立交橋樁施工影響既有地鐵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)預(yù)警分析

劉 健

(1.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

0 引言

越來越多的城市選擇新建或改建立交橋來緩解交通壓力，不可避免地會(huì)對(duì)已有地鐵運(yùn)營(yíng)線路造成影響，嚴(yán)重時(shí)甚至危害地鐵運(yùn)營(yíng)安全。目前對(duì)于地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)的施工安全監(jiān)測(cè)已經(jīng)越來越受到重視，徐春明等[1]對(duì)如何安全有效地保護(hù)地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的探討研究；徐樹亮、王思鍇、高墅[2-4]對(duì)如何進(jìn)行地鐵保護(hù)區(qū)管理作了深入探討。而立交橋施工往往有著工程體量大、施工時(shí)間長(zhǎng)、與地鐵運(yùn)營(yíng)線路交叉范圍廣等特點(diǎn)[5-7]，對(duì)既有地鐵線路變形控制的要求更高。

本文以南寧某立交橋施工影響既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路結(jié)構(gòu)開展的安全評(píng)估及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為背景，對(duì)其監(jiān)測(cè)預(yù)警的原因及預(yù)警后的控制措施進(jìn)行分析，旨在為類似地鐵保護(hù)區(qū)項(xiàng)目積累管理經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)及施工概況

該立交工程位于主要市政道路交叉口，上跨既有地鐵運(yùn)營(yíng)期線路，其橋樁施工位于地鐵運(yùn)營(yíng)線路隧道強(qiáng)烈影響區(qū)范圍內(nèi)，與鄰近地鐵運(yùn)營(yíng)線路隧道外邊緣距離最近為5.30 m。樁基采用摩擦樁型，其中12#樁基與隧道外邊線距離最近，其施工對(duì)既有鄰近隧道影響最大，相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

該項(xiàng)目地質(zhì)情況由上到下為填筑土、全風(fēng)化硅質(zhì)巖、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、礫質(zhì)黏性土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、中風(fēng)化泥巖；鄰近的既有隧道主要位于全風(fēng)化泥巖層中，該層泥質(zhì)結(jié)構(gòu)層理光滑，具有一定的脹縮性；鉆探深度地層內(nèi)地下水主要為上層滯水、孔隙潛水、孔隙裂隙承壓水及巖溶裂隙水。

圖1 橋樁與地鐵運(yùn)營(yíng)線路隧道位置平面圖(m)

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及布點(diǎn)原則

本項(xiàng)目的既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主、人工監(jiān)測(cè)為輔的方式，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、隧道結(jié)構(gòu)水平位移及道床結(jié)構(gòu)豎向位移。按照橋樁中心相對(duì)應(yīng)的隧道管壁及兩側(cè)平均布設(shè)間距為10 m、10 m、15 m、15 m的監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)范圍取1.5倍隧道埋深。

2.2 監(jiān)測(cè)頻率及預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

本自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在橋樁施工期間的監(jiān)測(cè)頻率為4次/d，監(jiān)測(cè)控制值為±5.0 mm。監(jiān)測(cè)周期貫穿橋樁施工全過程(其施工周期如表1所示)。當(dāng)最后100 d的沉降速率<±0.01～±0.04 mm/d時(shí)可認(rèn)為已進(jìn)入穩(wěn)定階段，審批后可停止監(jiān)測(cè)。預(yù)警級(jí)別按照超過控制值的60%、80%和100%來分別判定為黃色監(jiān)測(cè)預(yù)警、橙色監(jiān)測(cè)預(yù)警和紅色監(jiān)測(cè)預(yù)警。

表1 12#橋樁施工周期表

3 監(jiān)測(cè)預(yù)警及原因分析

3.1 安全評(píng)估預(yù)測(cè)變形

安全評(píng)估旨在通過運(yùn)用FLAC 3D軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行建模分析，模擬橋樁施工、上部荷載增加等施工工序?qū)Φ罔F結(jié)構(gòu)變形的影響程度，預(yù)測(cè)地鐵結(jié)構(gòu)的最終變形值，評(píng)判設(shè)計(jì)與施工的合理性，并為監(jiān)測(cè)提供有指導(dǎo)意義的變形控制值。

模型尺寸為沿隧道方向取202 m，寬度方向取213 m，垂直方向上從地表以下取75 m。三維模型共劃分613 272個(gè)單元、550 730個(gè)節(jié)點(diǎn)。此處重點(diǎn)分析以下兩種工況。

工況1：初始平衡工況。考慮既有地鐵運(yùn)營(yíng)隧道和地層協(xié)調(diào)變形，計(jì)算完成后，將位移清零，作為后續(xù)工況的初始條件。隧道最小主應(yīng)力為-3.7 MPa，即為最大壓應(yīng)力，此值小于C50混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值23.1 MPa，更小于抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值32.4 MPa，軌道結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)安全。

工況2：樁基施工完成工況。假設(shè)樁基采用全套管跟進(jìn)施工工藝，鋼護(hù)筒超過地鐵隧道底標(biāo)高1 m，樁基采用摩擦樁。其模擬計(jì)算結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 樁基施工模擬變形云圖

圖3 樁基施工期間隧道X方向模擬變形云圖

最終評(píng)估結(jié)論為：由于基礎(chǔ)施工不降水，且采取鋼護(hù)筒等措施，在理想狀態(tài)下，樁基承臺(tái)施工對(duì)地層、地鐵隧道影響均較小，橋樁施工完成后地鐵隧道最大豎向位移為-0.12 mm。評(píng)估模擬后續(xù)的上部結(jié)構(gòu)加載工序，得出隧道結(jié)構(gòu)最終的預(yù)測(cè)變形量為-3.263 mm。基于此，評(píng)估單位給出隧道結(jié)構(gòu)沉降控制值為±5 mm。

3.2 實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)

自2020-04-06跨線橋12#樁基施工開始，對(duì)應(yīng)地鐵隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐步變大，于2020-04-23數(shù)據(jù)累計(jì)沉降量達(dá)到-5.12 mm(RZ54)，達(dá)到紅色監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，其變形曲線如圖4所示。

圖4 12#樁基累計(jì)沉降量監(jiān)測(cè)值曲線圖

3.3 預(yù)警原因分析

結(jié)合實(shí)測(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)估模擬的預(yù)測(cè)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在樁基成樁完成50%的時(shí)候，實(shí)測(cè)的累計(jì)沉降量已經(jīng)超過了評(píng)估給定的累計(jì)控制值-5 mm，而評(píng)估數(shù)值模擬計(jì)算此區(qū)域完成所有樁基之后的沉降量?jī)H為-0.12 mm。出現(xiàn)了如此大的變形差異，說明現(xiàn)場(chǎng)施工存在問題。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡查分析發(fā)現(xiàn)，樁基施工所用護(hù)筒深度為3.5 m，僅覆蓋了上覆填土區(qū)域，未采用評(píng)估工況模擬時(shí)所設(shè)定的全套筒跟進(jìn)施工，導(dǎo)致隧道所在全風(fēng)化泥巖段塌孔，從而擾動(dòng)隧道造成變形超限。

4 預(yù)警控制措施

4.1 建立應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制

該項(xiàng)目建設(shè)單位負(fù)責(zé)建立應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制，與軌道公司溝通協(xié)定后開展施工與監(jiān)測(cè)工作。當(dāng)遇到險(xiǎn)情時(shí)，建設(shè)單位負(fù)責(zé)對(duì)外發(fā)布預(yù)警信息，設(shè)計(jì)、勘察單位負(fù)責(zé)評(píng)估施工風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)行工點(diǎn)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)單位負(fù)責(zé)匯報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)理單位負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)管控，施工單位負(fù)責(zé)落實(shí)相關(guān)應(yīng)急處置。軌道公司根據(jù)地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)項(xiàng)目等級(jí)建立“2評(píng)6專1交底”管理機(jī)制。

4.1.1 建設(shè)單位

該項(xiàng)目建設(shè)單位在收到監(jiān)測(cè)、監(jiān)理單位發(fā)布的預(yù)警信息后，按照“2評(píng)6專1交底”中的專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，要求現(xiàn)場(chǎng)停止施工，避免險(xiǎn)情持續(xù)發(fā)展，組織各方召開預(yù)警分析會(huì)并組織專家審核，第一時(shí)間把信息傳遞到相關(guān)參建單位手中。

4.1.2 軌道公司

軌道公司在收到建設(shè)單位發(fā)布的預(yù)警信息后，按照軌道公司預(yù)警響應(yīng)流程及時(shí)通知調(diào)度、結(jié)構(gòu)、軌道檢測(cè)、測(cè)量工班等部門進(jìn)行應(yīng)急處置。調(diào)度部門第一時(shí)間對(duì)該運(yùn)營(yíng)線路段進(jìn)行限速處理，并在晚間作業(yè)期間安排結(jié)構(gòu)、軌道檢測(cè)、測(cè)量工班對(duì)該段隧道進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)隱患排查和加密監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握隧道變形的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

4.1.3 監(jiān)測(cè)單位

監(jiān)測(cè)單位及時(shí)整理匯總監(jiān)測(cè)信息，及時(shí)匯報(bào)至相關(guān)參建單位。組織晚間作業(yè)，進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備檢核、人工測(cè)點(diǎn)復(fù)核等工作，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

4.1.4 設(shè)計(jì)、勘察單位

設(shè)計(jì)、勘察單位及時(shí)參與建設(shè)單位組織的預(yù)警分析會(huì)。設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)評(píng)估目前施工工藝和施工現(xiàn)場(chǎng)的合理性；勘察單位負(fù)責(zé)核實(shí)現(xiàn)場(chǎng)顯露的地質(zhì)條件是否與勘察報(bào)告相符。設(shè)計(jì)與勘察單位的參與確保了預(yù)警原因分析的正確性，也為預(yù)警的處置提供指導(dǎo)。

4.1.5 監(jiān)理、施工單位

監(jiān)理單位負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)綜合管控，主持預(yù)警分析會(huì)，綜合各方意見并出具會(huì)議紀(jì)要，現(xiàn)場(chǎng)督促施工單位按照會(huì)議紀(jì)要進(jìn)行落實(shí)；施工單位負(fù)責(zé)按照會(huì)議紀(jì)要及專家意見進(jìn)行施工。監(jiān)理和施工單位在出現(xiàn)預(yù)警險(xiǎn)情之后積極應(yīng)對(duì)，在施工現(xiàn)場(chǎng)的處理中具有關(guān)鍵性作用。

4.2 落實(shí)全套筒加泥漿護(hù)壁措施

通過應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制的有效建立，確定了樁基施工期間產(chǎn)生的塌孔現(xiàn)象為此次隧道變形預(yù)警的主要原因，并制定了各項(xiàng)防止塌孔的控制措施。

施工單位結(jié)合地質(zhì)變化情況，采用全套筒加泥漿護(hù)壁等工藝對(duì)剩余的12-2#和12-1#橋樁進(jìn)行施工，有效防止了成樁過程中的塌孔。對(duì)回灌塌孔區(qū)域進(jìn)行空洞探查，對(duì)未填充密實(shí)區(qū)域進(jìn)行了充填，確保回填密實(shí)后再進(jìn)行相鄰樁基施工。以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，及時(shí)關(guān)注施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的變形情況。

通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在采取了以上控制措施后，沉降變形不再發(fā)展，在2020-05-15樁基施工完成后，該段隧道結(jié)構(gòu)豎向位移測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)沉降量最終控制在-5.89 mm，地鐵結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)新增病害，此次地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警險(xiǎn)情得到控制。

5 結(jié)語

本文以南寧某立交橋施工影響既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路評(píng)估及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為背景，對(duì)該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)預(yù)警及控制措施進(jìn)行了剖析總結(jié)。分析得出：在摩擦樁施工影響地鐵運(yùn)營(yíng)線路時(shí)應(yīng)采用全套筒加泥漿護(hù)壁方式施工，可以有效減少擾動(dòng)影響；設(shè)立應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制能夠有效地調(diào)動(dòng)各參建單位的積極性，及時(shí)找到預(yù)警原因，遏制事態(tài)發(fā)展，防患于未然，有效地保護(hù)地鐵運(yùn)營(yíng)安全。