地鐵暗挖隧道近距離多次下穿墩梁固結橋梁樁基影響分析

王體廣

(北京市軌道交通設計研究院有限公司，北京 100068)

0 引言

隨著地鐵建設工程越來越多，地鐵線路與周邊建(構)筑物的關系越來越復雜，地鐵隧道穿越建(構)筑物甚至近距離穿越的工程實例越來越多。比如文獻[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梁，但無論是何種工法，隧道開挖勢必造成地層應力變化，從而造成地面沉降和地層移動，當沉降和移動達到一定程度，就會影響周圍建(構)筑物的安全和正常使用。

墩梁固結的連續剛構橋是橋梁中一種較為特殊的結構形式，其常用跨徑在100～300m，剛構橋的主要承重結構是梁與橋墩固結的剛架結構，由于墩梁固結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梁或簡支梁小，省去了大型支座，結構整體性強、抗震性能好。但由于設計、施工、維修尤其是保護難度很大，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，但墩梁固結形式橋梁僅3處。

本文結合地鐵設計與施工實例，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橋梁樁基的變形，并將計算得到的理論值和現場施工的實際監測值進行了對比研究，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，沿北三環敷設，依次穿越北三環道路、擋墻、京藏高速匝道橋等多處風險源，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，設計和施工風險很大。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構為四跨鋼混凝土聯合梁，跨徑分別為34，60，34.6，22.2m，車行道寬度為7.5m，全橋寬度為8.7m，地下結構為單柱+承臺+樁基礎形式，基礎均為直徑1.2m的樁基，樁長23～25m，軸和軸橋樁為墩梁固結形式。地鐵區間隧道與高架橋相互關系如圖1，2所示。

圖1 地鐵區間隧道與高架橋平面關系

圖2 地鐵區間隧道與橋樁剖面關系

根據野外勘探、原位測試及室內土工試驗結果，結合本工程周邊已有勘察資料，本工程最大孔深59.00m深度范圍內所揭露地層按成因年代分為人工堆積層和一般第四紀沖洪積層兩大類，按地層巖性進一步分為7個大層及亞層。各層土地層巖性、特點及分布規律自上而下依次為：粉土填土①層、雜填土①1層、粉土③層、粉質黏土③1層、粉細砂③3層、粉質黏土④層、黏土④1層、粉土④2層、粉細砂④3層、粉質黏土⑥層、黏土⑥1層、粉土⑥2層、卵石～圓礫⑦層、中粗砂⑦1層、粉細砂⑦2層、卵石～圓礫⑨層、中粗砂⑨1層、粉細砂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。

各主要土層的力學參數如表1所示。

表1 地層力學參數

2 現狀橋梁檢測結果及控制指標

2.1 現狀橋梁檢測結果

根據橋梁專業檢測單位出具的檢測報告，本橋梁(全橋)的檢測結果如下。

2.1.1橋面系外觀檢查結果

檢測范圍內橋面鋪裝共存在19條橫向裂縫，其中12條為橫向通長裂縫，1處網狀裂縫，2處坑槽，1處混凝土堆積路面已凝結成塊；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；兩側防撞護欄現況良好；4處泄水孔堵塞。

2.1.2上部結構外觀檢查結果

上部結構第1～4跨、第6～14跨、第16～26跨、第28～30跨為預應力混凝土簡支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梁左側翼板7處滲水泛堿，1處銹脹開裂。

2.1.3下部結構外觀檢查結果

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；基礎位于地面以下，根據現場情況推斷基礎無異常；檢測范圍內對拉錨栓共缺失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橋梁無損檢測結果

1)混凝土抗壓強度

本次共抽取18個構件進行混凝土抗壓強度測試，T梁抗壓強度推定值50.2～55.0MPa，蓋梁混凝土抗壓強度推定值45.4～48.3MPa，墩柱混凝土抗壓強度推定值為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。結合鋼筋保護層厚度檢測結果分析，目前T梁、蓋梁、墩柱的碳化深度未影響到鋼筋。

3)鋼筋保護層厚度

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

4)鋼結構涂層厚度

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

5)鋼結構焊縫探傷

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

根據橋梁專業評估單位出具的評估報告，本橋梁(全橋)的變形控制指標如下。

1)鋼混組合梁段 第8聯Z30～Z34及第9聯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外側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 變形預測分析及設計方案

3.1 設計方案

根據地鐵下穿既有市政橋梁設計流程，結合橋梁檢測和評估報告并經過產權單位審查及相關設計評審，設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洞步距，橋樁前后10m范圍內隧道輪廓線外2.0m、內0.5m及掌子面上半斷面采取洞內深孔注漿加固周邊地層，注漿加固土體時應結合監測反饋情況，及時調整注漿壓力。

2)嚴格執行“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”十八字方針，同時加強暗挖關鍵工序控制。

4)施工過程中協調區間隧道左右線施工部署，以減少對橋連續梁的影響，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)為驗證洞內注漿效果，穿越段之前設計了試驗段，根據試驗段結果優化施工參數。

6)及時進行初支背后回填注漿，根據監測結果進行多次補注漿，嚴格控制注漿壓力和注漿量，保證注漿效果。

8)密切關注掌子面粉細砂層情況，若出現砂層穩定性較差或監測數據變化較大時應采取應對措施。

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

10)制定詳細、有針對性的應急預案。

圖3 軸橋樁及地鐵區間隧道處理措施剖面

3.2 變形預測分析

為進一步分析暗挖隧道施工對市政橋梁的影響和上述設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。

計算區域主要根據隧道以及既有市政橋梁的布置情況，并滿足一定邊界效應的要求來確定。由于立交橋存在簡支、連續、墩梁固結等不同的結構形式且穿越關系復雜，因此模型前后延長以減小模型范圍對計算精度的影響，提高分析準確性。隧道埋深21.6m，左右線路中心線間距15.8m，根據影響線分析，本區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，至軸橋樁結束，共計200m；模型厚度共取50m，對隧道部分地層參數均取加權平均值計算。三維模型如圖4所示。

圖4 三維網格模型

本模型采用位移邊界條件：側面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取為自由邊界。根據施工方案，先施工左線后施工右線，為減少對連續梁的影響，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進行對比，如表2所示。

表2 不同施工工況下的橋樁沉降

從以上數據來看，采取上述設計措施后，預測橋樁最大沉降值為5.65mm<15mm，最大差異沉降3.49mm<6mm，參數均小于變形控制指標，設計方案合理可行。

4 實測數據

施工中對橋梁沉降、橋梁傾斜、地表沉降、隧道收斂、拱頂沉降等項目進行了監測，根據現場實際工程進度，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，此時區間左線施工至軸橋樁后39m，距離軸橋樁后53m，后續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 結語

目前本區間隧道已經貫通，橋梁各項指標趨于穩定，實際監測值均未超過控制值，施工期間交通運行未受影響，結合計算和實測數據，地鐵暗挖隧道近距離多次下穿墩梁固結橋梁樁基設計和施工經驗，可以得到如下結論。

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，并采取洞內深孔注漿、洞外樁底注漿、協調左右線施工部署、及時初支背后及二襯背后注漿、加強監測及關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超標現象。

3)在隧道施工過程中，橋樁側摩阻力呈負摩阻力狀態，對樁基的受力非常不利，必須采取有效措施減小樁側的負摩阻力效應，提高樁體的承載能力，由于墩梁固結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，在常規措施的基礎上，提出了樁底注漿和工序控制是本工程成功的關鍵。

4)經過對全線穿越橋梁不同情況梳理發現，實際監測數據與本工程類似，橋梁總沉降、傾斜一般控制較好，實際監測值與控制指標均有一定差距，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外加固地層措施外，協調左右線施工部署、選擇合適穿越時機較為重要，可以最大程度減少對橋梁連續梁的影響。