盧彬彬，李現朋

（1、中鐵第六勘察設計院集團有限公司 天津 300308；2、中鐵隧道股份有限公司 鄭州 450000）

0 引言

隨著城市的迅速發(fā)展，地鐵成為城市建設中不可缺少的部分［1］。在城市中修建地鐵將不可避免地下穿或側穿橋梁等建筑，因此在地鐵建設及運營階段需對橋梁等建筑采取有效的施工及保護措施，避免建筑發(fā)生沉降、傾斜甚至開裂，造成重大損失［2］。洞樁法結合蓋挖法及暗挖法的特點，可以有效控制地表沉降、并由于施工效率高、結構形式靈活、空間利用率高等優(yōu)點，在城市地鐵中得到廣泛的應用［3］。由于洞樁法施工力系轉換頻繁，因此洞樁法施工對臨近橋梁的影響研究極為重要。

針對地鐵車站洞樁法施工對臨近橋梁的影響，國內外學者展開了多方面的研究。李藝博［4］通過理論分析鄭州市洞樁法隧道側穿高架橋的變形規(guī)律，對洞樁法施工方案進行優(yōu)化。林森等人［5］通過洞樁法施工過程對挖掘空間及橋梁基礎之間土體注漿加固，并用有限元模型模擬注漿前后橋梁內力變化情況。張志勇［6］通過數值模擬分析北京地鐵16 號線紅蓮南里站施工對南馬連道蓮花河跨河橋的影響，并制定合理的施工工序。岳健等人［7］通過數值模擬及現場監(jiān)測研究洞樁法隧道開挖過程對地下街群樁的影響。趙亮等人［8-10］也進行了類似的研究。

洞樁法的施工過程主要包括4 個階段：導洞施工階段、樁柱施工階段、扣拱施工階段、主體施工階段［11］，不同的施工階段對橋樁產生不同的力學作用。結合廣州地鐵13 號線某地鐵站站下穿既有人行天橋工程，研究洞樁法施工過程人行天橋沉降變形規(guī)律，并提出相關保護措施，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 總體工程概況

廣州地鐵13號線某地鐵站位于東風路下方，倉邊路東側。車站為地下兩層島式車站，采用洞樁法施工。車站上方設置3 條小導洞，小導洞凈寬5.4 m，洞內凈高度4.8 m，拱頂覆土約12.7 m，位于強風化粉砂質泥巖，局部拱頂分部有較厚的中粗砂層。小導洞拱頂采用小導管或大管棚超前支護。

車站北側有一處跨東風路人行天橋，天橋長約40 m，主橋為焊接鋼箱梁門型鋼架，樁基采用φ1 200 mm鉆孔樁，長12 m。人行天橋南側樁基與車站小導洞沖突2 m，且位于車站扣拱拱頂正上方，后期施工風險極大。洞樁法施工工序如圖1所示。

圖1 施工工序Fig.1 Construction Process

1.2 施工現狀

廣州地鐵13 號線某地鐵站設置3 個豎井及橫通道，其中1#豎井和橫通道緊鄰人行天橋，1#豎井采用倒掛井壁法施工，橫通道采用暗挖法施工，上2層下3層分部開挖。1#豎井和橫通道施工過程中對人行天橋已造成22 mm 沉降，東風路作為廣州市快速主干路，此處人行天橋作為倉邊路東側唯一行人通道，影響意義極大。根據廣東省標準《城市橋梁隧道結構安全保護技術規(guī)范：DBJ∕T 15-213—2021》［12］確定車站暗挖開挖作業(yè)對外部橋梁結構的影響等級為特級。在施工車站主體小導洞時，對橋樁進行截樁，并支頂處理，存在極大的安全風險。車站總平面如圖2所示。

圖2 車站總平面Fig.2 Station Master Plan

2 設計措施

小導洞作為洞樁法邊樁的施工空間，在洞樁法施工過程中必須達到小導洞洞通的節(jié)點任務。所以在小導洞施工時需截斷與人行天橋橋樁沖突的部分，截斷2 m 長橋樁后會降低樁基承載力，不可避免地造成橋樁的沉降。

人行天橋現狀橋樁南北側各2 根直徑1.2 m 的鉆孔樁，樁長12 m，進入中風化巖1 m，橋樁單樁承載力為100 t，即1000 kN。根據《建筑樁基技術規(guī)范：JGJ 94—2008》［13］式⑴計算可得，人行天橋截樁后樁基承載力為823 kN，不滿足當初設計的1 000 kN承載力的要求。

式中：R為樁基承載力（kN）；qp為樁基極限端阻力（kPa）；Ap為樁端面積（m2）；up為樁身周長（m）；qsi為樁側第i層土極限側阻力（kPa）；lni為樁周第i層土厚度（m）。

因此，設計考慮在南側應急車道位置增加2 m×5 m承臺并進行鋼管柱托換，承臺下設32 根間距0.5 m×0.5 m、長度約8～10 m 的鋼花管樁加固處理。共設計32根鋼花管，總的補強承載力特征值為648 kN。經托換加固后補充的與原有樁剩余的承載力合計為：2×823+648=2 294 kN，合計大于原設計承載力（2 根樁）2 000 kN，為此驗算整體工況滿足承載力要求。車站與橋樁剖面位置關系如圖3所示。

圖3 車站與人行天橋剖面關系Fig.3 Sectional Relationship between Station and Pedestrian Bridge

巖土工程的三大問題為：強度問題、變形問題和穩(wěn)定性問題。以上驗算僅考慮了強度問題，基于工程的復雜性，對于變形問題和穩(wěn)定性問題難以進行公式量化的計算，因此在設計之后需要進行定性的手段進行分析工程施工過程中的沉降和穩(wěn)定性問題。

3 施工技術

人行天橋保護采用微型鋼管樁+地層注漿加固+承臺支頂的形式，具體施工流程如下：微型鋼管樁施工?地層注漿加固?混凝土承臺施工?型鋼及鋼管柱安裝。

3.1 微型鋼管樁施工

⑴鋼管制作焊接：鋼管采用φ42 mm 的無縫鋼管，按照設計要求確定單節(jié)下料長度為2 m，滿足橋下限高的作業(yè)條件；鋼管料提前在施工場地完成加工，運輸至施工現場，管節(jié)之間采用套管連接牢固。

⑵測量放線：根據設計要求的間距、排距及設計提供的標高進行測量放線。確定鋼管樁施工區(qū)域，鋼管樁300 mm×500 mm矩形布置，進入強風化地層不小于1 m。

⑶人工探孔：使用小型挖機對地面硬化層破除，再由人工采用洛陽鏟進行人工探測地下管線情況，取土探孔深度均大于3 m，避免了鉆孔作業(yè)對周邊管線的影響。

⑷鉆孔作業(yè)：首先鉆孔機安放在指定位置，防止傾斜；鉆桿抬至鉆機旁，按照測量放線鉆桿垂直定位，水管與鉆桿接在一起，啟動鉆機與水管，慢慢鉆進；每鉆進深2 m連接1次鉆桿，直至得到設計有效深度。

⑸鋼管安裝：首先清理樁孔內的虛渣，并將孔內泥漿全部排出，孔底沉渣厚度不得大于50 mm。待孔清洗后在孔內安裝預先制作好的鋼管，管節(jié)之間采用套管連接牢固，鋼管露出地面200 mm，便于后續(xù)接入注漿管。

3.2 地層注漿加固

微型鋼管樁施工完成后，進行地層注漿加固，按照要求現場選用水泥漿作為加固漿液，水泥漿采用專用機械進行拌制，水灰比控制在0.6～1.0 之間；注漿管由注漿機支節(jié)接入鋼管頭的注漿球閥，接口采用絲口連接，注漿管采用橡膠管輸送。

由于1 次注漿難以得到沖盈系數要求，現場采用多次間隔注漿3～5 次，注漿壓力為0.3～0.5 MPa，以確保地層加固效果。

在注漿過程中，安排專人進行洞內及地表管線變形監(jiān)測，未發(fā)現異常。

3.3 混凝土承臺施工

承臺基礎設置于原路面以上，首先在地面放出承臺底標高，按此澆注混凝土墊層，制安承臺基礎鋼筋，承臺鋼筋安裝采用定位架控制鋼筋的保護層和鋼筋間距。定位架采用3 cm×3 cm 方形鋼管制作，通過在定位架上按照設計間距焊接定位卡來控制鋼筋的保護層。然后安裝模板，模板采用15 mm 竹膠板+10 cm×10 cm 方木組成，模板固定采用φ42 鋼管作為豎向肋管及斜撐鋼管，每組2根，間距500 mm一組，地面錨固φ32 鋼筋提供后綴反力。最后安裝預埋鋼板，灌注混凝土，完成承臺施工。

3.4 型鋼及鋼管柱安裝

⑴型鋼構件制安：南側橋梁底部支頂位置為斜面，為保證支頂鋼管支頂體系順利傳力，在梁底設置楔型型鋼，地面應平整，實測梁底相關尺寸，計算得知梁底坡度為33%，型鋼采用I300 工字鋼，按該坡度需下料890 mm 工字鋼4 根，將工字鋼按對角氣割成兩半，便可滿足坡度要求，隨后將割除的工字鋼兩兩進行雙拼焊接成1 組，共設置4 組。現場通過臨時腳手架，利用叉車將型鋼升至梁底，按提前測量放線定位部位與橋梁底部進行滿焊。型鋼構建制安如圖4所示。

圖4 型鋼構件制安Fig.4 Steel Structure Installation

⑵鋼管柱安裝：鋼管在現場按尺寸下料好后，兩端焊接2 cm 鋼板，鋼管直徑為630 mm，壁厚16 mm，焊接鋼板直徑為650 mm，加工完成后采用隨車吊運至現場，平放在地面，在頂部端頭鋼板上開孔，采用鎖扣及鋼絲繩作為吊裝繩具，依靠5 t叉車調離地面至豎直向下狀態(tài)，人工輔助放入承臺上，頂部進入型鋼底部，與型鋼緊貼后，進行焊接成整體。承臺上采用16 mm膨脹螺栓進行錨固固定鋼管。天橋支頂保護效果如圖5所示。

圖5 天橋支頂保護Fig.5 Overpass Roof Protection

4 洞樁法施工對橋樁的影響分析

本節(jié)通過三維有限元計算方法，進行分析洞樁法在不同施工階段對人行天橋造成的影響，得出定性判斷的數據來證明設計措施的合理性。

4.1 計算模型及參數

采用地層-結構模型模擬實際工況，豎井和橫通道開挖完畢后將位移清零，截斷人行天橋橋樁后進行導洞開挖，導洞貫通后施工邊樁，最后進行開挖主體頂部并進行扣拱。

模型中場地地層根據勘察鉆孔資料進行適當歸并而得，且偏向不利的地層組合狀況。地層自上而下依次為：素填土、淤泥質土、中粗砂、粉質黏土、強風化粉砂質泥巖、中風化粉砂質泥巖等。模型的大小（長×寬×高）為120 m×100 m×40 m。考慮巖土體為半無限體，模型以外不再考慮變形，即設定為固定邊界。因此對模型底部約束Z方向位移，模型前后面約束Y方向位移，左右面約束X方向位移。模型頂面考慮地面活動荷載和其他相應荷載，如圖6所示。

圖6 三維模型Fig.6 Three-dimensional Model

4.2 計算結果分析

根據模型及邊界條件進行計算，對計算結果進行分析。圖7為車站開挖完畢后對橋樁的位移影響云圖。

圖7 橋樁沉降Fig.7 Bridge Pile Settlement

根據計算分析，車站在扣拱開挖過程中對人行天橋的影響最大，引起的南側橋梁樁基最大沉降為-26.040 mm，由于橋梁周邊承臺樁基礎也發(fā)生沉降，北側墩臺與南側墩沉降差為23.840 mm。橋樁沉降計算結果小于沉降設計標準30 mm 的限值，橋樁北側距離車站拱部邊線還有7 m 的水平距離，車站開挖對北側橋樁影響較小，所以會造成南北側橋樁差異沉降遠大于3 mm的標準的結果。

4.3 地下水位變化影響分析

車站1#豎井及橫通道施工過程中造成了地下水位的下降，地下水位下降使得土體有效應力增大，土體產生壓縮變形，造成地表及橋樁發(fā)生一定量的附加沉降。采用三維模型模擬降水2 m時對橋樁造成的影響，結果如圖8所示。

圖8 降水對橋樁沉降影響云圖Fig.8 Cloud Map of the Influence of Precipitation on Bridge Pile Settlement

地下水位下降2 m 時，人行天橋橋樁基礎結構的最大水平位移量為+7.790 mm，最大豎直沉降位移量為-27.407 mm?？梢姡叵滤幌陆禃θ诵刑鞓驑痘A產生一定程度的影響。

5 現場監(jiān)測數據分析

施工期在地面布置了2 處橋樁監(jiān)測點和3 處支頂應力監(jiān)測點。監(jiān)測點布置如圖9所示。

圖9 監(jiān)測點布置Fig.9 Layout of Monitoring Points

施工期間連續(xù)對橋梁進行了1.5 個月的監(jiān)測，直到車站導洞施工完畢，橋梁沉降區(qū)域穩(wěn)定。監(jiān)測數據如圖10 所示。

圖10 橋樁監(jiān)測數據統計Fig.10 Statistical Chart of Bridge Pile Monitoring Data

人行天橋監(jiān)測數據累計沉降最大的是JC002測點為-7.88 mm，JC001、JC002差異沉降值為-0.01%，支頂應力最大值為42.75 kPa。橋樁沉降數據遠小于三維建模計算的26.04 mm，分析原因為本次現場工況為導洞開挖，最不利位置為扣拱工況，該工況尚未發(fā)生，從應力計數值分析可知，橋樁在主動沉降過程中，支頂起到了主動頂升的作用，減緩了橋樁沉降的速率。

6 結論

本文針對廣州地鐵13 號線某車站站洞樁法施工對人行天橋的影響進行分析，得出以下結論：

⑴車站采用洞樁法施工，最不利工況為扣拱開挖時期，經三維計算天橋橋樁最大水平位移為+6.722 mm，最大沉降為-26.040 mm。整體沉降小于控制值30 mm，車站施工過程中不會對天橋造成較大影響。

⑵在車站豎井和橫通道施工期間造成了地下水位的下降，不可避免地增加了天橋沉降的速率。鑒于地下水位下降對人行天橋結構產生一定程度的影響，施工時應嚴格控制靠近人行天橋結構的地下水位的變化，從數值分析結果推斷，地下水位下降幅度控制值為不大于2.0 m。同時在靠近人行天橋附近預設一定數量的回灌井。

⑶人行天橋南端的樁基礎共設置2根樁，因導洞開挖進行了截樁處理，但因在南端的應急車道上設置了托換的微型樁、承臺和鋼管柱，經復核計算經托換處理后的橋樁承載力滿足要求，從現場監(jiān)測數據看出，在橋樁沉降的過程中鋼管柱起到了主動的頂升作用。

⑷水對洞樁法施工的影響至關重要，施工過程中應嚴密監(jiān)視地下水水量和水質，重視地層中殘留水及滲漏水的處理，必要時對水的成分進行鑒定，判定水的來源和地層損失情況，發(fā)現流砂等不良現象應立即采取有效補救措施。

⑸洞樁法施工工序繁雜，每個施工工序都會對周邊環(huán)境產生一定影響，本文監(jiān)測數據僅反應了導洞施工對環(huán)境的影響，而扣拱開挖現場并沒有進行，因此缺少相應數據支撐。