北京地鐵14號線西局站地鐵暗挖隧道穿越橋梁群樁綜合技術(shù)以麗澤橋橋區(qū)為例

北京地鐵14號線西局站地鐵暗挖隧道穿越橋梁群樁綜合技術(shù)以麗澤橋橋區(qū)為例

隨著城市地鐵規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵隧道工程在城市橋梁下的范圍越來越大。隧道穿越橋梁可能會引起橋梁承載力的降低甚至損傷橋梁結(jié)構(gòu),應(yīng)高度重視隧道穿越現(xiàn)況橋梁對橋梁帶來的風(fēng)險(xiǎn),特別是處于交通主干線的橋梁,沉降控制要求嚴(yán)格,給地鐵施工帶來極大風(fēng)險(xiǎn),一旦發(fā)生事故,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重,社會影響巨大。在施工過程中,必須對施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,采取可靠的技術(shù)保證措施,最大限度的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),保證施工安全。姬永紅等利用二維有限元模型進(jìn)行分析,表明開挖面的地層應(yīng)力釋放是隧道開挖對樁基產(chǎn)生影響的直接原因,通過減少應(yīng)力釋放可以有效地控制樁基變形。高偉等研究了淺埋暗挖隧道開挖對橋梁基礎(chǔ)的影響,表明樁側(cè)摩擦阻力隨著樁基的埋置深度的增加而增大,在樁基底部達(dá)到最大。馬天文在地鐵隧道下穿既有橋梁樁基加固研究中,采用了對橋梁基礎(chǔ)實(shí)施托換施工,同時(shí)在隧道內(nèi)對橋樁周圍地層進(jìn)行注漿加固,控制了隧道上方橋梁樁基沉降和位移。石錦江在地鐵暗挖隧道穿越橋樁時(shí),樁隧水平間距大于3m時(shí)采用二重管高壓旋噴注漿法來降低施工風(fēng)險(xiǎn),保證施工安全。周正宇等通過地鐵施工對鄰近既有橋梁主動防護(hù)技術(shù)的研究,表明通過地層加固可以達(dá)到降低地層變形的目的,通過在樁隧間設(shè)置隔離樁,來阻隔變形的傳遞。劉能文在地鐵隧道穿越橋梁時(shí),綜合采用了土體靜壓注漿加固、增加樁基、現(xiàn)況樁基托換、增設(shè)橫系梁,控制了橋梁基礎(chǔ)的沉降值及傾斜值。以往工程對隧道穿越橋梁時(shí),采取了一項(xiàng)或幾項(xiàng)措施,如何有效的綜合運(yùn)用各種技術(shù),發(fā)揮最大效益,應(yīng)引起重視。在地鐵14號線西局站—東管頭站區(qū)間暗挖隧道穿越麗澤橋橋區(qū)施工時(shí),根據(jù)工程的特殊情況,將各種加固技術(shù)、隔離技術(shù)綜合的應(yīng)用到一個工程項(xiàng)目中,規(guī)避了施工風(fēng)險(xiǎn),取得了良好的效果,為今后類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定的參考。1項(xiàng)目總結(jié)1.1地層厚度及結(jié)構(gòu)地鐵14號線工程西局站~東管頭站區(qū)間暗挖隧道下穿麗澤橋,隧道為馬蹄形,斷面尺寸6570mm×6480mm。地層自上而下為粉土填土①、粉砂-細(xì)砂②3、圓礫-卵石②5、中砂、粗砂⑤1、卵石⑤、層卵石⑦。結(jié)構(gòu)覆土厚度為10.1~15.3m,隧道穿越地層主要為卵石⑤層,中砂、粗砂⑤1層。地下水位于隧道結(jié)構(gòu)線以下。1.2號線西局東管頭站東管頭站下穿麗澤橋區(qū)麗澤橋?yàn)槿ネㄊ搅⒔粯?位于北京市西三環(huán)南段豐北路與西三環(huán)相交處,是連接西三環(huán)和豐臺北路的重要交通樞紐,也是北京市幾座大型橋梁之一,于1991年竣工投入使用。北京地鐵14號線西局~東管頭站區(qū)間暗挖隧道下穿麗澤橋區(qū),其中地鐵近距離穿越橋梁共計(jì)14處(見圖1),分別為:豐北路上東西向的主橋A、主橋B,南北主橋,四環(huán)主路上南北向的公交?？空?號橋、公交?？空?號橋,Z3匝道橋、Z4匝道橋、Z5c匝道橋、Z6匝道橋、Z7a匝道橋、Z7b匝道橋、Z7c匝道橋、Z8匝道橋、K4+657通道,橋樁與隧道的凈距為0.84~4.61m,且樁端在隧道的肩部———受力最不利位置。橋梁為混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,檢查評估報(bào)告顯示,橋梁技術(shù)狀況等級評定為A級,即“完好狀態(tài)”,見表1。2橋梁樁和隧道的沉降和變形模擬預(yù)測2.1施工前模擬分析在區(qū)間暗挖隧道施工時(shí),為確保暗挖施工順利通過橋區(qū),同時(shí)確保麗澤橋交通暢通,在施工前,按施工工況進(jìn)行模擬分析預(yù)測,確定不同工況的各項(xiàng)施工參數(shù),預(yù)測橋梁沉降量,驗(yàn)證設(shè)計(jì)、施工方法的科學(xué)性和合理性,彌補(bǔ)理論分析存在的不足,最后確定最優(yōu)施工參數(shù)。2.2橋梁沉降控制指標(biāo)1)橋梁豎向均勻沉降控制值:15mm。3)墩柱橫橋向相鄰基礎(chǔ)不均勻沉降位移控制值:3mm。4)地表沉降控制值:30mm。2.3預(yù)測橋樁變形的模型和分析2.3.1初支、二襯模型及邊界計(jì)算軟件采用大型巖土計(jì)算軟件FLAC-3D,假定土體為各向同性彈塑體,由實(shí)體單元模擬,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滿足莫爾-庫侖準(zhǔn)則;采用shell單元模擬初支,二襯采用實(shí)體單元;模型邊界范圍按4倍開挖洞徑計(jì),地表為自由面,其余面均施加法向約束,施工模擬,每循環(huán)進(jìn)尺0.5m,采用上、下臺階法施工,嚴(yán)格按淺埋暗挖“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”方針實(shí)施。計(jì)算模型見圖2。2.3.2橋樁沉降與上臺階開挖關(guān)系計(jì)算工況為對橋樁周圍土體進(jìn)行注漿加固后開挖的工況。對橋樁周圍土體進(jìn)行加固,以降低由于暗挖施工對橋樁承載力的影響。此工況下,暗挖施工影響近暗挖側(cè)橋樁的沉降值為4.8mm(見圖3),遠(yuǎn)暗挖側(cè)橋樁沉降值為3.6mm(見圖4),差異沉降為1.2mm。橋樁沉降主要發(fā)生在上臺階開挖期間,沉降值為3.7mm,且沉降速率加大,下臺階開挖時(shí)引起的橋樁位移值約為1.1mm。經(jīng)過分析,橋樁距離隧道越近,沉降越大;同時(shí)在隧道施工期間,橋樁沉降主要發(fā)生在上導(dǎo)洞開挖期間,應(yīng)加強(qiáng)上導(dǎo)洞開挖期間施工工藝控制,并應(yīng)盡快對上導(dǎo)洞臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)并及時(shí)進(jìn)行回填注漿。3施工技術(shù)措施3.1地下土體控制沉降技術(shù)本工程暗挖通道要垂直穿過麗澤橋橋樁,隧道邊緣最近處距離橋樁不到1m,如果不采取相關(guān)措施,該部分橋樁的整體摩擦力將會全部失去,并且周邊土體變形也會使未動土層摩擦力降低。為達(dá)到加固隧道側(cè)穿橋樁范圍內(nèi)的土體,控制沉降,經(jīng)研究論證綜合采取的以下技術(shù)措施:地面復(fù)合錨桿樁加固;隧道拱部180°范圍內(nèi)小導(dǎo)管超前注漿加固;隧道初支格柵鋼架加密至0.5m,必要時(shí)密排,并加設(shè)臨時(shí)仰拱;上導(dǎo)洞預(yù)留核心土先行通過技術(shù);洞內(nèi)臨時(shí)仰拱下45°范圍內(nèi)進(jìn)行徑向注漿加固;初支背后注漿縱向、環(huán)向間距加密至2m;二襯背后多次重復(fù)注漿;加強(qiáng)監(jiān)控量測等。3.1.1復(fù)合錨桿樁設(shè)計(jì)在地面條件和地下管線允許的情況下,對橋樁盡量采取地面加固措施。主要做法為在地面采用復(fù)合錨桿樁加固地層,將橋樁周圍土體加固和改良,以不降低原有側(cè)摩阻力為目的,并在隧道內(nèi)對橋樁底部土體實(shí)施注漿加固,增大樁端承載力。加固后的地基應(yīng)具有良好的均勻性和自立性,加固體強(qiáng)度應(yīng)不小于5MPa,滲透系數(shù)≤1.0×10-6cm/s。具體布置見圖5、圖6。復(fù)合錨桿樁孔徑Φ150mm,孔內(nèi)安裝錨桿(3根直徑Φ20mm螺紋鋼筋),錨桿樁鋼筋骨架為隔離環(huán)(50mm×3.5mm普通煤氣管,每段長100mm)+定位支撐(Ф18螺紋鋼,長度40mm,與隔離環(huán)雙面焊接),樁縱向每米1段,與主筋雙面焊接。另附三根Ф20塑料管作為注漿管,注漿管出漿口距底端4m,出漿孔φ4mm,出漿孔豎向錯開150mm。見圖7、圖8。注漿分三次進(jìn)行:第一次采用常壓注漿,注漿壓力0.4~0.5MPa,孔口溢漿時(shí)結(jié)束本次注漿,水泥漿水灰比0.5∶1;第二次注漿采用中高壓注漿,注漿壓力1.0MPa,水泥漿水灰比0.75∶1,在第一次注漿完成后10~15h進(jìn)行;第三次注漿壓力1.5MPa,,水泥漿水灰比0.75∶1,在第二次注漿完成后5~10h進(jìn)行。3.1.2道肩隨機(jī)注漿應(yīng)用非橋區(qū)段超前小導(dǎo)管布置為拱部環(huán)向120°,橋區(qū)段地層以卵石-圓礫石為主,且橋樁基礎(chǔ)底部位于隧道肩部,為減小橋樁沉降,根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)及專家評議,對超前注漿進(jìn)行優(yōu)化:小導(dǎo)管采用φ25無縫鋼管,長1.7m,水平傾角為10°~15°,環(huán)向180°范圍打設(shè),縱向每榀打設(shè),環(huán)向間距300mm,詳細(xì)見圖9。注漿漿液選用單液水泥漿+早強(qiáng)劑,壓力控制0.3~0.5MPa。3.1.3格柵加臨時(shí)仰拱設(shè)計(jì)根據(jù)模擬分析,橋樁沉降主要發(fā)生在上臺階開挖期間,則在隧道開挖過程中上臺階應(yīng)近快封閉。針對互情況,在隧道穿越橋樁前后各10m范圍內(nèi),格柵加由非橋區(qū)段的0.75m減小至0.5m,并增設(shè)臨時(shí)仰拱,臨時(shí)仰供采用I22a工字鋼和掛網(wǎng)錨噴混凝土的形式,將隧道初襯分為上下兩個導(dǎo)洞,使上導(dǎo)洞一環(huán)一封閉。詳細(xì)見圖10。3.1.4上導(dǎo)洞預(yù)留核心土的施工量臺階法可以有足夠的工作空間和相當(dāng)?shù)氖┕に俣?但上、下部作業(yè)有干擾;臺階開挖雖增加對圍巖的擾動次數(shù),但臺階有利于開挖面的穩(wěn)定,尤其是上部開挖支護(hù)后,下部作業(yè)就較為安全。本工程在暗挖隧道在側(cè)穿橋樁時(shí)為保證地面沉降,加設(shè)了臨時(shí)仰拱,分成上下導(dǎo)洞進(jìn)行開挖。根據(jù)計(jì)算,在隧道開挖過程中,上臺階開挖對地面及橋樁沉降影響較大,因此考慮到應(yīng)縮短上導(dǎo)洞封閉成環(huán)時(shí)間,減小沉降,在側(cè)穿橋樁過程中采取上導(dǎo)洞預(yù)留核心土先行通過技術(shù)措施進(jìn)行施工,長度約為20m。隧道施工上導(dǎo)洞先行通過見圖11。3.1.5隧道靠橋樁側(cè)土體注漿方案暗挖區(qū)間下穿橋樁段時(shí),橋樁底基本位于隧道中部,在隧道土方開挖過程中,隧道周圍的土體稍有擾動、松散,就會引起橋梁沉降;同時(shí)初支施工時(shí)也會有回噴不密實(shí)的情況,極易導(dǎo)致橋樁沉降,引發(fā)地面橋梁交通安全事故。為避免近橋樁側(cè)隧道周邊土體擾動或回填不密實(shí),決定在隧道靠近橋樁側(cè)采用徑向注漿技術(shù),對橋樁底部土體進(jìn)行加固,以保證隧道初支完成后隧道近橋樁側(cè)土體的密實(shí)。在隧道靠近橋樁側(cè),臨時(shí)仰拱下45°范圍內(nèi)進(jìn)行徑向注漿,注漿范圍為1.5m;注漿管采用φ25×5小導(dǎo)管,長1.5m,1000×1000梅花型布置,布置縱向范圍為橋樁兩側(cè)各6m。注漿漿液選用1∶1純水泥漿液,壓力控制為0.2~0.5MPa。詳見圖12。3.1.6重復(fù)注漿與覆蓋物在暗挖開挖過程中,初支錨噴背后普遍存在錨噴回填不密實(shí)現(xiàn)象,這種情況會導(dǎo)致地面及橋樁的沉降加大,為減小其沉降,必須對初支背后回填注漿。對初支背后一次注漿后,由于漿液收縮,會產(chǎn)生后續(xù)空隙,同時(shí)由于后續(xù)隧道開挖,引起隧道周邊土體擾動,后續(xù)工序?qū)ν馏w的擾動引起的地表沉降會有一個延遲期,上述兩個原因綜合作用,使一次背后注漿后在初支前后還會有空隙產(chǎn)生,因此需進(jìn)行多次重復(fù)注漿,以保證初支背后土體密實(shí)。(1)注漿管間距:縱向間距由設(shè)計(jì)3m縮短至2m,環(huán)向間接由原設(shè)計(jì)拱頂2m、側(cè)墻3m統(tǒng)一調(diào)整為2m,并呈梅花型布置,以防止背后注漿不密實(shí)。(2)為保證背后回填注漿及時(shí),注漿段與上臺階開挖面距離由5m調(diào)整至4m,注漿段長度由設(shè)計(jì)5m縮短至4m。(3)注漿采用水泥+粉煤灰+白灰,重量比為1∶1∶1、拌和成粘稠狀;注漿分兩次進(jìn)行,第一次注漿,注漿壓力達(dá)到0.3MPa并穩(wěn)壓10min后停止;30min后進(jìn)行二次補(bǔ)漿,二次補(bǔ)漿穩(wěn)壓壓力應(yīng)達(dá)到0.5MPa,并穩(wěn)壓3min后停止。(4)每填充注漿完成約20m,即對填充注漿情況進(jìn)行空洞檢測。檢測采用拱頂和起拱線位置進(jìn)行連續(xù)檢測,如存在空洞情況,進(jìn)行再次注漿,并進(jìn)行再次檢測,直至填充密實(shí)。3.2在隧道下的橋臺上加固技術(shù)3.2.1地鐵14號線左線隧道麗澤橋南北主橋?yàn)槲魅h(huán)主路橋,左右分幅,南北向3跨,主路為連續(xù)寬幅T梁,輔路為連續(xù)鋼-砼疊合梁,下部矩形實(shí)體墩,U型橋臺,板式橡膠支座。四角各設(shè)一個梯道,連接麗澤路。地鐵14號線左線隧道從麗澤橋南側(cè)橋墩、橋臺之間穿過。隧道離南側(cè)橋臺樁凈距7.87m,離北側(cè)橋墩樁3.6m。群樁的土體影響范圍φ/4(卵石φ=40°)為10°。由分析可知:左線隧道的開挖,隧道外墻距離樁基較近而且隧道底部低于樁底,會對橋墩樁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的影響。為了保證隧道開挖過程中的橋墩樁的安全性、穩(wěn)定性,采用以下技術(shù):深孔后退式帷幕注漿進(jìn)行超前加固,采用正臺階加設(shè)臨時(shí)仰拱預(yù)留核心土法施工,上導(dǎo)洞先行通過技術(shù),初支背后注漿管布置加密并重復(fù)多次注漿技術(shù)。3.2.2孔口注漿及開挖長度區(qū)間左線下穿麗澤橋南北主橋60m范圍內(nèi)采用深孔后退式帷幕注漿進(jìn)行加固,加固范圍為導(dǎo)洞開挖輪廓線外2m,注漿循環(huán)段長設(shè)計(jì)為10m。注漿孔布置由工作面向開挖方向呈輻射狀,鉆孔布置成圓,保證注漿充分,不留死角。注漿孔孔間距為1000mm,漿液擴(kuò)散半徑750mm,如圖13。注漿壓力:深孔注漿壓力為1.0~1.5MPa,在終壓狀態(tài)下當(dāng)每分鐘進(jìn)漿量小于3L或注漿壓力在終壓狀態(tài)逐步升高可停止注漿對小導(dǎo)管的初壓為0.2~0.5MPa,終壓為0.75MPa,在終壓狀態(tài)下當(dāng)每分鐘進(jìn)漿量小于3L或注漿壓力在終壓狀態(tài)逐步升高可停止注漿。注漿后至少8h后方可進(jìn)行隧道開挖,開挖長度按循環(huán)進(jìn)尺規(guī)定,以保留一定長度的掌子面止?jié){加固巖盤。注漿效果檢查:一個注漿段的注漿孔全部注完后,鉆2~3個孔對注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn),并取芯觀察漿液充填情況,視情打設(shè)超前小導(dǎo)管補(bǔ)充注漿。4影響與沉降的控制4.1隧道土體擾動非橋區(qū)段未采取地層加固措施,以DB-36-01監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析,如圖14。從觀測數(shù)據(jù)來看,在隧道施工時(shí),土層受擾動破壞,產(chǎn)生的拉應(yīng)力導(dǎo)致土體向初支的空隙移動,使土壤松弛,產(chǎn)生沉降。這些空隙如不及時(shí)填充漿液,就會被周圍土體填充,最終形成較大地表沉降,監(jiān)測點(diǎn)DB-36-01,沉降值為-25.12mm。4.2沉降變形分析區(qū)間隧道側(cè)穿Z3-4橋樁,隧道與橋樁間的最小水平凈距為0.84m,區(qū)間隧道左線下穿南北主橋,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),以此為例來分析,沉降變形分析見圖15、圖16。橋樁Z3-2最大沉降量為-4.56mm,南北主橋的最大沉降量為-4.02mm,與非橋區(qū)段進(jìn)行對比分析,可看出綜合應(yīng)用下穿橋區(qū)技術(shù)、側(cè)穿橋區(qū)技術(shù),增加了土體及初期支護(hù)的自穩(wěn)時(shí)間,有效的控制了初期支護(hù)