基于土壓平衡的新建框架橋配重頂進法上穿施工關鍵技術

李 玲

(北京城建設計發展集團股份有限公司， 北京 100045)

基于土壓平衡的新建框架橋配重頂進法上穿施工關鍵技術

李 玲

(北京城建設計發展集團股份有限公司， 北京 100045)

以北京市東外斜街跨北環水系框架橋上穿機場線區間隧道工程為例，通過對框架橋周邊環境、與機場線隧道相對位置以及地質條件的描述，分析工程設計關鍵點；針對配重頂進工法、壓頂后明挖施工及普通明挖工法3種設計方案，采用地層-結構模型計算分析各方案對機場線隧道的影響；最后介紹配重頂進工法的實施情況，并總結上穿既有結構工程上浮變形控制技術的核心。

城市軌道交通； 上穿工程； 配重頂進法； 框架橋

隨著城市建設的發展，越來越多的新建市政工程需要穿越城市軌道交通運營線路。穿越施工將不可避免地引起軌道交通運營線的洞體結構發生變形，過大的變形將危及運營安全。因此，軌道交通運營線對變形控制極其嚴格，這就對穿越軌道交通運營線的市政工程設計提出了極大挑戰。

近年來，我國對新建市政工程下穿軌道交通運營線的沉降控制技術進行了大量的研究，通過工程實踐，超前注漿加固、管幕支護、千斤頂主動支頂等沉降控制技術已日趨成熟。相比之下，對上穿施工引起的軌道交通運營線地下結構上浮變形控制技術研究較少，設計人員對于地下結構的上浮變形控制往往束手無策。

1 工程概況

1.1框架橋概況

北京市東外斜街屬于東直門公交樞紐的市政配套工程，為城市主干道路，大致呈西南—東北走向，南起東直門外大街，經左家莊西街，北至新東路，全長1257m，道路下方埋設有軌道交通機場線東直門站—三元橋站區間隧道。東外斜街在里程K0+808.250位置跨越北環水系規劃河道[1]，水系在下，道路在上，見圖1。

圖1 東外斜街總平面Fig.1 General layout of Dongwaixie in Dongzhimen of Beijing street

為實現北環水系的貫通，需要在交叉節點修建一座框架橋，擬建框架橋橋面寬67m，橫斷面為11.5m兩孔箱涵，每孔凈高約6.6m[2]，見圖2。

圖2 框架橋橫斷面Fig.2 Cross section of a frame bridge

1.2機場線概況

擬建東外斜街跨北環水系框架橋位于軌道交通機場線東直門站—三元橋站區間隧道上方。機場線為地下2個單線盾構隧道，隧道內徑5.4m，外徑6.0m，左、右線隧道水平凈距約7.0m。隧道頂部埋深約16.9m[3]，與擬建框架橋底板豎向凈距為8.71m。框架橋中心線與機場線交角為82°15’，穿越位置處機場線線路平面為直線，二者平剖面關系如圖3所示。

1.3地質概況

擬建場地地層屬永定河沖洪積扇東南部，地層由上至下依次為[4]：

人工堆積地層(Qml)：包括亞黏土填土①層、雜填土①1層；第四紀全新世沖洪積地層(Q4al+pl)：包括亞黏土②層、亞砂土②1層;第四紀晚更新世沖洪積地層(Q3al+pl)：包括亞黏土③層、亞砂土③1層、圓礫④層、細中砂④1層、亞黏土⑤層、圓礫⑥層、細中砂⑥1層、亞黏土⑦層、細中砂⑧層、亞黏土⑨層、細中砂⑩層。

場區附近存在3層地下水，地下水類型為上層滯水、潛水和承壓水。上層滯水、潛水水位埋深分別是2.10m、24.60m，承壓水水頭埋深為29.16m。

擬建框架橋基底土層為亞黏土②層、亞砂土②1層，未進入潛水及承壓水層。

2 設計關鍵點

框架橋上穿施工將對機場線隧道形成卸荷效應，必然引起隧道結構產生附加內力和變形。由于隧道是細長結構，因此主要以縱向上浮變形為主。

機場線的運營安全需要軌道結構安全及隧道結構安全來保障，前者的允許變形值比后者更為嚴苛。參考上海地區盾構隧道的變形控制標準[5]，隧道結構只要總上浮量不超過20 mm及曲率不大于1/15 000，則盾構隧道本身不會發生破壞。但是，根據機場線線路特性及運營管理的技術要求，軌道結構的絕對上浮量不宜超過2 mm。因此，本工程的設計關鍵點在于嚴格控制機場線區間隧道的上浮變形，保證框架橋施工期間機場線隧道的上浮變形不超過2 mm。

圖3 框架橋與機場線隧道平、剖面關系Fig.3 Plane relation and profile relation between the frame bridge and the airport tunnel

3 設計方案比選

3.1配重頂進方案

上穿施工引起機場線隧道上浮的原因是土體卸載，若能控制施工期間的卸載量，就能控制機場線隧道的上浮變形。對比框架橋建成前后隧道所承受的豎向荷載發現，后者約占前者的80%，這意味著隧道有20%的豎向荷載為永久卸載。若框架橋采用明挖順作法施工，當基坑開挖到基底的時候，卸載量最大，此時隧道所承受的豎向荷載約占開挖之前豎向荷載的52%，卸載量達48%。永久卸載無法彌補，但施工期間的卸載量卻是可以控制的。若先在橋位旁邊修建好框架橋，并同步修建內部巡河道等附屬結構作為配重，再將橋體頂入預定橋位，頂進一步開挖一步，用框架橋及附屬結構的重量替換開挖土方的重量，則機場線隧道上方的卸載量最小，接近永久卸載量，僅占20%。頂進方案見圖4。

因框架橋施工期間東外斜街的地面交通不能中斷，因此67m長的橋體需要分期施工。考慮到機場線隧道在平面上并非處于框架橋的正中位置，而是偏于西側，為節約投資，將西側橋體采用配重頂進法施工,東側30m長的橋體采用普通明挖法施工，二者分界位置打設隔離樁。

圖4 頂進方案平剖面Fig.4 Plan and profile of jacking scheme

3.2壓頂明挖方案

壓頂明挖方案是應用抗拔結構抑制隧道上浮變形的原理，在框架橋基坑開挖前施作門形壓頂結構。具體來說，首先沿機場線左、右線隧道中間及兩側施作人工挖孔樁，樁徑1.5m，樁中心間距5m，樁長15m，樁底位于隧道底6m處。之后沿樁位開挖3個條形工作坑，坑底高于隧道頂3m，在工作坑內沿垂直于機場線線路方向頂進內直徑為1050mm的鋼筋混凝土頂管，而后在其內部灌注混凝土，并預留鋼筋將其錨入挖孔樁的樁頂冠梁內。為了使頂管下方的土體與頂管更好地協同工作，在工作坑內對頂管底與機場線區間隧道頂之間的土體進行注漿加固。橫向混凝土管與抗拔樁形成門形壓頂結構，之后再結合地面交通導改依次明挖順作東、西兩側橋體(見圖5)。

圖5 壓頂方案平剖面Fig.5 Plan and profile coping scheme

壓頂結構形成后，當明挖框架橋基坑時，門形結構通過抑制機場線隧道上方土體的回彈變形，從而抑制機場線隧道的上浮變形。但是，壓頂結構施工對機場線隧道也是一種擾動。壓頂結構越強，壓頂效應越好，但是壓頂結構施工對機場線隧道的擾動也越大。因此，該方案存在較大的風險。

3.3普通明挖方案

普通明挖方案就是不采取額外措施的明挖工法，結合地面交通導改依次明挖順作東、西兩側框架橋。

該方案施工簡便，投資少，但機場線隧道上浮變形超標的風險極大。

3.4方案比選

本工程的關鍵是控制軌道交通機場線隧道的上浮變形，因此，需要預測分析各個方案對機場線隧道的影響，框架橋施工所引起的機場線隧道上浮變形最小的方案即為最優方案。

變形預測可以通過理論計算來實現。本次采用地層-結構模型，通過MIDAS-GTS巖土與隧道結構有限元分析軟件，建立三維模型進行計算分析。經計算，各方案主要施工步序引起的機場線隧道底部的最大變形歷時曲線如圖6所示。

圖6 機場線隧道底部最大上浮變形歷時曲線Fig.6 The duration curve of the maximum upward of the bottom (track) of Airport Line tunnel

從圖6可以看出：

1)3個方案框架橋施工引起的機場線隧道的最大上浮值并不相同。其中，普通明挖方案的上浮值最大，達6.5mm，發生在基坑開挖階段；壓頂明挖方案的上浮值為5.8mm，變形主要發生在基坑開挖階段，說明壓頂結構未能有效抑制機場線隧道的上浮變形；配重頂進方案的最大上浮值最小，僅為0.8mm，在框架橋頂程一半的時候達到最大值。

2) 壓頂明挖方案和普通明挖方案中均有機場線隧道快速上浮和下沉情況，配重頂進方案中機場線隧道上浮變形較為平緩。施工結束時，機場線隧道底部縱向變形曲線如圖7所示。

圖7 機場線隧道底部(軌道)縱向變形曲線Fig.7 Longitudinal deformation curve at the bottom(track) of Airport Line tunnel

可以看出，機場線區間隧道發生上浮變形的區域大致是框架橋穿越中心兩側各60m的范圍。3個方案引起的機場線隧道上浮變形的曲率各不相同。其中，普通明挖方案和壓頂明挖方案的曲線陡度較為一致，曲率約為1/650000；配重頂進方案的曲線較為平緩，曲率約為1/3000000。

對比機場線隧道的變形控制標準，只有配重頂進方案滿足要求。因此，本工程確定采用配重頂進方案。

4 實施情況

2012年12月18日，框架橋開始頂進，至2013年1月24日頂進到位，之后進行了明挖段框架橋施工，2013年11月3日施工完畢。施工期間對機場線隧道變形進行了監測。監測數據顯示,機場線隧道結構豎向變形最終累計值介于-0.6～+0.5 mm[6]，上浮變形發生在頂進期間，沉降變形發生在明挖期間。

監測數據表明，東外斜街跨北環水系框架橋配重頂進技術成功地控制了機場線隧道的上浮變形，有效保證了框架橋施工期間機場線的正常、安全運營。

5 結論

在上穿工程中，控制既有地下結構上浮變形的核心是最大限度地保持既有地下結構的豎向荷載不變，配重頂進法是一個很好的解決途徑，其在北京市東直門外斜街工程中的成功應用具有重要意義，可為今后類似工程提供借鑒及參考。

[1] 北京市市政工程設計研究總院有限公司.東直門外斜街(東直門外大街—新東路)道路工程施工圖[A].北京，2009.

[2] 北京城建設計研究總院有限責任公司.東外斜街跨北環水系框架橋工程施工圖[A].北京，2010.

[3] 北京市市政工程設計研究總院有限公司.北京首都國際機場線工程施工圖[A].北京，2006.

[4] 北京城建勘測設計研究院有限責任公司.東直門外斜街(東直門外大街—新東路)北環水系橋梁工程巖土工程勘察報告[R].北京，2008.

[5] 上海市市政工程管理局.上海市沿線地鐵建筑施工地鐵保護管理技術暫行規定[S].上海，1994.

[6] 北京城建勘測設計研究院有限責任公司.東直門外斜街(東直門外大街—新東路)北環水系橋梁工程軌道交通首都機場線東直門—三元橋區間第三方監測成果報告[R].北京，2014.

Key Technologies of New Frame Bridge with Counterweight Jacking Method for Upcrossing Construction Based on Soil Pressure Balance

LI Ling

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100045)

The building of the frame bridge across the water system in Dongzhimen of Beijing and the Airport Express tunnel is analyzed. The key points of design are examined through the description of the surrounding environment of the frame bridge, the relative location of the frame bridge to the Airport Express tunnel and the geological conditions. Three kinds of design schemes are put forward, including counterweight jacking, the coping open-cut method and the ordinary open-cut method. The effects of these schemes on the Airport Express tunnel are compared by means of the stratum-structure model. The application of counterweight jacking is described and the key technologies to control the floating deformation of underground structure are summarized.

urban rail transit; up crossing engineering; counterweight jacking; frame bridge

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.015

2016-12-05

2017-03-19

李玲，女，碩士，教授級高級工程師，從事巖土與地下工程設計及新建市政工程穿越城市軌道交通運營線變形控制技術研究，1227753902@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0083-04

(編輯：郝京紅)