趙庚群
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)
隨著城市建設(shè)的加快,地鐵的建設(shè)也越來(lái)越多,新建地鐵不可避免地穿越既有橋梁結(jié)構(gòu)樁基、承臺(tái)等情況不斷出現(xiàn),因此如何采取有效的施工措施來(lái)保證隧道開(kāi)挖的順利進(jìn)行和穿越橋臺(tái)、墩柱的安全是工程中十分關(guān)心的問(wèn)題。文章以新機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越某人行天橋墩臺(tái)結(jié)構(gòu)及橋梁基礎(chǔ)的安全影響評(píng)估為例,運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法,模擬新建區(qū)間隧道穿越施工等工序引起人行天橋的變形,以期得到一些有益的規(guī)律及結(jié)論。
新機(jī)場(chǎng)線一期工程南起新機(jī)場(chǎng)北航站樓綜合交通中心(遠(yuǎn)期延伸至南航站樓綜合交通中心),北至草橋,線路全長(zhǎng)39.05km,共設(shè)3座車(chē)站,分別為新機(jī)場(chǎng)北航站樓站、磁各莊站、草橋站,全部為地下站。全線設(shè)一段一場(chǎng),分別為磁各莊車(chē)輛段和新機(jī)場(chǎng)北停車(chē)場(chǎng)。線路南起北航站樓站,出機(jī)場(chǎng)范圍后與新機(jī)場(chǎng)高速共走廊高架敷設(shè),在京九鐵路過(guò)京滬京山鐵路節(jié)點(diǎn)東側(cè)下穿京滬高鐵、上跨京山鐵路。后沿規(guī)劃東環(huán)路敷設(shè),至規(guī)劃海鑫北路南側(cè)入地。下穿南六環(huán)、海北路,至興亦路與廣平大街交口南側(cè)設(shè)磁各莊站與規(guī)劃M21(R5,原S6)線換乘。后沿廣平大街敷設(shè)至南五環(huán),穿過(guò)五環(huán)兩側(cè)綠地轉(zhuǎn)向廣陽(yáng)大街,沿廣陽(yáng)大街向北敷設(shè),穿越海子公園后轉(zhuǎn)向京開(kāi)高速,沿京開(kāi)高速東側(cè)綠化帶向北敷設(shè)至線路終點(diǎn)玉泉營(yíng)橋東南側(cè)設(shè)草橋站與M10、M19(R3)換乘。
某人行天橋位于京開(kāi)高速,跨越京開(kāi)高速主輔路。天橋設(shè)計(jì)為東西走向,天橋東側(cè)、西側(cè)均為梯道。
某人行天橋主橋橋面長(zhǎng)75m,橋面凈寬3.0m。西北梯道跨徑組合為(12.4+13.3)m,梯道凈寬3.00m,東北坡道跨徑組合為(8.3+9.2)m,東南梯道跨徑組合為(12.4+13.3)m,梯道凈寬3.00m,西南坡道跨徑組合為(8.3+9.2)m。上部結(jié)構(gòu)為4跨預(yù)應(yīng)力空心板梁,跨徑組合為(15+21+21+15)m;下部結(jié)構(gòu)為混凝土薄壁墩,基礎(chǔ)為D120鉆孔灌注樁;橋臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為D120鉆孔灌注樁。橋面采用鋼筋混凝土鋪裝,雙側(cè)設(shè)鋼護(hù)欄,主橋與梯道間設(shè)置TST伸縮縫。
新發(fā)地站(不含)~草橋站區(qū)間線路總長(zhǎng)2408.196雙線米,為新機(jī)場(chǎng)線磁各莊站~草橋站區(qū)間(總長(zhǎng)約1.2km)的一部分;區(qū)間結(jié)構(gòu)底板埋深13.5~29.4m。本段區(qū)間以京開(kāi)某人行天橋以南京開(kāi)高速東側(cè)的19號(hào)線新發(fā)地站北端為起點(diǎn),線路向北沿京開(kāi)高速東側(cè)綠地敷設(shè),穿越京開(kāi)某人行天橋橋區(qū),側(cè)穿了110kV、220kV高壓塔,下穿馬家樓東路、角門(mén)路、鎮(zhèn)國(guó)寺北街后到達(dá)玉泉營(yíng)橋東南角的草橋站南端,如圖1、圖2所示。
圖1 盾構(gòu)區(qū)間與京開(kāi)某人行天橋平面位置關(guān)系圖(單位:mm)
本次勘察揭露地層最大深度為60m,該深度范圍內(nèi)的地層按其沉積年代及工程性質(zhì)可分為以下幾種:(1)人工填土層,雜填土①1層;(2)新近沉積層,砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土②層、粉質(zhì)黏土②1層、黏土②2層、粉細(xì)砂②3層、圓礫、礫砂②5層;(3)第四紀(jì)沖洪積層,砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土③層、粉質(zhì)黏土③1層、黏土③2層、粉細(xì)砂③3層、粉質(zhì)黏土④層、黏土④1層、砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土④2層、粉細(xì)砂④3層、卵石圓礫④5層;(4)古近紀(jì)基巖,強(qiáng)風(fēng)化泥巖[14]層。
地下水類(lèi)型為層間潛水~承壓水(四),主要含水層為卵石圓礫⑦層及其以下砂土、卵石地層,主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給,以側(cè)向徑流、向下越流以及人工開(kāi)采為主要排泄方式,受相對(duì)隔水層粉質(zhì)黏土⑧層及其夾層影響,局部具有承壓性,承壓水頭0.2~3.2m。
根據(jù)京開(kāi)某人行天橋幾何尺寸大小,結(jié)合隧道開(kāi)挖施工對(duì)臨近橋梁結(jié)構(gòu)影響范圍預(yù)估確定計(jì)算域。該計(jì)算模型前后方向長(zhǎng)度為140m、左右方向長(zhǎng)度為90m,上下深度為60m。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)土體、京開(kāi)某人行天橋墩臺(tái)結(jié)構(gòu)及橋梁基礎(chǔ)、盾構(gòu)隧道等進(jìn)行了三維精細(xì)建模,橋臺(tái)、承臺(tái)、土體、注漿加固區(qū)均采用實(shí)體單元,橋梁上部結(jié)構(gòu)、橋梁樁基采用梁?jiǎn)卧?、盾?gòu)管片采用實(shí)體單元。
圖2 盾構(gòu)區(qū)間與京開(kāi)某人行天橋橫斷面位置關(guān)系圖(單位:mm)
根據(jù)計(jì)算模型大小,綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精確度,共計(jì)剖分單元378677個(gè)。建立的“土體—橋梁—隧道”計(jì)算模型如圖3所示。
圖3 計(jì)算模型
(1)建立初始自重應(yīng)力場(chǎng)。在實(shí)際工程中,由于天然土層在土體自重和周?chē)ㄖ锖奢d作用下,已經(jīng)固結(jié)沉降完畢,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隧道施工,需要將已經(jīng)固結(jié)沉降完成的原狀土作為后續(xù)施工步的初始狀態(tài)。因此,在利用有限元模擬隧道施工過(guò)程時(shí),若要達(dá)到天然土層的初始狀態(tài),必須平衡初始地應(yīng)力,使得在土體模型中只存在初始應(yīng)力場(chǎng)而不出現(xiàn)初始位移。模型中第一階段為隧道施工的初始階段,計(jì)算出土體及結(jié)構(gòu)在自重作用下的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),通過(guò)軟件的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移,并構(gòu)造初始應(yīng)力場(chǎng)。
(2)既有橋梁結(jié)構(gòu)及橋梁基礎(chǔ)的模擬。在初始地應(yīng)力平衡的基礎(chǔ)上,參照橋梁施工過(guò)程,先后施做京開(kāi)某人行天橋樁基及上部結(jié)構(gòu),計(jì)算完成后通過(guò)軟件的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移,以保證橋梁位移為后續(xù)隧道施工時(shí)的附加位移。
(3)隧道施工過(guò)程模擬。隧道工程主要包括新機(jī)場(chǎng)線左右線,參照設(shè)計(jì)的施工順序及施工方法,具體的模擬步序如下:①初始地應(yīng)力平衡;②京開(kāi)某人行天橋樁基及上部結(jié)構(gòu)模擬;③新機(jī)場(chǎng)線線右線盾構(gòu)施工;④新機(jī)場(chǎng)線線左線盾構(gòu)施工。
模型寬度取為90m,京開(kāi)某人行天橋橫向中心大致位于模型寬度的中點(diǎn)處,本次施工階段模擬分為穿越前、穿越過(guò)程中、穿越后三個(gè)大的階段。為簡(jiǎn)化計(jì)算,穿越前取15m(一次盾構(gòu)施工完成),穿越過(guò)程中取60m(取6m1個(gè)計(jì)算長(zhǎng)度),穿越后取15m(一次盾構(gòu)施工完成)。分析橫向和縱向不均勻沉降的考察點(diǎn)位如圖4所示。
圖4 橋臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖
(1)新機(jī)場(chǎng)線右線盾構(gòu)施工對(duì)京開(kāi)某人行天橋變形影響分析。新機(jī)場(chǎng)線右線盾構(gòu)施工完成后橋梁位移云圖如圖5所示。
(2)新機(jī)場(chǎng)線左線盾構(gòu)施工對(duì)京開(kāi)某人行天橋變形影響分析。新機(jī)場(chǎng)線左線盾構(gòu)施工開(kāi)挖完成后橋梁整體變形如圖6所示。
統(tǒng)計(jì)整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中京開(kāi)某人行天橋橋臺(tái)測(cè)點(diǎn)變形統(tǒng)計(jì)。人行天橋橋臺(tái)、墩柱最大橫向變形及豎向變形:①新機(jī)場(chǎng)線右線盾構(gòu)施工完成,6號(hào)墩柱累計(jì)最大橫向變形(0.98mm),累計(jì)最大豎向變形(3.18mm),3號(hào)橋臺(tái)、6號(hào)墩柱墩臺(tái)豎向最大差異變形(-2.38mm);②新機(jī)場(chǎng)線左線盾構(gòu)施工完成,3號(hào)橋臺(tái)累計(jì)最大橫向變形(3.06mm),累計(jì)最大豎向變形(-10.73mm),6、7號(hào)墩柱墩臺(tái)豎向最大差異變形(-8.75mm)。
圖5 新機(jī)場(chǎng)線右線隧道盾構(gòu)施工完成后橋梁位移云圖
(1)根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果,新機(jī)場(chǎng)線工程盾構(gòu)區(qū)間穿越對(duì)京開(kāi)某人行天橋預(yù)測(cè)產(chǎn)生最大差異沉降-8.75mm。
(2)該天橋的橋臺(tái)及墩柱的沉降超過(guò)沉降預(yù)警值,雖然橋墩的傾斜值均小于沉降控制值,但是部分相鄰橋臺(tái)、墩臺(tái)的不均勻沉降超過(guò)控制值,建議在隧道盾構(gòu)穿越前對(duì)天橋進(jìn)行預(yù)加固,提高天橋結(jié)構(gòu)的安全性。
(1)做好下穿施工前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。主要包括作業(yè)人員、物料供應(yīng)、機(jī)具配備、應(yīng)急物資等準(zhǔn)備到位;做好下穿區(qū)域地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作,掌握下穿區(qū)域地下障礙物、空洞、水囊等情況,地面預(yù)支頂對(duì)人行天橋?qū)嵤┍Wo(hù)措施準(zhǔn)備完成后才能進(jìn)行隧道施工。
(2)距離京開(kāi)K1+450人行天橋樁基較近處的注漿要嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量。
圖6 新機(jī)場(chǎng)線左線隧道盾構(gòu)施工完成后京開(kāi)某人行天橋變形
(3)盾構(gòu)隧道施做時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制施工順序,逐個(gè)隧道施工且控制好盾構(gòu)施工參數(shù),先注漿加固后盾構(gòu)施做。
(4)施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)既有京開(kāi)某人行天橋結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,反饋指導(dǎo)施工。
(5)編制應(yīng)急預(yù)案,以便在發(fā)生問(wèn)題時(shí)各相關(guān)單位及人員能夠及時(shí)有效地進(jìn)行處理,將事故所造成的損失及不良影響降低到最低限度。
(6)施工結(jié)束后,應(yīng)當(dāng)對(duì)京開(kāi)某人行天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查,如若局部出現(xiàn)裂縫,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行耐久性修復(fù)。