基于土壓平衡的新建框架橋配重頂進(jìn)法上穿施工關(guān)鍵技術(shù)

李 玲

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)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(jìn)法上穿施工關(guān)鍵技術(shù)

李 玲

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100045)

以北京市東外斜街跨北環(huán)水系框架橋上穿機(jī)場(chǎng)線區(qū)間隧道工程為例，通過對(duì)框架橋周邊環(huán)境、與機(jī)場(chǎng)線隧道相對(duì)位置以及地質(zhì)條件的描述，分析工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)；針對(duì)配重頂進(jìn)工法、壓頂后明挖施工及普通明挖工法3種設(shè)計(jì)方案，采用地層-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算分析各方案對(duì)機(jī)場(chǎng)線隧道的影響；最后介紹配重頂進(jìn)工法的實(shí)施情況，并總結(jié)上穿既有結(jié)構(gòu)工程上浮變形控制技術(shù)的核心。

城市軌道交通； 上穿工程； 配重頂進(jìn)法； 框架橋

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，越來越多的新建市政工程需要穿越城市軌道交通運(yùn)營線路。穿越施工將不可避免地引起軌道交通運(yùn)營線的洞體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，過大的變形將危及運(yùn)營安全。因此，軌道交通運(yùn)營線對(duì)變形控制極其嚴(yán)格，這就對(duì)穿越軌道交通運(yùn)營線的市政工程設(shè)計(jì)提出了極大挑戰(zhàn)。

近年來，我國對(duì)新建市政工程下穿軌道交通運(yùn)營線的沉降控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，通過工程實(shí)踐，超前注漿加固、管幕支護(hù)、千斤頂主動(dòng)支頂?shù)瘸两悼刂萍夹g(shù)已日趨成熟。相比之下，對(duì)上穿施工引起的軌道交通運(yùn)營線地下結(jié)構(gòu)上浮變形控制技術(shù)研究較少，設(shè)計(jì)人員對(duì)于地下結(jié)構(gòu)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(jīng)左家莊西街，北至新東路，全長1257m，道路下方埋設(shè)有軌道交通機(jī)場(chǎng)線東直門站—三元橋站區(qū)間隧道。東外斜街在里程K0+808.250位置跨越北環(huán)水系規(guī)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(shí)現(xiàn)北環(huán)水系的貫通，需要在交叉節(jié)點(diǎn)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(jī)場(chǎng)線概況

擬建東外斜街跨北環(huán)水系框架橋位于軌道交通機(jī)場(chǎng)線東直門站—三元橋站區(qū)間隧道上方。機(jī)場(chǎng)線為地下2個(gè)單線盾構(gòu)隧道，隧道內(nèi)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?？蚣軜蛑行木€與機(jī)場(chǎng)線交角為82°15’，穿越位置處機(jī)場(chǎng)線線路平面為直線，二者平剖面關(guān)系如圖3所示。

1.3地質(zhì)概況

擬建場(chǎng)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(jì)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(jì)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(xì)中砂④1層、亞黏土⑤層、圓礫⑥層、細(xì)中砂⑥1層、亞黏土⑦層、細(xì)中砂⑧層、亞黏土⑨層、細(xì)中砂⑩層。

場(chǎng)區(qū)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(jìn)入潛水及承壓水層。

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

框架橋上穿施工將對(duì)機(jī)場(chǎng)線隧道形成卸荷效應(yīng)，必然引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形。由于隧道是細(xì)長結(jié)構(gòu)，因此主要以縱向上浮變形為主。

機(jī)場(chǎng)線的運(yùn)營安全需要軌道結(jié)構(gòu)安全及隧道結(jié)構(gòu)安全來保障，前者的允許變形值比后者更為嚴(yán)苛。參考上海地區(qū)盾構(gòu)隧道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)[5]，隧道結(jié)構(gòu)只要總上浮量不超過20 mm及曲率不大于1/15 000，則盾構(gòu)隧道本身不會(huì)發(fā)生破壞。但是，根據(jù)機(jī)場(chǎng)線線路特性及運(yùn)營管理的技術(shù)要求，軌道結(jié)構(gòu)的絕對(duì)上浮量不宜超過2 mm。因此，本工程的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于嚴(yán)格控制機(jī)場(chǎng)線區(qū)間隧道的上浮變形，保證框架橋施工期間機(jī)場(chǎng)線隧道的上浮變形不超過2 mm。

圖3 框架橋與機(jī)場(chǎng)線隧道平、剖面關(guān)系Fig.3 Plane relation and profile relation between the frame bridge and the airport tunnel

3 設(shè)計(jì)方案比選

3.1配重頂進(jìn)方案

上穿施工引起機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)線隧道的上浮變形。對(duì)比框架橋建成前后隧道所承受的豎向荷載發(fā)現(xiàn)，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(dāng)基坑開挖到基底的時(shí)候，卸載量最大，此時(shí)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(dá)48%。永久卸載無法彌補(bǔ)，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(nèi)部巡河道等附屬結(jié)構(gòu)作為配重，再將橋體頂入預(yù)定橋位，頂進(jìn)一步開挖一步，用框架橋及附屬結(jié)構(gòu)的重量替換開挖土方的重量，則機(jī)場(chǎng)線隧道上方的卸載量最小，接近永久卸載量，僅占20%。頂進(jìn)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?？紤]到機(jī)場(chǎng)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(cè)，為節(jié)約投資，將西側(cè)橋體采用配重頂進(jìn)法施工,東側(cè)30m長的橋體采用普通明挖法施工，二者分界位置打設(shè)隔離樁。

圖4 頂進(jìn)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(yīng)用抗拔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。具體來說，首先沿機(jī)場(chǎng)線左、右線隧道中間及兩側(cè)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(gè)條形工作坑，坑底高于隧道頂3m，在工作坑內(nèi)沿垂直于機(jī)場(chǎng)線線路方向頂進(jìn)內(nèi)直徑為1050mm的鋼筋混凝土頂管，而后在其內(nèi)部灌注混凝土，并預(yù)留鋼筋將其錨入挖孔樁的樁頂冠梁內(nèi)。為了使頂管下方的土體與頂管更好地協(xié)同工作，在工作坑內(nèi)對(duì)頂管底與機(jī)場(chǎng)線區(qū)間隧道頂之間的土體進(jìn)行注漿加固。橫向混凝土管與抗拔樁形成門形壓頂結(jié)構(gòu)，之后再結(jié)合地面交通導(dǎo)改依次明挖順作東、西兩側(cè)橋體(見圖5)。

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

壓頂結(jié)構(gòu)形成后，當(dāng)明挖框架橋基坑時(shí)，門形結(jié)構(gòu)通過抑制機(jī)場(chǎng)線隧道上方土體的回彈變形，從而抑制機(jī)場(chǎng)線隧道的上浮變形。但是，壓頂結(jié)構(gòu)施工對(duì)機(jī)場(chǎng)線隧道也是一種擾動(dòng)。壓頂結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，壓頂效應(yīng)越好，但是壓頂結(jié)構(gòu)施工對(duì)機(jī)場(chǎng)線隧道的擾動(dòng)也越大。因此，該方案存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

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(jié)合地面交通導(dǎo)改依次明挖順作東、西兩側(cè)框架橋。

該方案施工簡(jiǎn)便，投資少，但機(jī)場(chǎng)線隧道上浮變形超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)極大。

3.4方案比選

本工程的關(guān)鍵是控制軌道交通機(jī)場(chǎng)線隧道的上浮變形，因此，需要預(yù)測(cè)分析各個(gè)方案對(duì)機(jī)場(chǎng)線隧道的影響，框架橋施工所引起的機(jī)場(chǎng)線隧道上浮變形最小的方案即為最優(yōu)方案。

變形預(yù)測(cè)可以通過理論計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。本次采用地層-結(jié)構(gòu)模型，通過MIDAS-GTS巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，建立三維模型進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)計(jì)算，各方案主要施工步序引起的機(jī)場(chǎng)線隧道底部的最大變形歷時(shí)曲線如圖6所示。

圖6 機(jī)場(chǎng)線隧道底部最大上浮變形歷時(shí)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(gè)方案框架橋施工引起的機(jī)場(chǎng)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(dá)6.5mm，發(fā)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(fā)生在基坑開挖階段，說明壓頂結(jié)構(gòu)未能有效抑制機(jī)場(chǎng)線隧道的上浮變形；配重頂進(jìn)方案的最大上浮值最小，僅為0.8mm，在框架橋頂程一半的時(shí)候達(dá)到最大值。

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

圖7 機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)線區(qū)間隧道發(fā)生上浮變形的區(qū)域大致是框架橋穿越中心兩側(cè)各60m的范圍。3個(gè)方案引起的機(jī)場(chǎng)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(jìn)方案的曲線較為平緩，曲率約為1/3000000。

對(duì)比機(jī)場(chǎng)線隧道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，只有配重頂進(jìn)方案滿足要求。因此，本工程確定采用配重頂進(jìn)方案。

4 實(shí)施情況

2012年12月18日，框架橋開始頂進(jìn)，至2013年1月24日頂進(jìn)到位，之后進(jìn)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(duì)機(jī)場(chǎng)線隧道變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,機(jī)場(chǎng)線隧道結(jié)構(gòu)豎向變形最終累計(jì)值介于-0.6～+0.5 mm[6]，上浮變形發(fā)生在頂進(jìn)期間，沉降變形發(fā)生在明挖期間。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，東外斜街跨北環(huán)水系框架橋配重頂進(jìn)技術(shù)成功地控制了機(jī)場(chǎng)線隧道的上浮變形，有效保證了框架橋施工期間機(jī)場(chǎng)線的正常、安全運(yùn)營。

5 結(jié)論

在上穿工程中，控制既有地下結(jié)構(gòu)上浮變形的核心是最大限度地保持既有地下結(jié)構(gòu)的豎向荷載不變，配重頂進(jìn)法是一個(gè)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(yīng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司.東外斜街跨北環(huán)水系框架橋工程施工圖[A].北京，2010.

[3] 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司.北京首都國際機(jī)場(chǎng)線工程施工圖[A].北京，2006.

[4] 北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.東直門外斜街(東直門外大街—新東路)北環(huán)水系橋梁工程巖土工程勘察報(bào)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(hù)管理技術(shù)暫行規(guī)定[S].上海，1994.

[6] 北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.東直門外斜街(東直門外大街—新東路)北環(huán)水系橋梁工程軌道交通首都機(jī)場(chǎng)線東直門—三元橋區(qū)間第三方監(jiān)測(cè)成果報(bào)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(jí)高級(jí)工程師，從事巖土與地下工程設(shè)計(jì)及新建市政工程穿越城市軌道交通運(yùn)營線變形控制技術(shù)研究，1227753902@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0083-04

(編輯：郝京紅)