自重均采用外力形式施加于模型。土體采用修正摩爾-庫倫本構模型進行模擬。建立的“土體-橋梁-隧道”計算模型見圖4～圖5。

圖4 計算模型

圖5 地鐵與既有橋梁位置關系模型

5.2 地鐵施工對橋梁變形影響分析

5.2.1 區(qū)間右線開挖對橋梁影響分析

根據施工方案，先進行區(qū)間右線施工，施工完成后橋梁位移情況見圖6。

圖6 區(qū)間右線施工完成后橋梁變形

計算結果顯示，區(qū)間右線施工過程中立交南幅橋橋墩的最大豎向變形為-6.21 mm，位于8-1墩；縱向相鄰橋墩不均勻沉降-6.18 mm，位于8-1～9-1墩；橫向相鄰橋墩不均勻沉降-2.10 mm，位于8-1～8-2墩；新增最大傾斜值為0.52/1 000，位于8-1墩。各變形參數均滿足變形控制指標要求。

沉降最大值發(fā)生在距離開挖隧道最近的橋墩，表明所構建模型合理。

5.2.2 區(qū)間左線開挖對橋梁影響分析

區(qū)間左線從第5跨間下穿施工完成后，橋梁的位移變化見圖7。

圖7 區(qū)間左線施工完成后橋梁變形

計算結果顯示，區(qū)間左線施工過程中某立交南幅橋橋墩在本階段最大豎向變形發(fā)生在5-1墩柱，其最大變形為-5.45 mm，累計最大豎向變形依舊發(fā)生在8-1墩，為-6.30 mm；縱向相鄰橋墩不均勻沉降-6.28 mm，位于8-1～9-1墩；橫向相鄰橋墩不均勻沉降-2.20 mm，位于5-1～5-2墩；新增最大傾斜值為0.63/1 000，位于5-1墩。

從以上分析可以看出，地鐵區(qū)間正線穿越施工完成后，立交南幅橋各變形值均滿足變形控制指標要求，施工所采取的加固措施可以有效保證既有橋梁的安全。

5.3 地鐵穿越施工安全監(jiān)測

為保證橋梁結構安全，地鐵穿越過程中對橋梁進行全過程監(jiān)測。監(jiān)測結果顯示，地鐵區(qū)間隧道穿越施工過程中，橋墩最大沉降為3.94 mm，位于8＃墩，5＃墩最大沉降為-2.82 mm，相鄰墩柱最大不均勻沉降值為0.5 mm，整個穿越過程安全風險可控，符合安全評估預期[12]。

6 結束語

本文以北京地鐵19號線穿越某立交南幅橋施工實例為依托，探討了新建地鐵穿越既有橋梁施工安全評估思路和方法，采用施加強制位移的方式，計算確定橋梁的允許變形值，基于巖土有限元分析軟件預估既有橋梁在地鐵近距離下穿施工后的變形情況，并對施工加固措施安全性進行評價。通過實際監(jiān)測數據表明，實測數據符合評估預期，驗證了安全評估方法的有效性。