地鐵車站“PBA”工法施工穿越橋梁采取隔離樁保護的效果分析

馬承禹

（北京市建設工程質量第三檢測所有限責任公司，北京 100000）

0 引言

地鐵車站施工方法主要包括明挖法、蓋挖法、暗挖法。當車站通過繁忙交通地段或鄰近既有橋梁設施時，多采用暗挖法。考慮到工期、造價等因素，近年來，“PBA”工法作為淺埋暗挖法的一種，廣泛應用于地鐵車站施工中。

雖然車站中樁、梁、拱、柱在前期形成了主要受力的框架體系，后面的大體積土方開挖都是在體系的保護下進行，大大減小了對地面沉降的影響，但在未形成框架體系前，也就是導洞開挖、初支扣拱、二襯扣拱過程中，對地面沉降影響較大，同樣對于埋深較淺的擴大基礎橋梁也有較大的影響。

而施作隔離樁作為對既有橋梁保護的措施，在車站施工前期未形成框架體系時大大減少車站施工對橋梁的影響。后續站廳層、站臺層大面積土方開挖時，在隔離樁與整個框架體系共同保護下，對既有橋梁沉降影響較小。

1 “PBA”工法概要

“PBA”工法的核心在于設法形成由側壁支撐結構和拱部初期支護組成的整體支護體系，代替傳統的預支護和初期支護結構，以保證在進行洞室主體部分開挖時具有足夠的安全度，并有效地控制地層沉降。

“PBA”工法施工車站的結構為直墻多層多跨拱形結構，采用復合襯砌支護型式。拱部初期支護為格柵+噴射混凝土結構，利用大管棚、超前小導管及注漿等輔助措施對前方土體進行預加固、支護[1]，側墻初期支護為灌注樁，中柱多采用鋼管柱型式。某工程“PBA”工法示意圖見圖1。

圖1 某工程“PBA”工法示意圖（單位：高程為m，其余為cm）

2 隔離樁應用案例分析

2.1 地鐵車站概況

車站為雙層三跨島式車站，主體結構寬21.3m，高16.06m，覆土約8.1m，采用暗挖“PBA”工法施工，總長212.3m，車站有效站臺中心處軌面高程25.08m，有效站臺寬12m。

車站設2 個風道、4 個出入口、2 個無障礙電梯、1個設備通道、1 個外掛廳和1 個安全出口。1 號風道位于東南綠地內，為雙層三跨結構，采用明挖法施工；2號風道位于西北綠地內，為雙層單跨拱頂直墻結構，采用“PBA”工法施工；4 個出入口分別位于車站的西北、東北、東南、西南，出入口跨路部分采用暗挖施工，場地條件允許時采用明挖施工；外掛廳位于西北綠地內，采用明挖法施工；無障礙電梯井采用明挖法；安全出口通道采用暗挖法施工。

2.2 既有橋梁概況

2.2.1 上部結構

橋梁上部結構為預應力混凝土連續箱梁和預應力混凝土簡支T 梁，中央隔離帶處設2cm 結構縫，將主梁橫向分為東、西半幅。全橋共24跨，由18跨26.87m預應力簡支T梁+2聯[跨徑組成為（27m+35m+27m）×2]預應力混凝土連續箱梁組成，橋梁全寬36m。T 梁梁高為1.5m，每跨有4 片邊梁，16 片中梁，全橋共360 片T 型主梁采用C50 混凝土。地鐵車站施工穿越橋梁位置為27m+35m+27m 預應力混凝土連續箱梁，梁高1.5m。橋梁平面圖見圖2。

圖2 橋梁平面圖（單位：cm）

2.2.2 下部結構

蓋梁：中墩蓋梁采用整體現澆預應力鋼筋混凝土蓋梁。

墩柱：墩柱為混凝土預制，上接蓋梁，下接承臺，截面為矩形0.7m×1.6m，部分墩柱柱頂外包鋼板。

承臺：鋼筋混凝土承臺，上接墩柱，中墩承臺厚度均為2.0m，采用矩形承臺：平面尺寸有3.3m×4.2m及4.9m×5.8m。

橋臺：現澆重力式橋臺。

支座：全橋采用板式橡膠支座。

2.3 地鐵車站與既有橋梁位置關系

地鐵車站在里程右K19+463.200—K19+498.500范圍（35.3m）內正交下穿既有橋梁預應力鋼筋混凝土三跨連續箱梁21#～22#軸的35m 橋跨。

車站主體結構施工采用洞樁法，在暗挖車站與橋梁基礎之間打設隔離樁。隔離樁距離橋梁20#軸基礎水平凈距為27.948～32.678m，結構埋深36.11m；隔離樁距離橋梁21#軸基礎水平凈距為0.948～2.4741m，結構埋深26.11m；隔離樁距離橋梁22#軸基礎水平凈距為0.924～1.452m，結構埋深26.11m；隔離樁距離橋梁23#軸基礎水平凈距為27.123～31.728m，結構埋深36.11m。

2.4 隔離樁施工方法

根據車站主體結構與橋梁基礎的位置關系，在車站與橋梁基礎之間打設隔離樁，隔離樁直徑1200mm，樁間距1.8～2.7m，其中A 型樁樁長25.31m；B 型試驗樁（2 根）樁長35.51m，上部23.51m 配筋同A 型樁，下部12m 采用C25 素混凝土樁。隔離樁布置在車站主體兩側與橋梁基礎之間，每側18 根，共計36 根。樁體采用C25 混凝土，隔離樁上端設置冠梁，將樁連接為整體以提高圍護結構的穩定性。隔離樁布置平面圖見圖3。

圖3 隔離樁布置平面圖（單位：mm）

由于橋下凈空只有4.5m，采用改進后的反循環鉆機成孔，其外形尺寸為5750mm（長）×2250（寬）×4100mm（機架高），外形尺寸滿足橋下凈空尺寸要求。輪式鉆機，機動性強，機頭位置設置機架，設置上下行程滿足換鉆桿需求，機身為壓縮機，靠吸力將泥渣抽出。鉆桿直徑300mm，單節長度1m，絲扣連接。鉆頭設置兩種，一種用于鉆進，配置合金鋼鉆頭和沖擊鉆頭，在鉆進過程中遇較大卵石可沖擊破碎；另一種用于撈碴，在鉆進過程中遇較大顆徑卵石無法進尺時，提出鉆桿，更換中空帶有鋼絲鉆頭，進行撈碴。泥漿池設置在豎井內，泥渣通過高強度聚硫密封管（其強度是普通鋼管的6 倍）抽出至豎井內。

2.5 監測思路

第一，匯集所監測橋梁相關設計資料、工前監測報告并進行現場踏勘，從外觀等方面了解橋梁現狀，分析施工對橋梁影響程度。

第二，制訂監測項目計劃和方案，根據監測方案及時布設監測點，監測點布設要做到可以相互校核，保證準確性，并在橋梁現場條件允許的情況下，增設實時監測設備。

第三，根據要求布置好測點，并時刻關注施工現場，提出對現場測點保護意見。

第四，監測工作應在工程施工之前向設計單位獲取各施工階段相關監測控制數據，作為監測數據的理論指導。在監測中，監測頻率根據項目要求和施工情況來確定。

第五，所有現場測得的數據，要通過自動或人工的形式，及時安全地傳送到數據庫系統中，以便按時提供可靠的結果。

第六，將現場測得的數據的分析結果和預測，定期以簡報形式匯報有關單位。

2.6 測點布置

根據橋梁結構，結合實地情況，在19～24#軸，每個墩柱各布置1 個沉降測點，其中20～23#軸為三跨連續梁，在連續梁兩側各選取一跨簡支梁進行沉降監測。沉降監測數據用于計算橋墩豎向位移、相鄰墩基礎豎向不均勻沉降、蓋梁橫橋向不均勻沉降位移等。沉降測點布置圖見圖4。

圖4 沉降測點布置平面圖

另外，對于距離車站結構最近的21#、22#軸，采用靜力水準儀進行沉降數據自動化采集，在每個墩柱對應的梁底各布置1 個測點。并且靜力水準儀具備實時采集、傳輸的功能。

工前監測報告顯示，橋梁目前存在多條裂縫，因此選取其中2～4 條具有代表性的裂縫，現場做標記，定期監測裂縫的長度、寬度的變化。

監測各項目的布點應便于量測，盡量減少對其他工序的干擾。

2.7 監測數據反饋

監測數據信息反饋是監測的重要步序，要求合理、準確、快速、連續。通過數據的分析、反饋形成能夠指導施工的有效工程信息。此次橋梁監測，根據現場情況選擇量程和靈敏度滿足要求的自動化設備，利用常規沉降監測與自動化采集的相互校核，保證數據反饋的準確、快速；并且防止了橋墩監測點因意外情況掉落而導致監測數據的中斷，保證施工全過程中監測數據的連續性。

2.8 監測情況

2.8.1 施工全過程沉降監測數據總結

墩柱沉降監測過程中上升變化最大測點為Q20-2，變化量為1.19mm；下降變化最大測點Q22-1，變化量為-3.03mm；最終累計變化最大測點Q22-1，累計變化量為-2.42mm。

墩柱橫向差異沉降監測過程中變化最大測點為Q22-1～Q22-2，變化量為-1.40mm；最終累計變化最大測點Q22-1～Q22-2，累計變化量為-0.70mm。

墩柱縱向差異沉降監測過程中變化最大測點為Q22-1～Q23-1，變化量為-2.56mm；最終累計變化最大測點Q22-1～Q23-1，累計變化量為-1.28mm[2]。

2.8.2 監測控制值

使用Midas 軟件，采用梁單元，對橋梁建立模型，計算在各種不均勻沉降工況下的內力，進行承載能力極限狀態及正常使用極限狀態的驗算，得出橋梁控制技術指標。其中21#軸（22#軸）墩頂最不利負彎矩引起沉降的計算結果見圖5。

圖5 21#軸（22#軸）沉降計算結果

（1）主橋三跨預應力鋼筋混凝土連續梁，相鄰墩基礎豎向（縱向）不均勻沉降控制值為5mm；

（2）中墩和邊墩蓋梁橫橋向2 個墩柱不均勻沉降位移控制值為3mm；

（3）簡支T 梁橋跨，相鄰墩基礎豎向(縱向)不均勻沉降控制值為10mm；

（4）橋區附近道路主路路面沉降控制值為10mm、輔路路面沉降控制值為15mm。

根據橋梁特點以及規范要求，該項目預警采用三個級別，且以變形累計量作為控制指標，即累計值大于等于控制值的60%且小于80%時，為黃色預警；累計值大于等于控制值的80% 且小于100%，為橙色預警；累計值大于等于控制值，為紅色預警[3]。

2.8.3 監測結論

監測結果表明：墩柱橫向、縱向差異沉降測點累計變化值均未達到預警；墩柱沉降變化速率及累計變化值均較小。經現場巡視：箱梁原有裂縫無明顯變化，監測過程中未見新開展的結構性裂縫。

2.8.4 施工后檢測結果

根據《城市橋梁養護技術標準》（CJJ 99—2017），檢測范圍內富豐橋綜合狀態指數BCI=80.8 分，綜合狀態評定為B 級，較工前檢測評分BCI=81.3 稍低[數據來源：地鐵車站下穿橋梁工后現狀檢測報告（京建質檢J3-G-2020-0022）]。

其中：

箱梁、T 梁跨中未見明顯下撓變形。

內環橋：第22 跨原有裂縫12 處未見明顯變化，裂縫長0.35～1.5m，寬0.07～0.79mm；原有混凝土缺損、剝離4 處已修復，原有銹脹開裂5 處未見明顯變化，原有水跡2 處未見明顯變化[4]。

外環橋：第22 跨原有裂縫7 處未見明顯變化，裂縫長0.25～0.85m，寬0.07～5.2mm；新增位于翼緣斜向裂縫1 處，新增裂縫長1.5m，寬0.15mm；原有銹脹露筋3 處，已修補2 處，1 處未見明顯變化；新增銹脹露筋3 處分別位于翼緣、箱梁底面、箱梁腹板；原有水跡1 處未見明顯變化，新增翼緣水跡1 處。

21#、22#軸橋墩未見明顯病害。

2.9 效果分析

施工各階段與橋墩沉降關系見圖6，橋區車站施工各主要施工步序見表1。

表1 橋區車站施工各主要施工步序

圖6 施工各階段與橋墩沉降關系圖

2.9.1 從圖6 及表1 數據可以看出：1 階段墩柱沉降較為明顯，21#、22#軸橋墩最大累計沉降量約為-2mm，此階段對應施工步序為隔離樁施工；而在2、3、4 以及其他施工階段，墩柱沉降均較小[5]。

2.9.2 通過監測結果及橋梁工前工后監測的對比，橋梁未見新開展的結構性病害，施工對橋梁結構的影響較小。

3 結論

第一，前期隔離樁施工階段對橋梁沉降影響較為明顯，但變化速率和累計值均在控制范圍之內；

第二，采用“PBA”法進行車站主體施工時，在框架體系形成前隔離樁對既有橋梁沉降保護效果較為明顯，沉降數據無明顯變化；

第三，框架體系形成后，車站站廳層、站臺層大體積土方開挖時，由隔離樁與框架體系共同保護下，橋梁沉降數據無明顯變化。

第四，總結地鐵穿越經驗，今后遇到相似穿越項目施工時，嚴格把控隔離樁施作過程及成樁質量，降低地鐵車站施工對擴大基礎橋梁沉降影響。