■付黎龍 ■中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及城市現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展，越來越多的城市重視地下軌道交通的發(fā)展，如北京、廣州、深圳、上海等大城市都正在修建大量地鐵。而城市軌道交通線路基本都位于主城區(qū)，地鐵車站大部分位于城市主干道及市政管網(wǎng)下方，工程地質(zhì)及周邊環(huán)境十分復(fù)雜，鄰近市政橋梁等重要構(gòu)筑物，施工風(fēng)險(xiǎn)極高。如何減小施工風(fēng)險(xiǎn)，降低施工難度，確保既有構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全，合理確定施工方法及風(fēng)險(xiǎn)處理措施是設(shè)計(jì)方案所要面對的重要問題。

本文以北京地鐵8號(hào)線二期工程安華橋站為例，針對車站近距離旁穿淺埋橋基的多種設(shè)計(jì)方案采取數(shù)值模擬對比分析，確定最終風(fēng)險(xiǎn)可控的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，可以進(jìn)一步了解施工過程中施工步序?qū)扔袠蛄旱挠绊?，指?dǎo)現(xiàn)場安全現(xiàn)場施工。

1 工程概況

1.1 地鐵安華橋站工程概況

北京市地鐵八號(hào)線二期工程安華橋站位于鼓樓外大街、北辰路與北三環(huán)交叉路口的安華橋西側(cè)，橫跨北三環(huán)中路，沿北辰路－鼓樓外大街南北向布置。安華橋西北是中國科技館;東北是安貞西里小區(qū);西南是北京醫(yī)療器械研究所;東南角是綠化帶。

車站北端至南端依次為:明挖三層段，長15.6m，頂板覆土約為4.23m，底板埋深約為25.74m;洞柱法暗挖雙層段，長65.1m，頂板覆土約為9.85m，底板埋深約為25m;暗挖單層段，長65.0m，頂板覆土約為12.83米，底板埋深約為25.31m;洞柱法暗挖雙層段，長65.4m，頂板覆土約為11.15m，底板埋深約為26.61m;明挖三層段，長15.6m，頂板覆土約為5.09m，底板埋深約為28.49m。其中，車站暗挖單層段左線距離安華橋橋基較近，采用洞樁法施工;右線暗挖單層段采用CRD工法分六步施工。

車站總長226.7m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.8m。北端北安區(qū)間為礦山法區(qū)間，南端安安區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)在車站南端盾構(gòu)井接收。車站共設(shè)置6個(gè)出入口通道及2個(gè)風(fēng)道。地鐵車站與安華橋的平面位置關(guān)系見圖1。

1.2 工程地質(zhì)概況

圖1 地鐵安華橋站與安華橋平面布置圖

安華橋站場地范圍內(nèi)地形基本平坦，地層條件較為復(fù)雜，由上而下依次為:雜填土①層、粉質(zhì)粘土③層、細(xì)粉砂④3層、粉土⑥2層、粉質(zhì)粘土⑥層、粉細(xì)砂⑦4層;圓礫－卵石⑧9層和中細(xì)砂⑨4層?？碧缴疃确秶鷥?nèi)主要揭露4層地下水:第一層為上層滯水，含水層為粉質(zhì)粘土③層、粉土③2層，靜止水位埋深6.60～10.00m。第二層為層間滯水，水位埋深15.70～16.20m，主要含水層為粉細(xì)砂④3層、粉土⑥2層。第三層為層間滯水，水位埋深24.80m，主要含水層為圓礫、卵石⑧9層，該層水不連續(xù)。第四層為潛水，主要含水層為圓礫、卵石⑩9層等，水位埋深31.60～34.70m，連續(xù)，水量豐富。

其中，安華橋站旁穿橋基及北三環(huán)中路段頂部位于粉質(zhì)粘土層、粘土層，覆土厚約12.8m。車站暗挖單層段拱頂以上1.5m處為粉細(xì)砂層，有少量層間滯水;拱腰及底板位于粉細(xì)砂層及圓礫、卵石層，有少量層間滯水。潛水水位:13m。地下水對車站主體結(jié)構(gòu)施工有一定的威脅。

圖2 安華橋站地質(zhì)縱剖面圖

1.3 安華橋概況

安華橋?yàn)榇笮蛙俎Ｈ~式互通式立交橋，位于北京北三環(huán)和中軸線的交點(diǎn)，車流量極大，已建成運(yùn)營20余年，經(jīng)檢測其技術(shù)狀況僅為C級(jí)(合格狀態(tài)，需小修)。橋基為條型擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深僅2.4m，車站主體距離條基平面距離僅5.4m。此外，安華橋過街通道結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土閉合框架，底板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，側(cè)墻、頂板、搭板為鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件。每個(gè)通道設(shè)有2～4條伸縮縫，經(jīng)檢測其技術(shù)狀況僅為B級(jí)?，F(xiàn)狀橋基及過街通道結(jié)構(gòu)抗變形能力較差，不均勻沉降控制值僅為5mm，對變形控制要求極高。大體量暗挖車站近距離下穿淺埋橋基及過街通道實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的沉降控制是重大難題。

圖3 安華橋現(xiàn)狀照片

2 設(shè)計(jì)方案比選

2.1 原設(shè)計(jì)方案

由于安華橋位于北京北三環(huán)和中軸線的交點(diǎn)，車流量極大，而橋梁修建年代較久，橋基埋深較淺，其抗變形能力較差，且車站距離條基平面距離僅5.4m。為確保施工過程中，保證橋梁不均勻沉降控制值在5mm以內(nèi)，地表沉降控制在15mm以內(nèi)，車站下穿安華橋橋基段初步采用左右線單層單洞結(jié)構(gòu)形式，施工方法為CRD工法。同時(shí)，在靠近橋基一側(cè)打設(shè)雙排φ150復(fù)合錨桿樁，間距0.5m。單層段斷面如下圖。

圖4 地鐵安華橋站與安華橋橋基空間關(guān)系圖

單層段斷面采用復(fù)合式襯砌，結(jié)構(gòu)尺寸為9.6m×9.78m(寬×高).初期支護(hù)采用C20噴射混凝土(350mm厚)、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架及超前小導(dǎo)管，二襯為C40防水鋼筋混凝土(600mm厚)。超前支護(hù)采用雙排φ42普通鋼管，壁厚3.5mm，外排長度為4m，內(nèi)排長度為2m，沿拱部150°范圍內(nèi)環(huán)向布設(shè)，環(huán)向間距0.3m，縱向間距0.5m，注漿材料為水泥－水玻璃雙液漿。

2.2 施工影響預(yù)測

2.2.1模擬計(jì)算分析

CRD暗挖段安華橋特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源為控制性風(fēng)險(xiǎn)源，因此該段風(fēng)險(xiǎn)工程控制的關(guān)鍵是最大限度的控制安華橋變形，從而保證其他風(fēng)險(xiǎn)源的安全。

(1)數(shù)值模擬計(jì)算分析

計(jì)算采用三維巖土力學(xué)有限差分程序FLAC3D進(jìn)行模擬分析，考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用、分步施工過程。計(jì)算范圍取沿車站方向90米長，橫向90米長，從地面起60米深范圍的土體;安華橋橋基受力按照安華橋竣工圖所提供:慢車道汽—20t 掛—100t，慢車道350kg/m，15t車驗(yàn)算。單層暗挖結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5所示。

(2)計(jì)算模型與單元?jiǎng)澐?/p>

單層暗挖結(jié)構(gòu)有限差分法施工模擬計(jì)算共生成66977個(gè)節(jié)點(diǎn)，62550個(gè)單元。

(3)計(jì)算結(jié)果及分析

①主應(yīng)力情況

從結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力圖上分析，洞周圍巖應(yīng)力集中，有明顯的成拱作用，沿洞周環(huán)向切向應(yīng)力增大，法向應(yīng)力減小，利于洞室穩(wěn)定。洞周圍巖墻腳外側(cè)下方、土體發(fā)生小范圍的塑性屈服和破壞，破壞深度2～2.5m左右。采用小導(dǎo)管注漿加固，如圖5。

圖5 單層暗挖結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖6 單層暗挖結(jié)構(gòu)開挖完成后位移圖

由計(jì)算可得，施工期間地面最大沉降量為22mm。

由于車站開挖，造成地面沉降，從而引起安華橋基礎(chǔ)的位移變化如下圖7。

圖7 橋梁條形基礎(chǔ)A點(diǎn)在車站開挖后位移曲線圖

經(jīng)計(jì)算，橋梁條形基礎(chǔ)隨施工沉降量不斷加大，基礎(chǔ)最大沉降量為8.2mm時(shí)趨于穩(wěn)定。

該計(jì)算模型是在完全理想的狀態(tài)下模擬完成，由于施工期間車站開挖肯定會(huì)對土體造成擾動(dòng)，且在周圍各種環(huán)境的作用下引起的地面沉降有局部不確定性，為保證滿足橋通所提出容許最大沉降量5mm的要求，因此施工前首先對橋基進(jìn)行保護(hù)，以保證施工期間沉降量控制在5mm 范圍內(nèi)。

2.3 設(shè)計(jì)方案確定

由于受條件制約，現(xiàn)場無法圍擋施作降水井及隔離樁，故需要重新制定施工方案。為保證暗挖施工的無水作業(yè)，車站暗挖單層段采用洞內(nèi)帷幕深孔注漿止水方案，同時(shí)結(jié)合針對橋基的保護(hù)方案綜合考慮工程技術(shù)措施。

2.3.1施工工法比選

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采用洞內(nèi)帷幕注漿止水方案，并結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD工法及洞樁法等三種施工方法，利用數(shù)值模擬計(jì)算，對比分析不同施工方法對淺埋橋基的沉降控制效果。

下表為各種工法隧道拱頂及對應(yīng)地表位置處的沉降值。洞樁法引起的隧道拱頂沉降及地表沉降最小，CRD工法次之，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大。

表1 三種施工工法拱頂最終沉降值對比(mm)

從拱頂沉降值的歷時(shí)曲線可以明顯看出，三種工法的拱頂沉降均經(jīng)歷了前期沉降、快速沉降、沉降收斂三個(gè)階段。相比之下采用洞樁法和中洞法施工時(shí)，前期控制沉降較好，中洞法后期控制沉降較差。綜合以上分析可以看出，采用洞樁法造成的施工影響要相對小于另外兩種工法。

2.3.2 設(shè)計(jì)方案確定

由于該段為車站旁穿橋基段特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，地表沉降應(yīng)控制在10mm，洞樁法工法雖然對地表擾動(dòng)已經(jīng)是最小的，依然無法滿足設(shè)計(jì)要求，故需要采用洞樁工法的同時(shí)，對地層進(jìn)行注漿加固，進(jìn)一步較小對地表橋梁基礎(chǔ)的的不均勻沉降的影響。所以，改進(jìn)方案模型圖如下所示:

洞樁法注漿加固最終沉降值分布曲線如下:

圖8 洞樁法注漿加固地表沉降槽曲線圖

圖9 洞樁法拱頂沉降曲線圖

改良注漿加固方案，最終地表沉降值為6.7mm，滿足設(shè)計(jì)要求以及對地表橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降控制。

(1)左線采用單層洞樁法施工，右線采用CRD工法施工(因線間距小，不能布置兩個(gè)洞樁結(jié)構(gòu));

(2)對洞樁小導(dǎo)洞實(shí)施全斷面超前帷幕注漿固結(jié)地層，固結(jié)范圍:外輪廓線5m范圍內(nèi)，采用水泥砂漿，注漿終壓:0.5MPa。

方案的優(yōu)點(diǎn):

①不妨礙交通，節(jié)約鋼筋砼隔離樁，節(jié)約大管棚;

②改為開設(shè)小導(dǎo)洞減小了擴(kuò)散及擾動(dòng)范圍，發(fā)揮了挖孔樁承載力大，對土體擾動(dòng)小;

③小導(dǎo)洞全斷面超前帷幕注漿固結(jié)地層，又一次減小了擴(kuò)散角，對控制沉降起了決定性的作用。下穿安華橋橋基最終實(shí)施方案見下圖:

圖10 單層洞樁法下穿安華橋方案圖

3 現(xiàn)場施工效果

(1)通過單層洞樁法與帷幕注漿相結(jié)合方案下穿三環(huán)主路，確保了安華橋的安全，由于技術(shù)先進(jìn)，措施得力，橋基施工期間總沉降量僅3.5mm(圖11)，通過當(dāng)年特大暴雨的考驗(yàn)，該橋完好無損，交通持續(xù)正常，受到業(yè)主及社會(huì)各界好評(píng)。

(2)單層洞樁與原方案相比:節(jié)約Φ1000mm鉆孔灌注樁760m，節(jié)約Φ108mm大管棚2520m，工期提前30天，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖11 安華橋橋基沉降歷時(shí)曲線

圖12 單層洞樁法段拱部二襯施工

以上過程可以看出:通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案減小了施工風(fēng)險(xiǎn);通過采取一系列的措施，使風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為安全;通過設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案，可將風(fēng)險(xiǎn)損失降至最少;達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的目的。

4 結(jié)論與討論

由于安華橋站位于北京北三環(huán)主路上，無法進(jìn)行降水施工。為保證車站暗挖施工的無水作業(yè)條件，同時(shí)結(jié)合針對橋基的保護(hù)方案綜合考慮工程技術(shù)措施，在車站靠近橋基側(cè)的暗挖單層段采用了“洞樁法+洞內(nèi)帷幕深孔注漿止水和加固”組合設(shè)計(jì)方案，施工引起的橋基總沉降量僅為3.5mm，橋梁處于安全可控狀態(tài)，取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)方案及技術(shù)措施同時(shí)為地鐵建設(shè)提供了良好的工程實(shí)例，對今后的類似工程具有很強(qiáng)的借鑒和指導(dǎo)意義。

［1］中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司.北京地鐵8號(hào)線二期工程安華橋站施工圖設(shè)計(jì).北京，2011.

［2］北京市地質(zhì)工程勘察院.北京二地鐵8號(hào)線二期工程02合同段巖土工程勘察報(bào)告.北京，2007.

［3］李立.北京地鐵8號(hào)線二期南段工程設(shè)計(jì)與施工.隧道建設(shè).2013，33(12):983～988.

［4］劉肖.北京地鐵暗挖車站超近距離下穿既有橋梁施工技術(shù).城市建設(shè)理論研究.2012(4):1－11.

［5］任偉強(qiáng).暗挖地鐵車站下穿橋梁施工關(guān)鍵技術(shù).城市建設(shè)理論研究.2014(9):1－2.