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        地鐵施工對既有橋梁主動防護(hù)技術(shù)的研究

        2013-12-10 03:40:46倪家祥陳泰振
        科學(xué)時代·上半月 2013年11期
        關(guān)鍵詞:橋樁工法樁基

        倪家祥 陳泰振

        【摘 要】本文主要探討了在地鐵施工中,對既有橋梁主動防護(hù)技術(shù)的重要性,分析了主動應(yīng)對來實(shí)現(xiàn)對既有梁的保護(hù)觀點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有橋梁在施工過程中隧道安全運(yùn)行。

        【關(guān)鍵詞】地鐵施工;穿越既有橋梁;主動防護(hù)

        0.前言

        隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化過程中,城市規(guī)模越來越大,為了解決交通問題,主要城市有積極發(fā)展地下交通網(wǎng)絡(luò),帶來新的安全問題。

        城市地鐵的建設(shè)通常選擇在主要城市或環(huán)線道路之下,可以盡量避免地面荷載,降低風(fēng)險(xiǎn)。但主要道路,環(huán)形公路橋梁眾多,如何減少地鐵施工的影響成為一個熱點(diǎn)問題的橋梁,因此,建立地鐵施工對鄰近既有橋梁安全系統(tǒng)的主動防御技術(shù),既可以保護(hù)橋梁的安全具有重要意義。

        1.主動防護(hù)體系的建立

        主動防護(hù)技術(shù)是一種在對風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生演化機(jī)理客觀認(rèn)識的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化管理的技術(shù)手段。其基本理念是以預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)為核心,以保護(hù)橋梁為目的,在科學(xué)預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上,對風(fēng)險(xiǎn)來源、風(fēng)險(xiǎn)載體、風(fēng)險(xiǎn)對象等不同對象中的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài),以合理的技術(shù)手段早干預(yù)、早處置,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的主動防護(hù)。

        1.1風(fēng)險(xiǎn)來源———施工開挖

        施工開挖是風(fēng)險(xiǎn)的來源,要降低施工風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)首先從風(fēng)險(xiǎn)源頭上進(jìn)行干預(yù)、處置,可采取的技術(shù)措施主要包括工法比選或工法優(yōu)化。

        1.1.1工法比選

        工前首先對各種工法進(jìn)行比選,綜合分析比對各種工法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性,在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境允許的條件下,盡可能選擇地層擾動少、地層變形小的施工方法。

        1.1.2工法優(yōu)化

        工法確定后,進(jìn)一步對工法自身涉及的各主要工序的先后順序、空間開挖范圍等進(jìn)行優(yōu)化,可結(jié)合工程環(huán)境采用工程調(diào)查、數(shù)值模擬等手段予以選擇,進(jìn)一步降低施工對周邊環(huán)境的擾動。

        1.2風(fēng)險(xiǎn)載體———地層變形

        地層變形是風(fēng)險(xiǎn)傳遞的唯一載體,降低施工風(fēng)險(xiǎn),按其發(fā)展演化過程,可采取“降”或“堵”兩種方式進(jìn)行干預(yù)、處置。

        1.2.1地層加固降低地層變形

        采用洞內(nèi)注漿、地面注漿等多種方式改良隧道周邊、樁基周邊以及隧道和樁基之間的土體,以達(dá)到降低地層變形的目的。注漿可使土體中充滿漿液,土體被膠結(jié)成一個整體,其E、c、φ的值得到提高,而μ值減小,從而提高了土體的整體強(qiáng)度和自穩(wěn)能力。另外,由于隧道支護(hù)后土體被充填漿液,還可防止土體裂隙向深部擴(kuò)展,避免開挖松動圈的進(jìn)一步擴(kuò)大。

        1.2.2隧道與既有橋梁間隔離樁( 墻) 阻隔變形

        隧道周邊存在樁基時,地層開挖釋放能量將被樁基部分吸收而導(dǎo)致地層變形降低,因此條件允許時,即可在隧道和既有橋梁之間,按照一定的間距布設(shè)隔離樁或隔離墻,通過隔離樁或隔離墻吸收變形來達(dá)到阻隔變形傳遞的目的。

        1.3風(fēng)險(xiǎn)對象———既有橋梁

        地鐵鄰近既有橋梁施工,既有橋梁風(fēng)險(xiǎn)來源主要是地層變形導(dǎo)致的既有橋梁基礎(chǔ)沉降或基礎(chǔ)承載力損失。換言之,通過補(bǔ)償基礎(chǔ)沉降或轉(zhuǎn)移上部荷載,即可降低既有橋梁的安全風(fēng)險(xiǎn)。

        1.3.1樁基托換( 轉(zhuǎn)移荷載)

        樁基托換就是將既有樁基承受的上部荷載有效地轉(zhuǎn)移到新托換結(jié)構(gòu)上。樁基托換技術(shù)的核心是新樁和老樁之間的荷載轉(zhuǎn)換,要求在托換過程中,托換結(jié)構(gòu)和原有結(jié)構(gòu)的變形限制在允許范圍內(nèi)。目前國內(nèi)的樁基托換技術(shù)主要有兩種類型,即主動托換技術(shù)和被動托換技術(shù)。

        1.3.2結(jié)構(gòu)頂升( 補(bǔ)償沉降)

        當(dāng)橋梁樁基沉降過大影響橋梁正常使用時,除對地層進(jìn)行加固外,還可通過對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂升,并且加高墩臺以恢復(fù)結(jié)構(gòu)原有的姿態(tài),保證橋梁的正常使用。

        2.主動防護(hù)體系的實(shí)施

        主動防護(hù)技術(shù)流程通過對風(fēng)險(xiǎn)的來源、傳播途徑和保護(hù)對象3個方面采取適當(dāng)措施,突出強(qiáng)調(diào)了工前主動防護(hù)措施的制定和實(shí)施,以此實(shí)現(xiàn)了工程風(fēng)險(xiǎn)的前移處置,而后結(jié)合施工過程的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控,制定了風(fēng)險(xiǎn)的動態(tài)控制。這種兩階段的風(fēng)險(xiǎn)控制,可以更加有效地應(yīng)對工程風(fēng)險(xiǎn)

        3.工程實(shí)例

        某地鐵2號線一期工程主體位于某橋主跨下方,自⑦軸與⑧軸之間穿越,車站臨近主橋跨北側(cè)⑧軸既有橋樁,其中主體結(jié)構(gòu)外皮距離既有橋樁外皮1.53m,圍護(hù)樁距離橋樁外皮0.68m,上層小導(dǎo)洞距離橋樁外皮僅為0.08m;車站結(jié)構(gòu)距北側(cè)⑦軸橋墩樁基礎(chǔ)凈距9.42 m,車站底板底在樁基礎(chǔ)的樁尖以下2.89m處。

        圖1 新建車站與既有橋樁位置關(guān)系橫斷面

        3.1工法比選及優(yōu)化

        洞樁法[5]( PBA法)以少分塊、快封閉、盡量減少荷載轉(zhuǎn)換次數(shù)及地層被擾動的次數(shù)為總原則,通過小導(dǎo)洞、挖孔樁、扣拱等成熟技術(shù)的有機(jī)組合形成具有施工安全度較高、造價相對較低、工期較短等優(yōu)點(diǎn)的施工方法,因此,本穿越工程采用此法進(jìn)行施工。

        利用FlAC3D計(jì)算軟件,對該工程6導(dǎo)洞PBA 工法導(dǎo)洞施工順序進(jìn)行研究,得出依次開挖上層中導(dǎo)洞、上層邊導(dǎo)洞、下層中導(dǎo)洞、下層邊導(dǎo)洞為最優(yōu)方案。

        3.2地層加固及隔斷

        單純依靠工法自身優(yōu)化調(diào)整及具有可操作性的洞周地層加固,無法滿足既有樁基預(yù)測變形要求??紤]現(xiàn)場條件,采取了隔離法對既有橋梁實(shí)施主動防護(hù)。首先在地面對既有橋樁周邊土體進(jìn)行深孔注漿加固,取消橋樁段前后5 m范圍內(nèi)的臨橋樁處下邊導(dǎo)洞,圍護(hù)樁兼做隔離樁,配筋加強(qiáng)且直接嵌入卵石層,嵌固深度7.2m。

        各工序產(chǎn)生的最大地表沉降值、鄰近樁基最大沉降值如表1~表2 所示,其中樁基沉降分析點(diǎn)取墩柱下1m處。

        由表1~表2可知:

        1)地表沉降值最大為25mm,且地表沉降主要發(fā)生在車站中線兩側(cè)20m范圍內(nèi),對中線左、右兩側(cè)沉降值進(jìn)行對比后可以看出,由于地層注漿加固及隔離樁的存在,當(dāng)1、3導(dǎo)洞開挖后,右側(cè)地表沉降基本沒有變化,左側(cè)地表變形大于右側(cè)地表變形,樁基后方土體沉降較小。

        2)通過樁周地層加固及隔離樁施作,既有橋樁沉降控制效果明顯,最終沉降值為3.5mm,符合既有橋梁的安全控制要求,可采取本防護(hù)措施進(jìn)行實(shí)際施工。

        3)1、3導(dǎo)洞施工會對樁基沉降產(chǎn)生較大影響,該階段施工樁基沉降達(dá)總沉降值的74%,因此采用該工法施工時,對該工序應(yīng)引起注意。

        3.3 結(jié)構(gòu)頂升

        在穿越過程中,如果橋梁沉降超限,會發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警,則綜合分析風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生原因后,視既有橋梁及周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處置。當(dāng)既有橋梁出現(xiàn)沉降過大時,可根據(jù)結(jié)構(gòu)頂升手段,對既有橋梁進(jìn)行主動頂升,以彌補(bǔ)橋梁沉降損失。

        3.3.1 頂升值確定

        主動頂升前,首先對上部箱梁結(jié)構(gòu)箱底標(biāo)高進(jìn)行測量,根據(jù)箱梁底部標(biāo)高差異來決定結(jié)構(gòu)頂升值。

        測量結(jié)果表明,需對8# 軸處頂升3~4mm 可滿足箱梁標(biāo)高要求。另綜合考慮后期穿越施工的影響,最終確定對8#軸處頂升5 mm,除彌補(bǔ)之前上部結(jié)構(gòu)的沉降損失,尚進(jìn)行一定的安全儲備。

        3.3.2 頂升方案

        結(jié)合現(xiàn)場條件,確定的結(jié)構(gòu)頂升方案如下:

        ①頂升基礎(chǔ)施工;②千斤頂承重系統(tǒng)的施作;③混凝土橫梁的施工;④臨時支座的安裝;⑤千斤頂?shù)陌惭b;⑥頂升監(jiān)測;⑦頂升力大??;⑧千斤頂頂升施工;⑨既有橋墩支座墊高施工;⑩頂升完成。

        3.3.3 頂升試驗(yàn)

        為保證既有橋梁結(jié)構(gòu)安全及主動頂升實(shí)施效果,在主動頂升正式實(shí)施過程時,進(jìn)行兩次結(jié)構(gòu)頂升。其中第1次為頂升試驗(yàn),其主要目的如下:

        1)檢驗(yàn)現(xiàn)有技術(shù)方案實(shí)施的可靠性,通過試驗(yàn)對各個操作環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查,確保最終實(shí)施萬無一失。

        2)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),主動頂升的實(shí)際值往往低于目標(biāo)頂升值,因此通過實(shí)際頂升,測試目標(biāo)頂升值與實(shí)際頂升值之間的比例關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)實(shí)際頂升5mm的目標(biāo)確定可靠的目標(biāo)頂升值。

        3.3.4實(shí)際頂升實(shí)施

        結(jié)合試驗(yàn)頂升經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),對第2 次進(jìn)行的實(shí)際頂升按照4級加載、1次卸載進(jìn)行。頂升過程中及完成后監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3~表4所示。

        根據(jù)現(xiàn)場頂升情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出,卸載后8#墩頂梁底絕對高程平均上升了5mm,達(dá)到了設(shè)計(jì)的頂升位移值,同時根據(jù)梁體應(yīng)力、裂縫等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,本次頂升對梁體結(jié)構(gòu)的影響較小。表明本次對上部結(jié)構(gòu)實(shí)施的主動頂升達(dá)到了預(yù)期效果。通過對既有橋墩的主動頂升,減小了上部結(jié)構(gòu)的差異沉降,保證了橋7#、8#墩支座處梁體的穩(wěn)定性,為地鐵后續(xù)施工提供了沉降儲備。

        4.結(jié)論

        文章通過采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行了相應(yīng)的工法優(yōu)化,確定了施工方案及各主要施工階段橋梁變形的控制值。為了使既有橋梁能夠滿足變形控制的需要,采取了注漿加固、打設(shè)隔離樁及既有橋梁結(jié)構(gòu)頂升3種主動防護(hù)措施,保證了穿越工程的順利進(jìn)行。監(jiān)測結(jié)果表明地鐵車站成功穿越既有橋,實(shí)踐證明地鐵施工對鄰近既有橋梁安全主動防護(hù)技術(shù)體系及相應(yīng)的技術(shù)流程可行、有效。

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