地鐵站主體暗挖段下穿橋梁綜合施工技術(shù)

1、摘 要：北京地鐵6號線一期花園橋站暗挖段城市地鐵隧道下穿既有橋梁時，在穿越前采用數(shù)值模擬計算估算橋梁基礎(chǔ)變形，進(jìn)而推算梁體次應(yīng)力，判斷梁體安全狀態(tài)，據(jù)此調(diào)整地鐵隧道施工方法以及對橋梁的加固措施。 在地鐵隧道穿越橋梁過程中，通過PLC橋梁同步升降系統(tǒng)主動、動態(tài)調(diào)整橋梁梁體形狀，使梁體基本保持原設(shè)計狀態(tài)，保證了既有橋梁結(jié)構(gòu)安全。關(guān)鍵詞：地鐵隧道；主體暗挖段；下穿；橋梁；同步升降系統(tǒng)；動態(tài)主動保護(hù) 隧道穿越橋梁過程中，須保證橋梁各部分的形變、位移、應(yīng)力變化等指標(biāo)控制在允許范圍內(nèi)。若設(shè)計或施工處理不當(dāng)，輕則可能降低橋梁使用耐久性，重則甚至影響到橋梁的正常使用或危及橋梁結(jié)構(gòu)安全。 因此在橋梁的基礎(chǔ)附近建

2、造隧道時， 須采用有效的技術(shù)防護(hù)措施，以減小隧道施工對既有橋梁的影響。 北京地鐵6號線一期花園橋站暗挖段在施工過程中， 地下隧道成功穿越花園橋，該橋沉降變形基本為零，始終處于正常使用狀態(tài)，保證了既有橋梁結(jié)構(gòu)的安全。 1 工程概況1.1 地鐵花園橋站工程概況 花園橋站是北京市地鐵6號線一期工程的一個中間站（圖1）。 車站總長233.6m，其中暗挖段長190m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.70m。 車站有效站臺中心里程處覆土厚度為8.67m，底板埋深25.15m。 花園橋站主體暗挖段截面如圖2所示。1.2 花園橋結(jié)構(gòu) 花園橋位于西三環(huán)與車公莊西路交匯處， 該橋至今已運(yùn)營17年。 主橋為三跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連

3、續(xù)箱梁，跨徑為32 m+37 m+32 m，南北引橋分別為5跨20 m后張預(yù)應(yīng)力工字形梁與混凝土橋面板的組合簡支梁，橋面連續(xù)。 全橋橫橋向分為東西兩幅橋， 橋梁全寬28.3m。 下部結(jié)構(gòu)采用柔性墩設(shè)計，主橋采用盆式固定橡膠支座，其他各墩采用橡膠支座及四氟滑板支座。 墩底采用樁基礎(chǔ)，每墩設(shè)4根，樁徑1.2m，樁間距3.2m，樁長20m。主橋箱梁及引橋預(yù)制工字梁混凝土均為C45， 橋墩混凝土為C40，樁基礎(chǔ)混凝土為C30。 花園橋主橋如圖3所示。 花園橋設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為：快車道，汽-超20、掛車-120；慢車道，均布荷載為3 kPa，汽-15驗算 ；人群荷載小于3.5kPa。1.3 花園橋與車站的位

4、置關(guān)系 車站跨路口段暗挖主體結(jié)構(gòu)臨近花園橋主橋跨北側(cè)8號墩橋樁， 其中主體結(jié)構(gòu)外皮距花園橋橋樁外皮1.53 m，圍護(hù)樁距離橋樁外皮0.68 m，上層小導(dǎo)洞距離橋樁外皮僅為0.08m；南側(cè)主橋（7號墩）樁外皮距車站結(jié)構(gòu)外皮11.4m（圖4）。2 地鐵隧道下穿花園橋數(shù)值模擬計算與評估2.1 數(shù)值模擬計算分析 新建地鐵結(jié)構(gòu)的施工對既有橋梁結(jié)構(gòu)安全性影響采用有限差分的FLAC程序進(jìn)行數(shù)值模擬計算和分析。2.2 計算結(jié)果分析 地表沉降隨開挖的進(jìn)行逐步發(fā)展， 在結(jié)構(gòu)拱部跨度全部開挖完成時，產(chǎn)生沉降量最大，并在隨后的施工過程中有小范圍的波動，車站結(jié)構(gòu)施工完成后，地面最大沉降量為24.0mm，發(fā)生在拱頂跨中。

5、 車站開挖引起花園橋承臺中心沉降最大值為10 mm， 傾斜值為0.45，相鄰承臺差異沉降最大值為4.5 mm。 評估結(jié)果已超出橋梁允許變形， 必須采取措施保證既有橋梁安全。 3 車站主體下穿花園橋段施工技術(shù)3.1 取消4號導(dǎo)洞，圍護(hù)樁加長 為減小車站施工對橋樁樁底土層的擾動， 減小橋樁樁端承載力的損失，在車站下穿橋梁段落（橋梁投影范圍以及東西各10m）取消4號小導(dǎo)洞，該范圍內(nèi)圍護(hù)樁加長7m， 由3號導(dǎo)洞內(nèi)采用人工挖孔方法施作圍護(hù)樁。圍護(hù)樁加長一方面為車站主體結(jié)構(gòu)提供豎向承載力，另一方面起到隔離樁的作用，在開挖車站時，可相對減小對于橋樁周邊土體和樁端土體的擾動作用（圖4）。3.2 車站下穿花園橋

6、段圍護(hù)樁施工3.2.1 挖孔樁孔口加強(qiáng)措施 3號導(dǎo)洞施工中，在圍護(hù)樁南北兩側(cè)通長埋設(shè)4根直徑為20 mm的鋼筋， 加強(qiáng)3號洞水平方向整體剛度，減小挖圍護(hù)樁過程中洞體的變形，同時限制橋樁變形（圖5）。3.2.2 人工挖孔樁施工順序 地鐵車站圍護(hù)樁樁徑為800 mm， 中心距1 200mm， 為減小地鐵車站圍護(hù)樁施工過程中對橋樁的影響，根據(jù)現(xiàn)場條件采用隔四挖一跳躍挖樁方法，保證圍護(hù)樁施工過程中在橋樁影響范圍內(nèi)只有一根圍護(hù)樁在施工（圖6）。 人工挖孔圍護(hù)樁采用鋼筋混凝土護(hù)壁， 護(hù)壁厚度100150 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C20，并且在混凝土中摻加適量早強(qiáng)劑。 護(hù)壁鋼筋主筋采用19 ? 8（級），箍筋

7、采用? 10200（級），主筋揻成彎鉤上下鉤結(jié)形成整體。 人工挖孔鋼筋混凝土護(hù)壁每節(jié)長1m。 施工過程中需在上層護(hù)壁混凝土達(dá)到5MPa后方可拆模，開挖下步土體。3.2.3 圍護(hù)樁樁底注漿，增加豎向承載力 在圍護(hù)樁內(nèi)設(shè)置2根直徑25 mm的鋼管作為樁底注漿導(dǎo)管，導(dǎo)管插入樁底土中300 mm，待圍護(hù)樁混凝土施工完成、混凝土強(qiáng)度達(dá)到5 MPa以上后，進(jìn)行樁底注漿加強(qiáng)樁端承載力。 樁底注漿漿液配合比為11水泥漿，注漿壓力為2MPa。3.3 逆作法施工車站主體二襯結(jié)構(gòu)3.3.1 站廳、站臺層土方施工 為減小站廳、 站臺層土層開挖時車站結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空的收斂，在站廳及站臺層設(shè)置大剛度鋼管支撐（覫609，=16

8、mm），并施加預(yù)應(yīng)力 。 在站廳 、站臺層土方開挖時，采用縱向分段水平分層中間拉槽方法開挖，每段長度約20m。 在豎向當(dāng)土層開挖至鋼支撐下0.51.0m時，及時架設(shè)鋼圍檁和鋼支撐，并施加預(yù)應(yīng)力，減小結(jié)構(gòu)水平收斂（圖7）。3.3.2 車站主體二襯結(jié)構(gòu)施工 車站主體二襯結(jié)構(gòu)施工方法同一般PBA工法車站結(jié)構(gòu)。 4 地面深孔精確注漿加固技術(shù)4.1 注漿工藝設(shè)計 對橋樁周邊土體注漿加固是主動保護(hù)花園橋橋樁的措施之一，其作用一方面可加固樁周圍及樁底土體，減小因車站開挖引起的土體變形， 減小樁周土體負(fù)摩擦力，增大樁端承載力；另一方面可減小車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的水平作用力，保證車站施工安全。 對橋樁周邊土體加固

9、注漿在地面完成， 在地面橋樁周圍布置0.8m×0.8m的注漿孔，采用袖閥管（?50）注漿工藝向橋樁周圍土體注入水泥漿。 加固范圍如圖8,9所示。4.2 地面深孔精確注漿施工工藝 為使得注漿漿液在砂卵石土層中限制在加固范圍內(nèi),采取先周邊后中間、由遠(yuǎn)及近的施工順序。 為減小鉆孔對橋樁周邊土體的擾動, 同時防止施工時各工序間相互干擾, 鉆孔采用隔二打一的原則進(jìn)行鉆孔和注漿。 注漿漿液采用水泥漿，配合比為水P·O42.5普通硅酸鹽水泥=11，為進(jìn)一步改善漿液的工作性能，漿液中摻加高效減水劑。注漿按“低壓緩進(jìn)”的原則進(jìn)行，注漿終壓為12MPa。鉆孔時采用RPD-130C型工程鉆機(jī)，跟

10、管鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔工藝。 注漿管采用直徑為50 mm的袖閥注漿管。 注漿擴(kuò)散半徑為0.6m。 5 花園橋梁體主動調(diào)整與控制技術(shù) 根據(jù)評估報告，花園橋梁體已存在裂縫，設(shè)計要求花園橋梁體不能再下沉。地鐵車站下穿花園橋主跨，其8號墩會受到地鐵施工影響。為實(shí)現(xiàn)主動、動態(tài)控制，保證花園橋8號墩支座處梁體不下沉，先對該處梁體進(jìn)行預(yù)支頂，當(dāng)發(fā)現(xiàn)橋梁下沉量接近或達(dá)到控制值時，及時進(jìn)行梁體頂升作業(yè)，使橋梁梁體始終保持原有狀態(tài)。5.1 梁體預(yù)調(diào)整設(shè)計 花園橋主橋是連續(xù)梁橋，超靜定結(jié)構(gòu)，僅調(diào)整某個支點(diǎn)的高程就會引起全橋內(nèi)力的改變。 預(yù)調(diào)整高度的確定需要大量計算， 保證全橋各個部位應(yīng)力滿足規(guī)范要求。5.2 梁體頂升預(yù)調(diào)整

11、控制值的確定 設(shè)計梁體預(yù)調(diào)整值為5mm，當(dāng)橋墩下沉達(dá)到3mm即應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。 考慮到臨時支座以及臨時橋墩的彈性變形（4 mm）和施工誤差（3mm），設(shè)計千斤頂最大頂升位移為4+3+5=12（mm）。 由于千斤頂標(biāo)稱位移總比橋梁實(shí)際頂升位移大， 所以偏安全的按梁體位移12 mm計算梁體內(nèi)力。 梁體頂升按12mm控制。5.3 橋梁預(yù)調(diào)整步驟 施作臨時橋墩放松原支座下墊板螺栓啟動千斤頂，梁體頂升插填鋼板調(diào)整臨時支座高度，卸載，梁體落到臨時支座調(diào)整永久支座高度， 恢復(fù)永久支座工作。5.4 同步頂升系統(tǒng)選用 梁體同步頂升系統(tǒng)選用PLC控制液壓同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)（泵站、千斤頂?shù)龋?、監(jiān)測傳感器和計

12、算機(jī)控制系統(tǒng)三部分組成。 6 監(jiān)測技術(shù)6.1 監(jiān)測內(nèi)容 通過對梁體變位、控制截面應(yīng)力、裂縫及其他項目的嚴(yán)密監(jiān)測、 實(shí)時分析并反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)， 指導(dǎo)頂升施工，避免了由于橋梁結(jié)構(gòu)理論與實(shí)際的偏差、頂升設(shè)備的誤差等原因，導(dǎo)致梁體產(chǎn)生超過控制值的應(yīng)力、位移以及裂縫急劇發(fā)展、激增等現(xiàn)象，保證了結(jié)構(gòu)的安全。 根據(jù)花園橋加固頂升施工的特點(diǎn)以及現(xiàn)場的情況， 本次施工監(jiān)測的重點(diǎn)是在梁體頂升及復(fù)位施工過程中對主梁、墩柱進(jìn)行安全監(jiān)測，主要包括：（1）梁底絕對高程變化監(jiān)測；（2）承臺絕對高程變化監(jiān)測；（3）梁體與墩頂相對位移監(jiān)測；（4）橋墩壓縮量監(jiān)測；（5）主梁控制截面應(yīng)力監(jiān)測；（6）梁體裂縫監(jiān)測；（7）土層深層沉降以

13、及水平位移監(jiān)測。6.2 監(jiān)測結(jié)果 （1） 橋墩沉降0.81.7 mm，沉降數(shù)值較小，橋梁處于安全狀態(tài)。該沉降大部分發(fā)生在負(fù)2層土方開挖完成至結(jié)構(gòu)施工完成階段。 （2） 橋墩傾斜0.1，處于正常狀態(tài)。 （3） 承臺水平位移0.2 mm，處于正常狀態(tài)。 （4） 在地鐵車站施工期間和橋梁頂升期間， 梁體混凝土應(yīng)變在-17590之間變化，應(yīng)變變化微小，處于正常狀態(tài)。 （5） 土層深層沉降點(diǎn)中僅有地面以下9 m處的深層沉降點(diǎn)有明顯下沉， 其余各點(diǎn)直至車站施工完成也沒有沉降。而該深層沉降點(diǎn)發(fā)生沉降的階段是3號導(dǎo)洞開挖階段，其他各施工階段該點(diǎn)沉降情況則非常穩(wěn)定。 （6） 土層水平位移在小導(dǎo)洞開挖、 圍護(hù)樁開

14、挖施工、負(fù)1層結(jié)構(gòu)施工各階段傾斜基本沒有變化，在負(fù)2層土方及結(jié)構(gòu)施工階段傾斜出現(xiàn)3mm左右的變形。 7 結(jié)語 （1） 承臺水平位移僅為0.2 mm， 橋墩傾斜為0.1，基本可認(rèn)為橋梁承臺及橋墩水平方向位移沒有變化，與數(shù)值分析結(jié)果相符，即橋梁承臺受到的水平力較小，承臺間土體阻力足以抵抗承臺受到的水平力。 （2） 土層注漿加固效果對于提高橋梁基礎(chǔ)承載力的貢獻(xiàn)難以檢測和判別，注漿措施只能用作輔助措施，不能用作主要措施。 注漿設(shè)備、注漿工藝選擇要慎重，北京某地鐵下穿某橋梁期間， 曾出現(xiàn)注漿加固期間因設(shè)備選擇不當(dāng)造成橋梁下沉的情況。 （3） 洞內(nèi)臨近橋樁的圍護(hù)樁開挖對橋梁影響不大。深層沉降曲線及水平位移曲線均可說明這一點(diǎn)。 理論上利用普氏理論分析亦可得到相同的結(jié)果，但應(yīng)注意開挖圍護(hù)樁的施工順序，應(yīng)保證在橋樁影響范圍內(nèi)只能施工一根圍護(hù)樁，盡量減小挖孔施工對橋樁的影響。 （4） 橋梁頂升系統(tǒng)的基礎(chǔ)應(yīng)采用獨(dú)立基礎(chǔ)， 并保證其能承擔(dān)所有橋梁荷載， 以免基礎(chǔ)不牢造成橋梁及支頂設(shè)備全系統(tǒng)下沉。 （5） 車站負(fù)2層土層開挖及結(jié)構(gòu)施工階段是對橋梁影響最大的階段， 在該階段土層產(chǎn)生了大部分水平位移，在負(fù)2層架設(shè)水