暗挖地鐵車站空間交叉結(jié)構(gòu)施工對(duì)鄰近擴(kuò)大基礎(chǔ)橋梁影響分析

史磊磊,張仲宇,王 凱,張帆博

(1.北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司,北京 100176； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

引言

在立交橋區(qū)布置的地鐵車站往往需要從市政橋梁基礎(chǔ)(樁基礎(chǔ)或擴(kuò)大基礎(chǔ))側(cè)面或下方穿過，地鐵車站施工會(huì)擾動(dòng)橋梁基礎(chǔ)周圍的地層，從而導(dǎo)致鄰近橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降。為確保鄰近橋梁使用安全和地鐵工程施工安全，需要研究地鐵車站開挖對(duì)鄰近橋梁基礎(chǔ)的影響程度，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施[1-6]。目前的研究更多的是關(guān)注隧道施工以及車站標(biāo)準(zhǔn)斷面施工對(duì)鄰近橋梁基礎(chǔ)的影響[7-10]，為進(jìn)行暗挖地鐵車站主體結(jié)構(gòu)施工，需要垂直車站走向設(shè)置若干個(gè)施工橫通道，并從施工橫通道的兩側(cè)壁開洞進(jìn)行車站主體結(jié)構(gòu)的施工。

施工橫通道與車站主體結(jié)構(gòu)的相交部位為空間交叉結(jié)構(gòu)，暗挖地鐵車站工程實(shí)踐表明：該部位施工工序多，對(duì)周邊地層多次擾動(dòng)，由于施工擾動(dòng)的疊加效應(yīng)，導(dǎo)致該部位地層沉降大[11-13]，對(duì)鄰近橋梁基礎(chǔ)的影響效應(yīng)突出。北京地鐵12號(hào)線安貞橋站主體結(jié)構(gòu)側(cè)穿安貞東橋和安貞西橋，其中安貞東橋采用斜腿剛構(gòu)+擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，這種橋梁基礎(chǔ)形式的最大特點(diǎn)是對(duì)差異變形極為敏感，目前幾乎沒有對(duì)于該類型橋的近接施工保護(hù)措施研究報(bào)道，而用于施工該站主體結(jié)構(gòu)的2號(hào)和4號(hào)施工橫通道就布置在擴(kuò)大基礎(chǔ)兩側(cè)。根據(jù)安貞東橋變形控制要求，提出了“超前深孔注漿”和“超前深孔注漿和地表隔離樁聯(lián)合使用”等兩種保護(hù)措施。并對(duì)兩種保護(hù)方案分別建立了三維計(jì)算模型，采用數(shù)值模擬方法對(duì)兩種方案的實(shí)施效果進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果并結(jié)合工程實(shí)際情況，確定了對(duì)鄰近安貞東橋的保護(hù)措施。

1 工程背景

由于受到北三環(huán)主路的制約，北京地鐵12號(hào)線安貞橋站為暗挖雙層分離島式車站，結(jié)構(gòu)形式為單跨無柱結(jié)構(gòu)，車站主體左、右線分別位于北三環(huán)主路的安貞橋南、北兩側(cè)輔路下，采用洞樁法(PBA工法)施工。標(biāo)準(zhǔn)段覆土厚14.9 m，局部下沉段覆土厚16.6 m，局部挑高段覆土厚11.35 m，車站主體結(jié)構(gòu)主要位于粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和卵石-圓礫層。

地鐵安貞橋車站左、右線主體結(jié)構(gòu)以及2號(hào)和4號(hào)施工橫通道與鄰近安貞東橋位置關(guān)系見圖1、圖2。橫通道為高邊墻結(jié)構(gòu)，共分為5層，采用CD法開挖。橫通道施工完成后，在橫通道的東、西兩側(cè)側(cè)壁開馬頭門，向東、西兩端進(jìn)行導(dǎo)洞施工、導(dǎo)洞內(nèi)的邊樁施工以及扣拱施工和車站主體結(jié)構(gòu)的施工等。

圖1 車站結(jié)構(gòu)與安貞東橋平面位置關(guān)系示意(單位：m)

圖2 車站結(jié)構(gòu)與安貞東橋斷面位置關(guān)系示意(單位：m)

安貞東橋結(jié)構(gòu)體系為斜腿剛構(gòu)，主梁采用鋼筋混凝土變截面連續(xù)T梁，橋梁縱向跨徑為8.5 m+17.5 m+8.5 m；中墩為變截面斜腿形式，兩個(gè)預(yù)制的斜腿并排組成結(jié)構(gòu)上的一個(gè)受力單元，柱頂為60 cm×89 cm矩形斷面，與擴(kuò)大基礎(chǔ)連接的鉸處為45 cm×30 cm矩形斷面，預(yù)制斜腿通過現(xiàn)澆柱頂橫梁與主梁形成整體；下部采用現(xiàn)澆擴(kuò)大基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 安貞東橋縱剖面(高程單位為m，其余為cm)

2 橫通道與車站主體交叉部位施工對(duì)安貞東橋影響分析

安貞東橋鄰近車站主體結(jié)構(gòu)及施工橫通道，特別是橫通道與車站主體交叉部位施工對(duì)安貞東橋影響更為顯著。

(1)車站主體結(jié)構(gòu)左、右線結(jié)構(gòu)邊線距安貞東橋的東、西側(cè)擴(kuò)大基礎(chǔ)水平凈距均小于2 m(圖1)，橋梁基礎(chǔ)全部處在車站左線和右線主體開挖影響破裂面之內(nèi)。

(2)2號(hào)、4號(hào)施工橫通道位于安貞東橋的東、西兩側(cè)的擴(kuò)大基礎(chǔ)之間，橫通道端部距離安貞橋擴(kuò)大基礎(chǔ)最近距離均在2 m左右，待橫通道施工完成之后，需要在其兩側(cè)壁開洞向東、西兩個(gè)方向進(jìn)行車站主體結(jié)構(gòu)的施作，形成空間交叉結(jié)構(gòu)。在橫通道兩側(cè)由橫通道進(jìn)入車站正洞施工，都需要分兩次破除橫通道側(cè)壁初期支護(hù)，第一次從橫通道進(jìn)入車站主體小導(dǎo)洞施工，第二次從橫通道結(jié)構(gòu)向車站正洞的開挖和結(jié)構(gòu)過渡。這樣橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)將受到橫通道施工、橫通道側(cè)壁開馬頭門施工、車站主體導(dǎo)洞施工、車站主體結(jié)構(gòu)扣拱施工以及車站主體結(jié)構(gòu)施工的疊加影響。

由于橫通道與車站主體結(jié)構(gòu)的相交部位為空間交叉結(jié)構(gòu)，該部位結(jié)構(gòu)施工工序多，結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換復(fù)雜，施工對(duì)橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)周圍地層產(chǎn)生多次擾動(dòng)。

(3)一般來說，當(dāng)橋梁基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)，抵抗差異沉降的能力較差[14-15]。而安貞東橋的基礎(chǔ)不但是擴(kuò)大基礎(chǔ)，且橋梁上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土鉸接斜腿剛構(gòu)，主梁橫向通過橫梁及現(xiàn)澆連續(xù)橋面板連成整體，主梁與斜腿為剛接，斜腿與基礎(chǔ)為鉸接?；A(chǔ)的縱向、橫向差異沉降會(huì)導(dǎo)致主梁及主梁與斜腿節(jié)點(diǎn)內(nèi)力發(fā)生變化，過大的內(nèi)力變化會(huì)使關(guān)鍵截面混凝土開裂，導(dǎo)致橋梁的承載能力降低，影響橋梁的安全性及耐久性。

因此，本橋?qū)Ω黜?xiàng)變形指標(biāo)控制極其嚴(yán)格，橋梁各項(xiàng)變形指標(biāo)控制值如下：橋梁基礎(chǔ)最大沉降控制值10 mm，橫橋向相鄰中墩墩柱不均勻沉降控制值為1 mm，各墩縱向差異沉降控制值為2 mm。

3 安貞東橋保護(hù)措施研究

根據(jù)文獻(xiàn)[16]關(guān)于地鐵車站鄰近橋梁風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)劃分方法，結(jié)合北京地鐵鄰近風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法，安貞橋站施工對(duì)安貞東橋的影響風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)”,必須采取“先加固橋梁基礎(chǔ)、后地鐵車站穿越”的施工措施。為此提出了兩種對(duì)鄰近安貞東橋的保護(hù)方案，方案1：洞內(nèi)超前深孔注漿；方案2：洞內(nèi)超前深孔注漿與地表打設(shè)隔離樁相結(jié)合的方法進(jìn)行保護(hù)。

3.1 超前深孔注漿

注漿可以有效地對(duì)施工影響范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固，減小其變形[17]，是地下工程施工中常用的行之有效的加固方法。此次施工中采用超前深孔注漿的方式代替小導(dǎo)管注漿，超前深孔注漿每次打設(shè)長(zhǎng)度9 m，搭接長(zhǎng)度3 m。采用水泥-水玻璃雙液漿對(duì)導(dǎo)洞開挖輪廓、靠近橋基礎(chǔ)一側(cè)邊墻以及大拱開挖輪廓外放1.5 m，內(nèi)放0.5 m的范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，注漿斷面如圖4所示。

圖4 車站主體注漿斷面(單位：mm)

3.2 隔離樁保護(hù)措施

在地鐵工程和鄰近橋梁之間設(shè)置隔離樁，可有效降低地鐵施工的影響[18]。在安貞東橋兩個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ)與左、右線主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔離樁，PBA工法對(duì)地層影響最大的階段為小導(dǎo)洞開挖和拱部土體開挖階段，下層土體開挖時(shí)由于圍護(hù)樁的存在，對(duì)地層擾動(dòng)不大，隔離樁的樁端宜在小導(dǎo)洞底板下3 m左右，因此樁長(zhǎng)設(shè)置為25 m。隔離樁形式為φ800 mm的鉆孔灌注樁，間距為1 200 mm。樁的平面、縱剖面布置分別如圖5、圖6所示。

4 橫通道與車站主體空間交叉部位施工對(duì)鄰近橋梁影響計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型

圖5 隔離樁布置平面

圖6 隔離樁布置縱剖(單位：mm)

為有效控制車站空間交叉部位施工對(duì)鄰近安貞東橋的影響，提出了“洞內(nèi)采用超前深孔注漿”和“洞內(nèi)超前深孔注漿+地表隔離樁”等2個(gè)保護(hù)方案，并分別建立三維計(jì)算模型，如圖7所示。其中左、右線主體結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)60 m，2號(hào)和4號(hào)橫通道縱向長(zhǎng)度分別為53.6，56.65 m，橋面尺寸為45 m×35 m，兩個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸為x×y×z=45 m×7.5 m×2 m。計(jì)算模型尺寸為x×y×z=200 m×60 m×60 m。

圖7 車站交叉結(jié)構(gòu)與安貞東橋的三維計(jì)算模型

地層物理力學(xué)參數(shù)見表1，車站結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 土層分布及土體屬性

表2 車站結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

為便于分析橫通道與車站主體結(jié)構(gòu)的相交部位施工對(duì)鄰近橋梁影響，在橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)的4個(gè)角處各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)(取值點(diǎn))，兩個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ)共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)(取值點(diǎn))，如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)(取值點(diǎn))布置

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)沉降分析

在橫通道與車站主體結(jié)構(gòu)的相交部位施工階段，橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)的8個(gè)角點(diǎn)(取值點(diǎn))沉降曲線如圖9、圖10所示。

圖9 洞內(nèi)超前深孔注漿方案擴(kuò)大基礎(chǔ)典型測(cè)點(diǎn)沉降曲線

圖10 洞內(nèi)超前深孔注漿+隔離樁方案 擴(kuò)大基礎(chǔ)典型測(cè)點(diǎn)沉降曲線

計(jì)算結(jié)果分析如下。

(1)在僅實(shí)施洞內(nèi)超前深孔注漿措施情況下，西側(cè)擴(kuò)大基礎(chǔ)最大沉降值為16.9 mm，東側(cè)擴(kuò)大基礎(chǔ)最大沉降值為17.7 mm，均已超過擴(kuò)大基礎(chǔ)允許的最大沉降值。

(2)在實(shí)施“洞內(nèi)超前深孔注漿+隔離樁”措施情況下，西側(cè)擴(kuò)大基礎(chǔ)最大沉降值為9.3 mm，東側(cè)擴(kuò)大基礎(chǔ)最大沉降值為9.2 mm。

4.2.2 橋體應(yīng)力分布

(1)最大主應(yīng)力分布

最大主應(yīng)力分布云圖如圖11所示。

圖11 最大主應(yīng)力云圖

僅實(shí)施洞內(nèi)超前深孔注漿情況下最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在擴(kuò)大基礎(chǔ)的邊角處，大小為1.21 MPa；在采取“洞內(nèi)超前深孔注漿+隔離樁措施”的情況下最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中墩(斜腿)與橋面連接處，大小為1.14 MPa。

(2)最小主應(yīng)力分布

最小主應(yīng)力分布云圖如圖12所示。

圖12 最小主應(yīng)力云圖

在僅實(shí)施洞內(nèi)超前深孔注漿情況下，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中墩(斜腿)的腿腳處，大小為2.73 MPa；在采取“超前深孔注漿+隔離樁”措施的情況下最大壓應(yīng)力位于邊墩處，大小為2.27 MPa。

(3)最大剪應(yīng)力分布

最大剪應(yīng)力分布云圖如圖13所示。

圖13 最大剪應(yīng)力云圖

僅實(shí)施洞內(nèi)超前深孔注漿情況下最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在中墩(斜腿)的腿腳處，大小為1.40 MPa；在采取“洞內(nèi)超前深孔注漿+隔離樁措施”的情況下最大剪應(yīng)力位于邊墩處，大小為1.26 MPa。

綜上所述，由上述兩種橋梁加固保護(hù)方案模擬結(jié)果可知：

(1)采用“洞內(nèi)超前深孔注漿+隔離樁”加固方案，能有效控制橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)的沉降，但是也接近了擴(kuò)大基礎(chǔ)沉降控制指標(biāo)；

(2)在采取洞內(nèi)超前深孔注漿+隔離樁措施的情況下，橋體的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力以及最大剪切應(yīng)力相比洞內(nèi)超前深孔注漿方案略有減小，改善效果不明顯，但兩種加固方案的橋體拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力均未超過材料強(qiáng)度值，因此，在車站交叉結(jié)構(gòu)施工階段，應(yīng)著重控制安貞東橋擴(kuò)大基礎(chǔ)的沉降。

5 橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析及后續(xù)施工措施

目前車站交叉結(jié)構(gòu)部位已經(jīng)完成橫通道的上層2個(gè)導(dǎo)洞施工，并在導(dǎo)洞兩側(cè)開馬頭門，完成了車站導(dǎo)洞開挖以及導(dǎo)洞內(nèi)的鉆孔灌注樁施工，截至到2019年5月31日，橋梁基礎(chǔ)及下部墩柱結(jié)構(gòu)變形指標(biāo)監(jiān)測(cè)值如下。

(1)橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)沉降最大值為7.32 mm(控制值10 mm)，出現(xiàn)在安貞東橋西側(cè)擴(kuò)大基礎(chǔ)的5號(hào)測(cè)點(diǎn)部位。

(2)橫橋向相鄰中墩墩柱不均勻沉降控制值為0.68 mm(控制值1 mm)，出現(xiàn)在安貞東橋西側(cè)擴(kuò)大基礎(chǔ)上方的北邊兩個(gè)相鄰墩柱。

(3)墩柱縱向差異沉降最大值為1.56 mm(控制值2 mm)，出現(xiàn)在安貞東橋北側(cè)的東、西兩個(gè)相鄰墩柱。

上述的橋梁基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)值、橫橋向相鄰中墩墩柱不均勻沉降監(jiān)測(cè)值以及各墩縱向差異沉降監(jiān)測(cè)值均已超過預(yù)警值(預(yù)警值為控制值的60%)，根據(jù)類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，橫通道和導(dǎo)洞開挖的沉降值往往只占總沉降控制值的40%左右，顯然目前橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)及下部墩柱結(jié)構(gòu)沉降控制效果不太理想。

造成橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)及下部墩柱結(jié)構(gòu)沉降超預(yù)警值的原因既有客觀原因，也有施工措施不到位的原因。客觀原因在于暗挖車站橫通道與車站主體結(jié)構(gòu)相交部位與橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)距離較近；施工原因有三點(diǎn)：其一，橫通道和導(dǎo)洞拱部地層主要為粉質(zhì)黏土層，超前深孔注漿效果很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求(設(shè)計(jì)要求注漿后的土體強(qiáng)度為0.5 MPa)；其二，粉質(zhì)黏土地層施工降水引起的地層固結(jié)沉降較大；其三，導(dǎo)洞內(nèi)的邊樁施工對(duì)鄰近擴(kuò)大基礎(chǔ)造成的影響，但目前還沒有比較有效的方法來計(jì)算評(píng)估這種影響。

因此在后續(xù)施工中必須通過“調(diào)整拱部開挖方案、加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)地層注漿”等措施嚴(yán)格控制地層沉降。經(jīng)方案研討，在后續(xù)車站拱部扣拱施工和主體結(jié)構(gòu)施工中決定采取以下措施：

(1)洞口部位的拱部開挖方案由臺(tái)階法改為CD法施工；

(2)拱部增加超前小導(dǎo)管注漿加固措施；

(3)車站左、右線主體結(jié)構(gòu)扣拱盡量同步實(shí)施，以減少橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)差異沉降。

6 結(jié)語(yǔ)

安貞東橋下部結(jié)構(gòu)形式為斜腿剛構(gòu)，下接現(xiàn)澆擴(kuò)大基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)形式特殊，對(duì)差異變形極為敏感。由于全部擴(kuò)大基礎(chǔ)均進(jìn)入地鐵車站開挖影響范圍，因此必須采取有效措施確保橋梁的安全。

(1)安貞橋站施工橫通道與車站主體結(jié)構(gòu)相交部位為空間交叉結(jié)構(gòu)，該部位的施工將對(duì)鄰近橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)周圍的地層多次擾動(dòng)，根據(jù)該部位與安貞東橋的位置關(guān)系及橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將施工對(duì)安貞東橋的影響風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定為“一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)”。提出采取“先加固橋梁基礎(chǔ)、后地鐵車站穿越”的鄰近橋梁保護(hù)原則。

(2)提出“洞內(nèi)超前深孔注漿”和“洞內(nèi)超前深孔注漿+地面施作隔離樁”兩種對(duì)鄰近安貞東橋的保護(hù)措施。

(3)基于有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，對(duì)兩種橋梁保護(hù)方案建立三維計(jì)算模型，分析了不同方案的橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及擴(kuò)大基礎(chǔ)的變形特征，計(jì)算結(jié)果表明：兩種加固方案的橋體拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力均未超過材料強(qiáng)度值，但“洞內(nèi)超前深孔注漿與地表設(shè)置隔離樁”相結(jié)合的保護(hù)方案對(duì)橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)的變形控制效果更好。

(4)在車站交叉結(jié)構(gòu)施工階段，應(yīng)著重控制安貞東橋擴(kuò)大基礎(chǔ)的沉降，尤其是差異沉降。

(5)分析了目前施工階段橋梁下部結(jié)構(gòu)和擴(kuò)大基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超預(yù)警值的原因，提出了后續(xù)的施工對(duì)策。