跨線橋交叉施工對高速公路路基擾動影響評估

■吳永泉

（福州地鐵集團有限公司，福州 350009）

近年來，城市擴張加快了城市周邊的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，臨近高速公路施工時有發(fā)生，因交叉施工對現(xiàn)有高速公路造成擾動影響的事件也時常被提及。因此， 跨線橋的施工需要通過合理的規(guī)劃設(shè)計、周全的施工防護措施、科學的監(jiān)控預防措施、快速的預警策略來有效的減小乃至消除新建項目給既有路基帶來的不利影響[1]。 路基的狀態(tài)主要涉及路基的強度、剛度、穩(wěn)定、變形特征等工作狀況，此外諸如：外界自然環(huán)境與人類活動、路基自身的設(shè)計與施工等都會直接影響到路基狀態(tài)[2]。 根據(jù)影響因素的來源，大致可以歸類劃分為內(nèi)部因素和外部因素；內(nèi)部因素主要是土體的工程特性，包括：顆粒組成、礦物組成、土體塑性等；外部因素主要是運營環(huán)境、車輛荷載以及施工擾動所來帶的影響；其中施工帶來的擾動與自然災害不同，其作用直接改變路基周邊區(qū)域原有地基的應力場、位移場，進而容易造成路基變形超限甚至失穩(wěn)破壞，因此需要在施工期間開展影響評估。

1 工程概況

F1 線首占站～蓮花山站區(qū)間上跨福州繞城高速公路東南段， 高速公路影響營運里程為K102+983.088～K103+133.088，總長度約150 m。 本區(qū)間線位涉及福州市長樂區(qū)首占鎮(zhèn)及鶴上鎮(zhèn)，為岱尖嶺與蓮花山之間相對低洼地段，該段地勢稍有起伏，呈兩端高中間低的形式，但總體較平緩，屬于剝蝕殘丘或低丘地貌單元。 該項目與繞城高速交叉段附近分布上層滯水，主要賦存于第四系表層的人工填土中，填土層由于物質(zhì)組成變化較大， 滲透性變化大，總體上其透水性一般。 里程YDK41+100～300 需上跨既有福州繞城高速及福北路。 涉路段包含140 m 的填方路基以及1 處橋臺結(jié)構(gòu)。 項目地理位置見圖1。

圖1 項目地理位置

為減少跨線橋施工對高速公路路基的影響，確保高速公路運行安全， 采取了專項防護措施如下：（1）SL46# 墩位于繞城高速K52+500 路基左側(cè)，開挖基坑長20 m、寬10 m、深9 m，基坑采用U 型鋼板樁+型鋼內(nèi)支撐支護，并在基坑邊上采用集水明排進行排水。 （2）SL47#橋墩位于繞城高速南側(cè)邊坡處，設(shè)計地面標高32 m 以上按永久邊坡考慮， 采用二級削坡，微風化巖層處設(shè)計坡比為1:0.3，采用系統(tǒng)錨桿+護面墻支護； 強風化巖層處設(shè)計坡比為1:0.5，采用框架錨桿支護； 設(shè)計地面標高32.0 以下按臨時基坑考慮，基坑采用直壁開挖，部分開挖面必要時采用防護網(wǎng)。 在基坑邊上采用集水明排進行排水（圖2）。

圖2 現(xiàn)場施工及防護措施斷面圖

同時，為準確得到跨線橋施工過程中影響區(qū)段高速公路路基的變形數(shù)據(jù)，還需對該段路基進行嚴密監(jiān)測，定量評估地鐵橋梁施工對高速路基的影響。

2 安全評估監(jiān)測方案

根據(jù)《公路法》及地方公路路政管理法規(guī)規(guī)定，結(jié)構(gòu)物上跨高速公路施工安全方案須報地方公路主管部門審批后方可實施，安全評估監(jiān)測方案以安全第一、快速評價為原則，確保施工過程中的高速公路結(jié)構(gòu)安全和行車安全， 同時保證良好通行條件，維護良好通行秩序。 地鐵的施工不得影響高速公路路基、路面及附屬設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全和高速公路運行安全[3]。

2.1 監(jiān)測對象

根據(jù)施工方案，F(xiàn)1 線首占站～蓮花山站區(qū)間上跨福州繞城高速公路東南段，高速公路影響營運里程為K102+983.088～K103+133.088，總長度約150 m。（1）路基路面工程：左幅為填方路堤，右幅為挖方路基。 路面采用瀝青混凝土路面。 監(jiān)測范圍為左右幅影響區(qū)間長度，均為150 m，見圖3。 （2）橋梁工程：涉及影響范圍內(nèi)主要是近端樁號的下部結(jié)構(gòu)橋臺。目標監(jiān)測橋臺采用重力式橋臺，配合擴大基礎(chǔ)。

圖3 現(xiàn)場施工及防護措施斷面圖

2.2 安全評估監(jiān)測的主要內(nèi)容

綜合分析現(xiàn)場施工影響范圍路基及橋梁結(jié)構(gòu)的特性，根據(jù)施工方案，為保證各階段施工過程中的結(jié)構(gòu)安全，現(xiàn)場擬定開展以下監(jiān)測內(nèi)容，見表1。采用人工檢查的方式，在本工程項目施工前、施工后對施工影響范圍內(nèi)的高速公路路基、橋梁各開展一次全面檢查。 通過對比分析施工前、后結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，分析評價施工對高速公路路基、橋梁的影響。 檢查內(nèi)容包括：（1）路基工程是否出現(xiàn)路基沉陷；重要支擋工程有無嚴重變形；涵洞有無存在嚴重開裂、變形；（2）路面工程是否出現(xiàn)粗骨料裸露、唧漿、推移、拱包、裂縫等病害；（3）橋梁工程是否存在支座脫空、橋臺變形、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫以及基礎(chǔ)沉降等。

表1 各監(jiān)測階段主要監(jiān)測內(nèi)容及目的

2.3 監(jiān)測方法

本項目采用自動化與人工相結(jié)合的監(jiān)測方法。 其中位移及沉降的常見監(jiān)測方法有現(xiàn)場接觸式沉降計法、 靜力水準儀法和非接觸式機器視覺測量法。由表2 可知，本項目路基及橋臺沉降和水平位移的監(jiān)測采用機器視覺測量，對于路塹、路堤的傾斜角度監(jiān)測采用測斜儀。 本項目擾動監(jiān)測測點布置圖見圖4。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測測點布置圖

表2 沉降與位移監(jiān)測方案對比

本項目自動化監(jiān)測由傳感層、采集傳輸層以及數(shù)據(jù)管理層組成，框架見圖5。傳感層是由采集結(jié)構(gòu)物物理參數(shù)的傳感器組件組成的，采集傳輸層與傳感層通過有線或者無線的方式連接，將傳感層所感知的數(shù)據(jù)匯總并傳輸至云端， 在云端進行計算，最終可以通過數(shù)據(jù)管理層在遠程對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行查看。

圖5 同感云結(jié)構(gòu)物監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2.4 監(jiān)測頻率及預警值

根據(jù)現(xiàn)場施工情況以及現(xiàn)場擾動發(fā)生的風險程度，制定監(jiān)測周期頻率，見表3。

表3 項目監(jiān)測頻率

結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)及監(jiān)測點預警級別，綜合施工巡視、環(huán)境巡視和作業(yè)面狀態(tài)觀察描述等信息，將項目施工的安全狀態(tài)進行綜合判斷和預警分級，綜合預警閥值分為預警值、報警值、控制值共3 級，閥值設(shè)置見表4。 （1）預警值：“雙控”指標（累計變形量、變形速率）均超過監(jiān)控量測控制值的70%，或雙控指標之一超過控制值的85%[3]；（2）報警值：“雙控”指標均超過監(jiān)控量測控制值的85%，或雙控指標之一超過控制值；（3）控制值：“雙控”指標均超過監(jiān)控量測控制值，或?qū)崪y變化速率出現(xiàn)急劇增長。

表4 監(jiān)測預警值設(shè)置

針對以上不同的預警狀態(tài)，在施工中采取相應的處理措施，保證施工及周邊環(huán)境的安全可控。

3 監(jiān)測結(jié)果及擾動程度分析

3.1 地表沉降

采用非接觸式機器視覺測量法獲取高速路基的地表沉降。 測得施工周期內(nèi)測點4 累計沉降值最大，該監(jiān)測點靠近基坑，因此重點對基坑附近的高速路基加強巡視， 必要時還需對此區(qū)段路基進行加固。

由圖6 可知，沉降的變化規(guī)律：（1）施工初期，基坑開挖對土體的擾動較大，地表出現(xiàn)沉降；（2）樁基施工，此時沉降變化達到最大值；（3）承臺施工，相對于樁基施工，此時沉降趨于穩(wěn)定；（4）拔除防護鋼板，此時由于支護解除，相對前一工況地表出現(xiàn)了輕微的隆起，沉降趨于穩(wěn)定。

圖6 上行側(cè)1～6 測點沉降曲線

3.2 地基深層水平位移

采用測斜儀獲取控制點位沿深度方向地基土側(cè)向位移分布，本項目施工期間測得的位移最大值發(fā)生在地表，為路基開挖時舊路基向基坑的側(cè)向位移。 由圖7 可知，上行側(cè)地基深層水平位移變化規(guī)律為：（1）開挖階段，由于新建工程路基開挖土體卸載造成的應力釋放，深層地基土出現(xiàn)向外側(cè)（以既有路基為出發(fā)點）位移，最大側(cè)向位移為24.96 mm，位移速率2.4 mm/d，但由于鋼板樁上部增加了型鋼內(nèi)支撐增加了上部的支護剛度，上部土體變形受到一定的限制，最大值沒有出現(xiàn)在地表附近，而是出現(xiàn)在埋深4.0 m 附近；（2）成樁階段，受樁體擠壓土體效應影響， 地基土出現(xiàn)向既有路基的側(cè)向變形；（3）承臺及墩柱澆筑階段，側(cè)向位移持續(xù)增加，數(shù)據(jù)在一定時間后達到穩(wěn)定， 分析原因在于墩柱澆筑后，新建基礎(chǔ)與既有路基之間的擠壓效應達到一個平衡狀態(tài)；（4）拔除防護鋼板，側(cè)向位移開始回縮，分析原因在于承臺、墩柱澆筑后，現(xiàn)場回填了部分土體，對既有路基形成擠壓。 由于回填量較少，土體位移很快形成穩(wěn)定。 施工期間監(jiān)測平均位移速率為1.2 mm/d，滿足新建工程施工過程變形控制要求。

圖7 上行側(cè)地基深層水平位移曲線

3.3 橋臺沉降監(jiān)測

通過靜力水準儀獲取橋臺沉降數(shù)值，測得施工期間橋臺沉降最大值發(fā)生在基坑開發(fā)階段，隨后在支護重力式擋墻施工后，在重力結(jié)構(gòu)荷載作用下土體擠壓，橋臺有所回彈，成樁施工及其后續(xù)施工階段，橋臺沉降趨于穩(wěn)定。 沉降值及沉降速率均小于限值（圖8）。

圖8 橋臺沉降曲線圖

綜合以上監(jiān)測指標評價，本項目地鐵跨線橋施工對高速公路路基擾動影響評估為安全。

4 結(jié)語

（1）通過對路基的變形監(jiān)測，高速交叉施工工程對既有路基的擾動影響不可避免；臨近高速公路施工，需做好影響段的支護工作，防止高速公路路基發(fā)生較大變形；（2）為保證施工過程中既有路基結(jié)構(gòu)的安全，需進行擾動影響評估安全監(jiān)測，監(jiān)測方法應根據(jù)預估值以及現(xiàn)場情況選擇適宜的方法；（3）非接觸式機器視覺測量法，受溫度環(huán)境影響較小，且施工方便，能夠適用于路基表面多點沉降測量，并獲得較好的數(shù)值反饋；（4）綜合多項關(guān)鍵數(shù)值的反饋， 對交叉施工擾動影響結(jié)果做出準確的評價。 本工程結(jié)合地表位移、深層水平位移以及橋臺沉降的參數(shù)，綜合評價地鐵跨線橋施工對高速公路路基擾動影響較小，評估等級安全。