史磊磊,張仲宇,王 凱,張帆博

(1.北京市市政四建設工程有限責任公司,北京 100176； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

引言

在立交橋區(qū)布置的地鐵車站往往需要從市政橋梁基礎(樁基礎或擴大基礎)側面或下方穿過，地鐵車站施工會擾動橋梁基礎周圍的地層，從而導致鄰近橋梁基礎產生沉降。為確保鄰近橋梁使用安全和地鐵工程施工安全，需要研究地鐵車站開挖對鄰近橋梁基礎的影響程度，并采取相應的保護措施[1-6]。目前的研究更多的是關注隧道施工以及車站標準斷面施工對鄰近橋梁基礎的影響[7-10]，為進行暗挖地鐵車站主體結構施工，需要垂直車站走向設置若干個施工橫通道，并從施工橫通道的兩側壁開洞進行車站主體結構的施工。

施工橫通道與車站主體結構的相交部位為空間交叉結構，暗挖地鐵車站工程實踐表明：該部位施工工序多，對周邊地層多次擾動，由于施工擾動的疊加效應，導致該部位地層沉降大[11-13]，對鄰近橋梁基礎的影響效應突出。北京地鐵12號線安貞橋站主體結構側穿安貞東橋和安貞西橋，其中安貞東橋采用斜腿剛構+擴大基礎結構，這種橋梁基礎形式的最大特點是對差異變形極為敏感，目前幾乎沒有對于該類型橋的近接施工保護措施研究報道，而用于施工該站主體結構的2號和4號施工橫通道就布置在擴大基礎兩側。根據安貞東橋變形控制要求，提出了“超前深孔注漿”和“超前深孔注漿和地表隔離樁聯合使用”等兩種保護措施。并對兩種保護方案分別建立了三維計算模型，采用數值模擬方法對兩種方案的實施效果進行計算分析。根據數值模擬計算結果并結合工程實際情況，確定了對鄰近安貞東橋的保護措施。

1 工程背景

由于受到北三環(huán)主路的制約，北京地鐵12號線安貞橋站為暗挖雙層分離島式車站，結構形式為單跨無柱結構，車站主體左、右線分別位于北三環(huán)主路的安貞橋南、北兩側輔路下，采用洞樁法(PBA工法)施工。標準段覆土厚14.9 m，局部下沉段覆土厚16.6 m，局部挑高段覆土厚11.35 m，車站主體結構主要位于粉質黏土、粉細砂和卵石-圓礫層。

地鐵安貞橋車站左、右線主體結構以及2號和4號施工橫通道與鄰近安貞東橋位置關系見圖1、圖2。橫通道為高邊墻結構，共分為5層，采用CD法開挖。橫通道施工完成后，在橫通道的東、西兩側側壁開馬頭門，向東、西兩端進行導洞施工、導洞內的邊樁施工以及扣拱施工和車站主體結構的施工等。

圖1 車站結構與安貞東橋平面位置關系示意(單位：m)

圖2 車站結構與安貞東橋斷面位置關系示意(單位：m)

安貞東橋結構體系為斜腿剛構，主梁采用鋼筋混凝土變截面連續(xù)T梁，橋梁縱向跨徑為8.5 m+17.5 m+8.5 m；中墩為變截面斜腿形式，兩個預制的斜腿并排組成結構上的一個受力單元，柱頂為60 cm×89 cm矩形斷面，與擴大基礎連接的鉸處為45 cm×30 cm矩形斷面，預制斜腿通過現澆柱頂橫梁與主梁形成整體；下部采用現澆擴大基礎，如圖3所示。

圖3 安貞東橋縱剖面(高程單位為m，其余為cm)

2 橫通道與車站主體交叉部位施工對安貞東橋影響分析

安貞東橋鄰近車站主體結構及施工橫通道，特別是橫通道與車站主體交叉部位施工對安貞東橋影響更為顯著。

(1)車站主體結構左、右線結構邊線距安貞東橋的東、西側擴大基礎水平凈距均小于2 m(圖1)，橋梁基礎全部處在車站左線和右線主體開挖影響破裂面之內。

(2)2號、4號施工橫通道位于安貞東橋的東、西兩側的擴大基礎之間，橫通道端部距離安貞橋擴大基礎最近距離均在2 m左右，待橫通道施工完成之后，需要在其兩側壁開洞向東、西兩個方向進行車站主體結構的施作，形成空間交叉結構。在橫通道兩側由橫通道進入車站正洞施工，都需要分兩次破除橫通道側壁初期支護，第一次從橫通道進入車站主體小導洞施工，第二次從橫通道結構向車站正洞的開挖和結構過渡。這樣橋梁擴大基礎將受到橫通道施工、橫通道側壁開馬頭門施工、車站主體導洞施工、車站主體結構扣拱施工以及車站主體結構施工的疊加影響。

由于橫通道與車站主體結構的相交部位為空間交叉結構，該部位結構施工工序多，結構受力轉換復雜，施工對橋梁擴大基礎周圍地層產生多次擾動。

(3)一般來說，當橋梁基礎為擴大基礎時，抵抗差異沉降的能力較差[14-15]。而安貞東橋的基礎不但是擴大基礎，且橋梁上部結構為鋼筋混凝土鉸接斜腿剛構，主梁橫向通過橫梁及現澆連續(xù)橋面板連成整體，主梁與斜腿為剛接，斜腿與基礎為鉸接?；A的縱向、橫向差異沉降會導致主梁及主梁與斜腿節(jié)點內力發(fā)生變化，過大的內力變化會使關鍵截面混凝土開裂，導致橋梁的承載能力降低，影響橋梁的安全性及耐久性。

因此，本橋對各項變形指標控制極其嚴格，橋梁各項變形指標控制值如下：橋梁基礎最大沉降控制值10 mm，橫橋向相鄰中墩墩柱不均勻沉降控制值為1 mm，各墩縱向差異沉降控制值為2 mm。

3 安貞東橋保護措施研究

根據文獻[16]關于地鐵車站鄰近橋梁風險等級的風險劃分方法，結合北京地鐵鄰近風險源的風險等級劃分方法，安貞橋站施工對安貞東橋的影響風險等級為“一級風險”,必須采取“先加固橋梁基礎、后地鐵車站穿越”的施工措施。為此提出了兩種對鄰近安貞東橋的保護方案，方案1：洞內超前深孔注漿；方案2：洞內超前深孔注漿與地表打設隔離樁相結合的方法進行保護。

3.1 超前深孔注漿

注漿可以有效地對施工影響范圍內土體進行加固，減小其變形[17]，是地下工程施工中常用的行之有效的加固方法。此次施工中采用超前深孔注漿的方式代替小導管注漿，超前深孔注漿每次打設長度9 m，搭接長度3 m。采用水泥-水玻璃雙液漿對導洞開挖輪廓、靠近橋基礎一側邊墻以及大拱開挖輪廓外放1.5 m，內放0.5 m的范圍內的土體進行加固，注漿斷面如圖4所示。

圖4 車站主體注漿斷面(單位：mm)

3.2 隔離樁保護措施

在地鐵工程和鄰近橋梁之間設置隔離樁，可有效降低地鐵施工的影響[18]。在安貞東橋兩個擴大基礎與左、右線主體結構之間設置隔離樁，PBA工法對地層影響最大的階段為小導洞開挖和拱部土體開挖階段，下層土體開挖時由于圍護樁的存在，對地層擾動不大，隔離樁的樁端宜在小導洞底板下3 m左右，因此樁長設置為25 m。隔離樁形式為φ800 mm的鉆孔灌注樁，間距為1 200 mm。樁的平面、縱剖面布置分別如圖5、圖6所示。

4 橫通道與車站主體空間交叉部位施工對鄰近橋梁影響計算分析

4.1 計算模型

圖5 隔離樁布置平面

圖6 隔離樁布置縱剖(單位：mm)

為有效控制車站空間交叉部位施工對鄰近安貞東橋的影響，提出了“洞內采用超前深孔注漿”和“洞內超前深孔注漿+地表隔離樁”等2個保護方案，并分別建立三維計算模型，如圖7所示。其中左、右線主體結構縱向長60 m，2號和4號橫通道縱向長度分別為53.6，56.65 m，橋面尺寸為45 m×35 m，兩個擴大基礎尺寸為x×y×z=45 m×7.5 m×2 m。計算模型尺寸為x×y×z=200 m×60 m×60 m。

圖7 車站交叉結構與安貞東橋的三維計算模型

地層物理力學參數見表1，車站結構及橋梁結構物理力學參數如表2所示。

表1 土層分布及土體屬性

表2 車站結構及橋梁結構物理力學參數

為便于分析橫通道與車站主體結構的相交部位施工對鄰近橋梁影響，在橋梁擴大基礎的4個角處各布置1個測點(取值點)，兩個擴大基礎共布置8個測點(取值點)，如圖8所示。

圖8 測點(取值點)布置

4.2 計算結果分析

4.2.1 橋梁擴大基礎沉降分析

在橫通道與車站主體結構的相交部位施工階段，橋梁擴大基礎的8個角點(取值點)沉降曲線如圖9、圖10所示。

圖9 洞內超前深孔注漿方案擴大基礎典型測點沉降曲線

圖10 洞內超前深孔注漿+隔離樁方案 擴大基礎典型測點沉降曲線

計算結果分析如下。

(1)在僅實施洞內超前深孔注漿措施情況下，西側擴大基礎最大沉降值為16.9 mm，東側擴大基礎最大沉降值為17.7 mm，均已超過擴大基礎允許的最大沉降值。

(2)在實施“洞內超前深孔注漿+隔離樁”措施情況下，西側擴大基礎最大沉降值為9.3 mm，東側擴大基礎最大沉降值為9.2 mm。

4.2.2 橋體應力分布

(1)最大主應力分布

最大主應力分布云圖如圖11所示。

圖11 最大主應力云圖

僅實施洞內超前深孔注漿情況下最大拉應力出現在擴大基礎的邊角處，大小為1.21 MPa；在采取“洞內超前深孔注漿+隔離樁措施”的情況下最大拉應力出現在中墩(斜腿)與橋面連接處，大小為1.14 MPa。

(2)最小主應力分布

最小主應力分布云圖如圖12所示。

圖12 最小主應力云圖

在僅實施洞內超前深孔注漿情況下，最大壓應力出現在中墩(斜腿)的腿腳處，大小為2.73 MPa；在采取“超前深孔注漿+隔離樁”措施的情況下最大壓應力位于邊墩處，大小為2.27 MPa。

(3)最大剪應力分布

最大剪應力分布云圖如圖13所示。

圖13 最大剪應力云圖

僅實施洞內超前深孔注漿情況下最大剪應力出現在中墩(斜腿)的腿腳處，大小為1.40 MPa；在采取“洞內超前深孔注漿+隔離樁措施”的情況下最大剪應力位于邊墩處，大小為1.26 MPa。

綜上所述，由上述兩種橋梁加固保護方案模擬結果可知：

(1)采用“洞內超前深孔注漿+隔離樁”加固方案，能有效控制橋梁擴大基礎的沉降，但是也接近了擴大基礎沉降控制指標；

(2)在采取洞內超前深孔注漿+隔離樁措施的情況下，橋體的最大拉應力、最大壓應力以及最大剪切應力相比洞內超前深孔注漿方案略有減小，改善效果不明顯，但兩種加固方案的橋體拉應力、壓應力和剪應力均未超過材料強度值，因此，在車站交叉結構施工階段，應著重控制安貞東橋擴大基礎的沉降。

5 橋梁擴大基礎變形監(jiān)測結果分析及后續(xù)施工措施

目前車站交叉結構部位已經完成橫通道的上層2個導洞施工，并在導洞兩側開馬頭門，完成了車站導洞開挖以及導洞內的鉆孔灌注樁施工，截至到2019年5月31日，橋梁基礎及下部墩柱結構變形指標監(jiān)測值如下。

(1)橋梁擴大基礎沉降最大值為7.32 mm(控制值10 mm)，出現在安貞東橋西側擴大基礎的5號測點部位。

(2)橫橋向相鄰中墩墩柱不均勻沉降控制值為0.68 mm(控制值1 mm)，出現在安貞東橋西側擴大基礎上方的北邊兩個相鄰墩柱。

(3)墩柱縱向差異沉降最大值為1.56 mm(控制值2 mm)，出現在安貞東橋北側的東、西兩個相鄰墩柱。

上述的橋梁基礎沉降監(jiān)測值、橫橋向相鄰中墩墩柱不均勻沉降監(jiān)測值以及各墩縱向差異沉降監(jiān)測值均已超過預警值(預警值為控制值的60%)，根據類似工程的施工經驗，橫通道和導洞開挖的沉降值往往只占總沉降控制值的40%左右，顯然目前橋梁擴大基礎及下部墩柱結構沉降控制效果不太理想。

造成橋梁擴大基礎及下部墩柱結構沉降超預警值的原因既有客觀原因，也有施工措施不到位的原因?？陀^原因在于暗挖車站橫通道與車站主體結構相交部位與橋梁擴大基礎距離較近；施工原因有三點：其一，橫通道和導洞拱部地層主要為粉質黏土層，超前深孔注漿效果很難達到設計要求(設計要求注漿后的土體強度為0.5 MPa)；其二，粉質黏土地層施工降水引起的地層固結沉降較大；其三，導洞內的邊樁施工對鄰近擴大基礎造成的影響，但目前還沒有比較有效的方法來計算評估這種影響。

因此在后續(xù)施工中必須通過“調整拱部開挖方案、加強支護結構及加強地層注漿”等措施嚴格控制地層沉降。經方案研討，在后續(xù)車站拱部扣拱施工和主體結構施工中決定采取以下措施：

(1)洞口部位的拱部開挖方案由臺階法改為CD法施工；

(2)拱部增加超前小導管注漿加固措施；

(3)車站左、右線主體結構扣拱盡量同步實施，以減少橋梁擴大基礎差異沉降。

6 結語

安貞東橋下部結構形式為斜腿剛構，下接現澆擴大基礎，結構形式特殊，對差異變形極為敏感。由于全部擴大基礎均進入地鐵車站開挖影響范圍，因此必須采取有效措施確保橋梁的安全。

(1)安貞橋站施工橫通道與車站主體結構相交部位為空間交叉結構，該部位的施工將對鄰近橋梁擴大基礎周圍的地層多次擾動，根據該部位與安貞東橋的位置關系及橋梁結構特點，將施工對安貞東橋的影響風險等級確定為“一級風險”。提出采取“先加固橋梁基礎、后地鐵車站穿越”的鄰近橋梁保護原則。

(2)提出“洞內超前深孔注漿”和“洞內超前深孔注漿+地面施作隔離樁”兩種對鄰近安貞東橋的保護措施。

(3)基于有限差分數值模擬方法，對兩種橋梁保護方案建立三維計算模型，分析了不同方案的橋梁結構受力特點及擴大基礎的變形特征，計算結果表明：兩種加固方案的橋體拉應力、壓應力和剪應力均未超過材料強度值，但“洞內超前深孔注漿與地表設置隔離樁”相結合的保護方案對橋梁擴大基礎的變形控制效果更好。

(4)在車站交叉結構施工階段，應著重控制安貞東橋擴大基礎的沉降，尤其是差異沉降。

(5)分析了目前施工階段橋梁下部結構和擴大基礎沉降監(jiān)測數據超預警值的原因，提出了后續(xù)的施工對策。