地鐵隧道穿越既有橋梁施工安全評(píng)估

安志剛 趙寶忠

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600；2.內(nèi)蒙古中電物流路港有限責(zé)任公司赤峰鐵路分公司 內(nèi)蒙古赤峰 024000)

1 引言

隨著地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)的加快，新建地鐵鄰近或下穿既有市政橋梁的重大風(fēng)險(xiǎn)工程與日俱增。新建地鐵施工對(duì)周邊土體擾動(dòng)可能會(huì)對(duì)鄰近橋梁運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患[1-2]。

本文以北京地鐵19號(hào)線區(qū)間隧道穿越某立交南幅橋施工為研究背景，在對(duì)橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行檢測(cè)的基礎(chǔ)上，分析地鐵施工對(duì)橋梁的影響；采用施加強(qiáng)制位移的方式，計(jì)算確定橋梁允許變形值，并基于巖土有限元分析軟件，預(yù)估橋梁在地鐵近距離下穿施工后的變形情況，以達(dá)到對(duì)既有橋梁監(jiān)控和預(yù)警提供充分理論依據(jù)的目的。

2 工程概況

2.1 既有橋梁概況

某立交由南北兩幅橋組成，南幅橋橋梁垂直斷面寬度為(1.25+16.5+1)m，其中1.25 m為地袱、步道及欄桿，16.5 m為行車道，1 m為中央隔離帶。該橋?yàn)?1跨，橋面連續(xù)，全橋共設(shè)三道伸縮縫，橋長(zhǎng)264 m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制安裝預(yù)應(yīng)力砼T型梁，每孔橫向由北向南依次為1根邊梁、9根中梁、1根邊梁，共11根梁。下部結(jié)構(gòu)采用三柱蓋梁，鉆孔灌注樁邊墩樁徑為1.2 m，中墩樁徑為1.0 m。樁間擋墻采用包式鋼筋砼扶壁式樁間擋土墻。支座形式為板式橡膠支座。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20、掛車-120，步道人群荷載3.5 kN/m2。

2.2 新建工程與既有橋梁位置關(guān)系

地鐵19號(hào)線呈南北走向，左右線分別向北穿越某立交南幅橋第6跨、第8跨(見(jiàn)圖1)。其中5號(hào)橋墩基礎(chǔ)埋深20.168 m，與隧道結(jié)構(gòu)最小水平凈距4.774 m，6號(hào)橋墩基礎(chǔ)埋深20.590 m，與隧道結(jié)構(gòu)最小水平凈距8.491 m，7號(hào)橋墩基礎(chǔ)埋深20.652 m，與隧道結(jié)構(gòu)最小水平凈距10.571 m，8號(hào)橋墩基礎(chǔ)埋深20.562 m，與隧道結(jié)構(gòu)最小水平凈距3.630 m。

圖1 19號(hào)線正線與立交南幅橋橋墩及樁位置關(guān)系(單位:mm)

2.3 新建工程施工方案

地鐵19號(hào)線區(qū)間左右線暗挖隧道側(cè)穿右安門橋橋樁。正線暗挖隧道開(kāi)挖尺寸(6.48×6.81)m，采用臺(tái)階法施工，初襯厚250 mm，二襯厚300 mm。暗挖隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面施工步序見(jiàn)圖2。

圖2 暗挖隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面施工步序

區(qū)間施工時(shí)，采取以下措施，以盡量減少對(duì)橋梁的影響:(1)及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿，通過(guò)注漿壓力和注漿量的嚴(yán)格控制，以及多次補(bǔ)注漿，保證整體注漿質(zhì)量；(2)及時(shí)進(jìn)行二襯背后注漿，保證注漿效果；(3)預(yù)先布設(shè)測(cè)點(diǎn)，施工期間加強(qiáng)對(duì)橋梁的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)；(4)對(duì)橋樁與隧道之間的土體采用超前深孔注漿加固，注漿過(guò)程嚴(yán)格控制注漿壓力(不大于0.5 MPa)及注漿量，并安排專人對(duì)橫通道上方下游雨污水井進(jìn)行巡查，如發(fā)現(xiàn)漿液立刻停止注漿。施工過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)深孔注漿效果不理想部位，及時(shí)封閉掌子面進(jìn)行補(bǔ)注或打設(shè)超前小導(dǎo)管進(jìn)行加固[3-5]。

2.4 工程地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報(bào)告，將本工程場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的土層按地層沉積年代以及成因類型，劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀(jì)沖洪積層和新近紀(jì)沉積層四大類。在本場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在1層地下水，為潛水，主要賦存于第⑦卵石層、第⑨卵石層，水位埋深20.43～22.00 m，水位標(biāo)高19.80～21.37 m。

3 地鐵穿越橋梁評(píng)估思路

地鐵穿越既有橋梁評(píng)估涉及到檢測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、咨詢等多個(gè)專業(yè)，各專業(yè)缺一不可，其實(shí)施過(guò)程基本包括三個(gè)方面:(1)通過(guò)檢測(cè)獲悉橋梁現(xiàn)狀，分析其損傷程度，從而評(píng)估既有橋梁當(dāng)前的承載能力、正常使用狀態(tài)、抗震性能及耐久性；(2)根據(jù)現(xiàn)狀建立橋梁有限元模型，通過(guò)對(duì)橋梁基礎(chǔ)施加強(qiáng)制位移模擬地鐵施工對(duì)橋梁變形的影響，確定實(shí)際狀態(tài)下既有橋梁的允許變形控制值；(3)基于橋梁設(shè)計(jì)、檢測(cè)資料和地鐵設(shè)計(jì)資料，建立地鐵、橋梁的三維仿真模型，分析地鐵施工過(guò)程中橋梁的最大變形量是否滿足既有橋梁允許變形控制值，如不滿足則需在設(shè)計(jì)防護(hù)方案的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)并重新評(píng)估，直至滿足橋梁的允許變形控制值為止[6-7]。

4 現(xiàn)狀檢測(cè)及既有橋梁變形控制值確定

4.1 既有橋梁現(xiàn)狀檢測(cè)情況

通過(guò)對(duì)橋梁的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，立交南幅橋當(dāng)前存在的主要病害為:T梁間橫隔板和蓋梁存在銹脹開(kāi)裂，部分蓋梁開(kāi)裂嚴(yán)重，目前尚未影響結(jié)構(gòu)安全；此外，橋梁還存在其他一些影響結(jié)構(gòu)耐久性的病害(如T梁翼板局部銹脹露筋、滲水泛堿，蓋梁局部銹脹露筋等)和一些影響構(gòu)(配)件使用功能的病害(如橋面鋪裝坑槽、伸縮縫積土等)。混凝土強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)要求，且混凝土梁和墩柱的碳化深度未影響到鋼筋。

按照《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 99—2017)，立交南幅橋技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為B級(jí)，處于良好狀態(tài)。

4.2 既有橋梁變形影響因素及控制標(biāo)準(zhǔn)確定

4.2.1 地鐵對(duì)既有橋梁的影響分析

新建地鐵下穿施工對(duì)既有橋梁的影響與橋梁本身結(jié)構(gòu)形式及狀態(tài)息息相關(guān)。地鐵19號(hào)線區(qū)間正線穿越某立交南幅橋，施工造成基礎(chǔ)沉降的范圍為5＃～10＃墩之間結(jié)構(gòu)，對(duì)橋梁可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和影響如下[8-9]:

學(xué)生在參與實(shí)習(xí)的過(guò)程中，通常難以得到有效的管理，因此學(xué)校應(yīng)當(dāng)通過(guò)信息交流平臺(tái)，為學(xué)生提供更為有效的管理服務(wù)。例如，實(shí)習(xí)教師可通過(guò)微信平臺(tái)，組建實(shí)習(xí)生管理群。微信是當(dāng)下學(xué)生最為常用的交流工具，通過(guò)微信進(jìn)行日常交流，是較為便捷的管理方式。其次，教師可在教學(xué)APP中增設(shè)簽到功能，通過(guò)該功能，學(xué)生的考勤情況將被教師及時(shí)掌握，學(xué)生的工作狀態(tài)也將得到保障。再有，教師可利用手機(jī)QQ，為學(xué)生建立學(xué)習(xí)平臺(tái)。QQ的文件傳輸能力較強(qiáng)，利用該系統(tǒng)，學(xué)生將獲得大量的知識(shí)信息。在應(yīng)用中教師可及時(shí)將數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的教學(xué)視頻發(fā)至QQ平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)短的學(xué)習(xí)通常可回憶起以往的教學(xué)內(nèi)容，其面臨的理論問(wèn)題也將得到解決。

(1)影響范圍內(nèi)橋梁的上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，下部結(jié)構(gòu)采用三柱式蓋梁。基礎(chǔ)的差異沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力影響較小，主要影響部位為橋面系和蓋梁。基礎(chǔ)差異沉降過(guò)大，會(huì)造成橋面系損傷外，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致跨間易形成急促變坡點(diǎn)，影響橋梁上部道路正常使用；同一橋墩不同墩柱之間的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致蓋梁的受力變化，影響蓋梁的使用。

(2)地鐵隧道側(cè)穿橋樁基礎(chǔ)擾動(dòng)土層，對(duì)樁側(cè)摩阻力、樁側(cè)向土壓力產(chǎn)生影響，將減小樁基單側(cè)土壓力，使得樁基豎向承載力降低，樁基彎矩增加，進(jìn)而可能導(dǎo)致墩柱傾斜、樁基開(kāi)裂，影響橋梁的安全性及穩(wěn)定性。

(3)基礎(chǔ)沉降會(huì)對(duì)橋面縱坡產(chǎn)生影響，可能會(huì)對(duì)行車舒適度以及橋面排水造成不利影響。

(4)該橋蓋梁當(dāng)前存在銹脹開(kāi)裂露筋等病害，基礎(chǔ)沉降有可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)既有病害進(jìn)一步發(fā)展。

4.2.2 橋梁變形控制值的確定

針對(duì)本橋，同一橋墩不同墩柱之間的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致蓋梁受力發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致蓋梁開(kāi)裂以致對(duì)橋梁的承載力及正常使用產(chǎn)生影響，因此同一蓋梁不同墩柱的不均勻沉降是本橋變形的重點(diǎn)控制對(duì)象。為分析同一蓋梁不同墩柱間不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，采用Midas Civil建立蓋梁有限元模型，見(jiàn)圖3，并采用強(qiáng)制位移法對(duì)不均勻沉降工況(見(jiàn)表1)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3 墩柱蓋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

根據(jù)蓋梁橫向不均勻沉降計(jì)算結(jié)果，并考慮橋墩沉降對(duì)橋梁平順性等因素的影響，最終確定該立交南幅橋的變形控制指標(biāo)如下:

(1)橋墩均勻沉降控制值為15 mm。

(2)縱向相鄰墩柱不均勻沉降控制值10 mm。

(3)橫向相鄰墩柱不均勻沉降控制值為3 mm。

(4)墩柱傾斜控制值1/1 000。

5 施工影響安全分析

5.1 模型的建立

根據(jù)既有橋梁、新建地鐵結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境，并考慮模型尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，確定本計(jì)算模型前后方向長(zhǎng)220 m、左右方向長(zhǎng)190 m，高60 m。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)土體、既有橋梁結(jié)構(gòu)、暗挖隧道等進(jìn)行三維精細(xì)建模，除橋梁樁基采用梁?jiǎn)卧猓⒖紤]樁土接觸，其余均采用實(shí)體單元[10-11]。

模型中車輛荷載、上部結(jié)構(gòu)及橋面系自重均采用外力形式施加于模型。土體采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。建立的“土體-橋梁-隧道”計(jì)算模型見(jiàn)圖4～圖5。

圖4 計(jì)算模型

圖5 地鐵與既有橋梁位置關(guān)系模型

5.2 地鐵施工對(duì)橋梁變形影響分析

5.2.1 區(qū)間右線開(kāi)挖對(duì)橋梁影響分析

根據(jù)施工方案，先進(jìn)行區(qū)間右線施工，施工完成后橋梁位移情況見(jiàn)圖6。

圖6 區(qū)間右線施工完成后橋梁變形

計(jì)算結(jié)果顯示，區(qū)間右線施工過(guò)程中立交南幅橋橋墩的最大豎向變形為-6.21 mm，位于8-1墩；縱向相鄰橋墩不均勻沉降-6.18 mm，位于8-1～9-1墩；橫向相鄰橋墩不均勻沉降-2.10 mm，位于8-1～8-2墩；新增最大傾斜值為0.52/1 000，位于8-1墩。各變形參數(shù)均滿足變形控制指標(biāo)要求。

沉降最大值發(fā)生在距離開(kāi)挖隧道最近的橋墩，表明所構(gòu)建模型合理。

5.2.2 區(qū)間左線開(kāi)挖對(duì)橋梁影響分析

區(qū)間左線從第5跨間下穿施工完成后，橋梁的位移變化見(jiàn)圖7。

圖7 區(qū)間左線施工完成后橋梁變形

計(jì)算結(jié)果顯示，區(qū)間左線施工過(guò)程中某立交南幅橋橋墩在本階段最大豎向變形發(fā)生在5-1墩柱，其最大變形為-5.45 mm，累計(jì)最大豎向變形依舊發(fā)生在8-1墩，為-6.30 mm；縱向相鄰橋墩不均勻沉降-6.28 mm，位于8-1～9-1墩；橫向相鄰橋墩不均勻沉降-2.20 mm，位于5-1～5-2墩；新增最大傾斜值為0.63/1 000，位于5-1墩。

從以上分析可以看出，地鐵區(qū)間正線穿越施工完成后，立交南幅橋各變形值均滿足變形控制指標(biāo)要求，施工所采取的加固措施可以有效保證既有橋梁的安全。

5.3 地鐵穿越施工安全監(jiān)測(cè)

為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，地鐵穿越過(guò)程中對(duì)橋梁進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，地鐵區(qū)間隧道穿越施工過(guò)程中，橋墩最大沉降為3.94 mm，位于8＃墩，5＃墩最大沉降為-2.82 mm，相鄰墩柱最大不均勻沉降值為0.5 mm，整個(gè)穿越過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)可控，符合安全評(píng)估預(yù)期[12]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以北京地鐵19號(hào)線穿越某立交南幅橋施工實(shí)例為依托，探討了新建地鐵穿越既有橋梁施工安全評(píng)估思路和方法，采用施加強(qiáng)制位移的方式，計(jì)算確定橋梁的允許變形值，基于巖土有限元分析軟件預(yù)估既有橋梁在地鐵近距離下穿施工后的變形情況，并對(duì)施工加固措施安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合評(píng)估預(yù)期，驗(yàn)證了安全評(píng)估方法的有效性。