張金偉

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

暗挖地鐵區(qū)間穿越城市大型立交橋橋區(qū)風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

張金偉

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

暗挖地鐵區(qū)間穿越城市大型立交橋橋區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)應(yīng)在保證橋梁安全的前提下盡可能地節(jié)約造價(jià)和工期，并具備良好的可實(shí)施性。以北京地鐵某區(qū)間穿越城市大型立交橋橋區(qū)風(fēng)險(xiǎn)工程保護(hù)設(shè)計(jì)為例，針對(duì)暗挖區(qū)間穿越橋梁樁基、擴(kuò)大基礎(chǔ)和擋墻等不同的橋基和結(jié)構(gòu)形式，采用數(shù)值模擬計(jì)算、橋樁承載力分析和擋墻加固計(jì)算分析等方法和手段，開(kāi)展系統(tǒng)詳盡的設(shè)計(jì)，然后交付施工，施工過(guò)程中積累數(shù)據(jù)并逐個(gè)分析，將分析成果統(tǒng)計(jì)歸類(lèi)總結(jié)，再反饋給設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，充分落實(shí)了信息化施工和設(shè)計(jì)的理念，實(shí)現(xiàn)了在確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全的同時(shí)控制投資的目的。

暗挖；地鐵區(qū)間；立交橋；橋樁；擋墻；風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

0 引言

當(dāng)前城市建設(shè)步伐日益加快，市區(qū)擴(kuò)容，地鐵線(xiàn)網(wǎng)逐年擴(kuò)大，地鐵線(xiàn)路愈發(fā)密集，線(xiàn)路周邊的工程條件漸趨復(fù)雜，區(qū)間側(cè)、下穿單建橋梁、人行天橋工程案例較為常見(jiàn)，但下穿匝道密集、基礎(chǔ)形式多樣的大型互通式立交橋區(qū)尚不多見(jiàn)，安全且經(jīng)濟(jì)地穿越此類(lèi)橋區(qū)的類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺。文獻(xiàn)[1]利用有限元分析方法對(duì)隧道施工引起的地表沉降及建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化進(jìn)行論述，明確了隧道施工沉降控制指標(biāo)的確定依據(jù)。文獻(xiàn)[2]探討了北京地鐵工程鄰近橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分應(yīng)考慮的因素和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法，形成了對(duì)鄰近橋梁的風(fēng)險(xiǎn)控制與保護(hù)技術(shù)程序。文獻(xiàn)[3]對(duì)暗挖隧道穿越砂卵石地層“采用”與“不采用”復(fù)合錨桿樁問(wèn)題進(jìn)行了有針對(duì)性的研究和討論。文獻(xiàn)[4]對(duì)復(fù)合錨桿樁施工工藝特性和機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)分析。文獻(xiàn)[5]通過(guò)在隧道施工過(guò)程中增設(shè)臨時(shí)仰拱和增加水平袖閥管注漿等工程措施加固土體，控制建筑物沉降。文獻(xiàn)[6]重點(diǎn)介紹了錨桿在擋墻加固中的設(shè)計(jì)方法、施工處理措施及取得的效果。文獻(xiàn)[7]重點(diǎn)介紹了雙層小導(dǎo)管的工藝原理、施工工藝及注漿加固效果。文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、圍巖接觸壓力的監(jiān)測(cè)，判斷淺埋暗挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征和橋樁對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響。上述參考文獻(xiàn)多僅就暗挖區(qū)間穿越單一橋樁或者某種風(fēng)險(xiǎn)工程加固方式進(jìn)行研究和討論，筆者則以穿越風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多、橋基形式多的主環(huán)路大型立交橋橋區(qū)為依托，結(jié)合檢測(cè)和評(píng)估報(bào)告，進(jìn)行系統(tǒng)詳盡的風(fēng)險(xiǎn)工程專(zhuān)項(xiàng)保護(hù)設(shè)計(jì)，并在施工中予以?xún)?yōu)化，以期保證安全的同時(shí)極大地控制投資。

1 工程概況

本工程是全線(xiàn)的關(guān)鍵性工點(diǎn)，該區(qū)間主要在道路下方穿行，區(qū)間全長(zhǎng)約1.35 km，采用礦山法施工。區(qū)間需穿越市區(qū)主環(huán)路上大型互通公路立交橋，包括由南北向的環(huán)路主路橋、東西主干道上的西主線(xiàn)橋和東主線(xiàn)橋共3座主橋以及由南向東的1號(hào)匝道橋；由南向西的2號(hào)匝道橋；由西向南的3號(hào)匝道橋；由北向東的4號(hào)匝道橋；由東向北的5號(hào)匝道橋和四環(huán)主路上跨的6號(hào)、7號(hào)匝道橋共7座匝道橋，作為主環(huán)路上的大型互通式立交橋，該橋梁的重要性不言而喻。區(qū)間開(kāi)挖輪廓為6.48 m×6.57 m(寬×高)，區(qū)間穿越橋基部位約44個(gè)軸，穿越的建(構(gòu))筑物包括橋樁、擴(kuò)大基礎(chǔ)、橋臺(tái)、擋墻、橋區(qū)道路和大量的雨水、污水、上水、燃?xì)夂碗娏Φ戎匾牡叵鹿芫€(xiàn)等，區(qū)間與橋樁最近水平距離僅0.83 m，且位于橋樁側(cè)下部，管線(xiàn)和橋梁控制指標(biāo)都極為嚴(yán)格，因此如何控制好橋梁、管線(xiàn)的安全變得尤為重要。區(qū)間穿越橋區(qū)風(fēng)險(xiǎn)工程等級(jí)為一級(jí)，總平面圖如圖1所示。

圖1 區(qū)間穿越橋區(qū)段總平面圖

區(qū)間穿越橋區(qū)段結(jié)構(gòu)覆土18～19.2 m，穿越地層主要為平均粒徑3～6 cm的卵石-圓礫層，且地層結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定，部分地段存在粒徑達(dá)70 cm的大漂石，開(kāi)挖土體對(duì)地層擾動(dòng)較大，小范圍塌方較為多見(jiàn)，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)很大，區(qū)間與橋樁典型相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 區(qū)間與橋樁典型相對(duì)位置關(guān)系圖(單位：mm)Fig.2 Typical spatial relationship between running tunnel and bridge pile (mm)

2 設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法

該條線(xiàn)路工期緊迫，區(qū)間穿越該橋梁為控制性節(jié)點(diǎn)，不允許出現(xiàn)絲毫問(wèn)題。因此，必須因地制宜，緊密結(jié)合工程現(xiàn)狀，逐橋逐軸做風(fēng)險(xiǎn)工程保護(hù)設(shè)計(jì)，并經(jīng)詳細(xì)研究和論證，在確保工程可實(shí)施性的同時(shí)，保證橋梁和隧道的安全。

首先采用工程類(lèi)比法等定性分析方法，根據(jù)巖土工程詳勘報(bào)告、橋梁和周邊環(huán)境調(diào)查資料及區(qū)間隧道與橋梁、橋樁的相對(duì)位置關(guān)系等，進(jìn)行初步分析和判斷，確立設(shè)計(jì)原則，確定工程影響分區(qū)和風(fēng)險(xiǎn)工程分級(jí)，進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，并提出對(duì)橋梁的現(xiàn)狀評(píng)估要求。同時(shí)通過(guò)二維或三維計(jì)算進(jìn)行定量分析，主要包括對(duì)橋樁影響的計(jì)算分析、樁摩阻力變化分析和擋墻傾斜假定分析等，計(jì)算模型主要包括荷載-結(jié)構(gòu)模型、地層-結(jié)構(gòu)模型等，對(duì)計(jì)算結(jié)果與評(píng)估報(bào)告給定的橋梁變形控制指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，從而進(jìn)行逐軸的詳細(xì)風(fēng)險(xiǎn)控制設(shè)計(jì)，提出施工注意事項(xiàng)和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案。在施工配合階段，根據(jù)施工反饋信息，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化和調(diào)整。主要設(shè)計(jì)思路和方法流程圖詳見(jiàn)圖3。

圖3 主要設(shè)計(jì)思路和方法流程圖

3 設(shè)計(jì)原則的確立

該橋梁作為北京市區(qū)主干道環(huán)路上的重要互通橋梁，車(chē)流量大，區(qū)間施工不能影響既有橋梁的正常運(yùn)營(yíng)和結(jié)構(gòu)安全，需要確立必要的設(shè)計(jì)原則，主要包括：

1)對(duì)橋梁的現(xiàn)狀和養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行調(diào)查、記錄，并對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)變形的敏感程度，提出變形控制指標(biāo)；

2)根據(jù)區(qū)間及穿越橋區(qū)和周邊環(huán)境的特點(diǎn)選擇合理的施工方法和施工步序；

3)通過(guò)工程類(lèi)比、數(shù)值模擬和解析法等計(jì)算分析對(duì)施工引起的變形值進(jìn)行預(yù)測(cè)；

4)按橋梁評(píng)估結(jié)果，進(jìn)行合理、可靠的風(fēng)險(xiǎn)工程保護(hù)設(shè)計(jì)，控制橋梁變形，保證橋梁和新建地鐵區(qū)間隧道的安全，且工程造價(jià)合理。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算和預(yù)測(cè)

經(jīng)過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖引起的變形分析，對(duì)橋梁、擋墻與區(qū)間隧道間的關(guān)系進(jìn)行接近度和影響區(qū)的分類(lèi)，明確保護(hù)范圍，并根據(jù)對(duì)橋樁承載力的驗(yàn)算，明確具體的加固范圍，從而指導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)使之更加合理可靠。

4.1 隧道側(cè)穿橋樁地層-結(jié)構(gòu)模型分析

采用大型巖土計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)施工開(kāi)挖狀態(tài)進(jìn)行模擬，對(duì)正常開(kāi)挖工況和注漿加固土體后開(kāi)挖2種工況進(jìn)行模擬分析。土體由實(shí)體單元模擬，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滿(mǎn)足“摩爾-庫(kù)侖”準(zhǔn)則。開(kāi)挖工況按每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，采用上、下臺(tái)階法施工。計(jì)算模型如圖4所示。加固前后橋樁豎向位移和沉降曲線(xiàn)如圖5和圖6所示。

圖4 隧道側(cè)穿橋樁地層-結(jié)構(gòu)模型圖

圖5 加固前近隧道側(cè)橋樁豎向位移曲線(xiàn)Fig.5 Curve of vertical displacement of bridge pile close to running tunnel before reinforcement

圖6 加固后近暗挖側(cè)橋樁沉降曲線(xiàn)Fig.6 Curve of vertical displacement of bridge pile close to running tunnel after reinforcement

由圖5和圖6計(jì)算結(jié)果顯示：1) 正常開(kāi)挖導(dǎo)致隧道上部地表沉降9.0 mm，拱頂沉降18.5 mm，水平收斂9.4 mm；近隧道側(cè)橋樁沉降7.2 mm，差異沉降為1.7 mm，計(jì)算值已接近警戒值。2) 土體加固后開(kāi)挖導(dǎo)致隧道上部地表沉降6.5 mm，拱頂沉降10.2 mm，水平收斂5.6 mm；近隧道側(cè)橋樁沉降4.8 mm，差異沉降為1.2 mm，沉降主要發(fā)生在上臺(tái)階開(kāi)挖期間?？梢?jiàn)，對(duì)橋樁周?chē)拖虏客馏w進(jìn)行注漿加固能有效控制橋梁整體沉降和差異沉降，加設(shè)臨時(shí)仰拱能有效控制隧道上臺(tái)階開(kāi)挖期間的沉降和收斂。

4.2 橋樁承載力計(jì)算分析

選取代表性區(qū)間側(cè)穿1號(hào)匝道橋4軸橋樁和4號(hào)匝道橋7軸斷面，對(duì)橋樁單樁承載力進(jìn)行驗(yàn)算，得出現(xiàn)狀條件下側(cè)摩阻力、端阻力和單樁總承載力，然后對(duì)土體加固后的單樁承載力重新進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)證既定的樁周和樁端土體加固區(qū)是否合理。經(jīng)計(jì)算，橋樁單樁承載力以側(cè)摩阻力為主，約占總承載力的65%，端阻力約占總承載力的35%，根據(jù)樁身進(jìn)入不同地層的長(zhǎng)度差異有所不同，對(duì)橋樁周邊和樁端土體實(shí)施注漿加固后的計(jì)算結(jié)果得出側(cè)阻力和端阻力各占50%，并維持總承載力不變，綜合判斷土體加固區(qū)的重點(diǎn)范圍應(yīng)包括樁端和樁身下部周邊。

4.3 擋墻加固計(jì)算分析

按汽車(chē)-城A級(jí)荷載，針對(duì)正常使用組合和地震組合進(jìn)行滑動(dòng)穩(wěn)定和傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，隧道下穿后對(duì)擋墻的影響主要為抗滑移不滿(mǎn)足要求，而抗傾覆則可以滿(mǎn)足要求，所以對(duì)擋墻的保護(hù)設(shè)計(jì)方案則側(cè)重于抗滑移方面，主要措施為設(shè)置錨桿和腰梁對(duì)擋墻進(jìn)行錨固。按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置2排錨桿，錨桿體直徑25 mm，鉆孔孔徑100 mm，傾角15°，土體與錨固體的極限側(cè)摩阻力F取經(jīng)驗(yàn)值20 kPa。計(jì)算得出單位長(zhǎng)度擋墻上分得的上排和下排錨桿抗拔力分別為21.98 kN和15.7 kN，擋墻滑移力為100.3 kN，抗滑力為161.76 kN，抗滑移驗(yàn)算安全系數(shù)Kc=1.6>1.300，滿(mǎn)足安全要求。確定擋墻加固設(shè)計(jì)參數(shù)為擋墻高度3～5 m處采用2道錨桿，擋墻高度2～3 m高度處采用1道10 m長(zhǎng)錨桿，為使受力均勻傳遞，每排錨桿處設(shè)置1道配筋腰梁，腰梁通過(guò)植筋方式與擋墻可靠連接。

5 風(fēng)險(xiǎn)工程保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，隧道開(kāi)挖主要影響區(qū)為隧道自身坍落拱和隧道兩側(cè)1倍洞徑的范圍。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)橋梁與區(qū)間隧道間的關(guān)系進(jìn)行接近度和影響區(qū)的分類(lèi)，因隧道與橋樁的豎向距離基本一致，所以?xún)H確定水平距離10 m和20 m為分界線(xiàn)，即10 m以?xún)?nèi)為較接近和強(qiáng)烈影響區(qū)，10 m以外20 m以?xún)?nèi)為接近和顯著影響區(qū)，20 m以外為不接近和一般影響區(qū)。針對(duì)不同的分區(qū)確立逐段加強(qiáng)的思路，除采用環(huán)形臺(tái)階法環(huán)狀開(kāi)挖預(yù)留核心土方法施工，局部開(kāi)挖面不穩(wěn)定地段進(jìn)行掌子面注漿封閉和施工期間加強(qiáng)洞內(nèi)及上部建(構(gòu))筑物的監(jiān)測(cè)外，還應(yīng)采取有針對(duì)性的保護(hù)措施，具體包括：

1)對(duì)于橋隧間水平距離在20 m以上的，采取正常開(kāi)挖方案，并嚴(yán)格加強(qiáng)施工監(jiān)控量測(cè)和信息反饋。

2)對(duì)于橋隧間水平距離在10～20 m范圍的，則以區(qū)間洞內(nèi)措施為主，主要包括：加強(qiáng)隧道初期支護(hù)，格柵鋼架縱向間距由原0.75 m加密至0.5 m；超前小導(dǎo)管由單排每榀打設(shè)加強(qiáng)為雙排打設(shè)，加強(qiáng)超前預(yù)注漿，并采用不同的入射角度擴(kuò)大注漿范圍；適時(shí)加設(shè)臨時(shí)仰拱；隧道與橋樁之間土體進(jìn)行徑向注漿加固，改良地層，盡量不影響橋樁的側(cè)摩阻力。保護(hù)措施如圖7所示。

圖7 橋隧間水平距離10～20 m范圍橋樁保護(hù)措施圖(單位：mm)Fig.7 Profile showing bridge pile protection measures under 10～20 m horizontal distance between bridge pile and tunnel (mm)

3)對(duì)于橋隧間水平距離在10 m以?xún)?nèi)的，采取地面措施和洞內(nèi)加強(qiáng)相結(jié)合的保護(hù)措施，主要包括：地面采用復(fù)合錨桿樁加固橋樁周?chē)馏w，將橋樁周?chē)馏w加固和隔離，以不降低原有側(cè)摩阻為目的，并在隧道內(nèi)對(duì)橋樁底部土體實(shí)施注漿加固，增大樁端承載力；洞內(nèi)格柵間距加密至500 mm，雙排超前小導(dǎo)管加固地層，隧道與橋樁之間土體采用徑向注漿加固；加設(shè)臨時(shí)仰拱。保護(hù)措施如圖8和圖9所示。

4)對(duì)于區(qū)間側(cè)下穿擴(kuò)大基礎(chǔ)及擋墻的保護(hù)則參照橋樁保護(hù)措施實(shí)施。

6 數(shù)據(jù)分析和反饋

以上設(shè)計(jì)方案交付施工后，順利穿越了約13個(gè)軸，通過(guò)對(duì)這些軸號(hào)所反饋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，達(dá)到驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)工程專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)的針對(duì)性和可靠性目的。通過(guò)進(jìn)行一定的優(yōu)化，在保證安全的前提下盡量縮減加固措施，從而控制投資。

圖8 橋隧間水平距離10 m內(nèi)橋樁保護(hù)措施橫斷面圖(單位：mm)Fig.8 Profile showing bridge pile protection measures under 10 m horizontal distance between bridge pile and tunnel (mm)

圖9 橋隧間水平距離10 m內(nèi)橋樁保護(hù)措施平面圖(單位：mm)Fig.9 Plan of bridge pile protection measures under 10 m horizontal distance between bridge pile and tunnel (mm)

6.1 橋梁評(píng)估和變形控制指標(biāo)

該橋區(qū)橋梁上部結(jié)構(gòu)主要為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、鋼-混組合梁和預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁等多種結(jié)構(gòu)形式，下部結(jié)構(gòu)形式主要為樁基礎(chǔ)，個(gè)別橋基為擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁和道路擋墻總體上病害較少，基本處于良好狀態(tài)。道路擋墻病害較少，處于良好狀態(tài)。但因橋梁地理位置重要，不能出現(xiàn)任何安全問(wèn)題，所以橋梁變形控制指標(biāo)相對(duì)嚴(yán)格。因橋區(qū)包含橋梁較多，每座橋梁控制指標(biāo)略有差異，取最嚴(yán)格指標(biāo)歸納如下：

1)橋梁、道路擋墻豎向均勻沉降15 mm；

2)相鄰基礎(chǔ)縱橋向不均勻沉降控制值為5 mm；

3)同一跨橫橋向2個(gè)支座不均勻沉降位移控制值為3 mm；

4)墩柱、橋臺(tái)傾斜控制值1/1 000；

5)道路擋墻豎向沉降每8 m控制值小于5 mm，擋墻傾斜值不大于1/1 000。

以上各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變形預(yù)警值按控制指標(biāo)的70%控制。

6.2 橋樁均勻沉降與橋隧間距分析

繪制橋樁和隧道間距與均勻沉降值關(guān)系曲線(xiàn)，如圖10所示。

由圖10可見(jiàn)，橋樁最大沉降值發(fā)生在東-0軸，沉降值3.69 mm，其他匝道橋沉降值最大為1.92 mm，大多數(shù)橋樁則未發(fā)生沉降，沉降平均百分比僅為10%，遠(yuǎn)小于控制值。因橋樁沉降值較小或基本無(wú)變化，橋樁沉降與橋隧間距關(guān)系尚不不明顯，但可基本擬合為0～10 m范圍內(nèi)，隨橋隧間距的遞增沉降值從1.5～0 mm遞減，可見(jiàn)橋隧間距與橋樁沉降仍存在一定的聯(lián)系，在10 m以?xún)?nèi)范圍的橋樁應(yīng)做重點(diǎn)關(guān)注和重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

6.3 相鄰基礎(chǔ)縱橋向不均勻沉降分析

選取代表性匝道橋繪制相鄰基礎(chǔ)縱橋向橋樁不均勻沉降曲線(xiàn)，如圖11所示。

由圖11可見(jiàn)，相鄰基礎(chǔ)縱橋向不均勻沉降最大值發(fā)生在3#2-3軸，最大不均勻沉降值1.8 mm，達(dá)到控制值的36%。各匝道橋不均勻沉降平均值僅為控制值的17%，橋梁處于安全狀態(tài)?？梢?jiàn)，原風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)措施可適當(dāng)優(yōu)化。

6.4 同一跨橫橋向不均勻沉降分析

選取代表性匝道橋繪制同一跨橫橋向橋樁不均勻沉降曲線(xiàn)，如圖12所示。

由圖12可見(jiàn)，同一跨橫橋向不均勻沉降最大值發(fā)生在2-18軸，沉降值為2.1 mm，達(dá)到控制值的39%。各匝道橋同一跨橫橋向不均勻沉降平均值僅為總控制值的20%，橋梁處于安全狀態(tài)。

6.5 復(fù)合錨桿樁對(duì)控制橋樁沉降的影響分析

隧道穿越地段包含采用了復(fù)合錨桿樁保護(hù)措施的橋樁和未采用復(fù)合錨桿樁保護(hù)措施的橋樁。通過(guò)對(duì)兩者比較發(fā)現(xiàn)，采用了復(fù)合錨桿樁保護(hù)措施的橋樁在隧道穿越后發(fā)生了沉降0.33 mm，而未采用復(fù)合錨桿樁保護(hù)措施的橋樁則發(fā)生了沉降1.48 mm；通過(guò)開(kāi)挖裸露情況來(lái)看，復(fù)合錨桿樁注漿范圍并未形成有效擴(kuò)散。綜合認(rèn)為，復(fù)合錨桿樁的實(shí)施對(duì)控制橋樁沉降有一定作用，但效果并不顯著，后期設(shè)計(jì)可做進(jìn)一步優(yōu)化。

6.6 擋墻沉降分析

從隧道穿越的擋墻沉降情況來(lái)看，開(kāi)挖后最大不均勻沉降為2.8 mm，小于沉降控制值，平均不均勻沉降值未超過(guò)控制值的30%，擋墻處于安全狀態(tài)。

圖10 橋樁和隧道間距與均勻沉降值關(guān)系曲線(xiàn)

圖11 相鄰基礎(chǔ)縱橋向橋樁不均勻沉降曲線(xiàn)

圖12 同一跨橫橋向橋樁不均勻沉降曲線(xiàn)

7 設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過(guò)以上對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)間穿越部分橋樁施工完成后，施工引起的橋樁和地面沉降量很小，為盡量減少工程投資，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)原設(shè)計(jì)措施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，具體設(shè)計(jì)優(yōu)化包括以下幾個(gè)方面：

1)可以考慮取消復(fù)合錨桿樁，但考慮到工程風(fēng)險(xiǎn)存在一定的偶然性，本區(qū)間穿越點(diǎn)多，所以對(duì)超近距離、風(fēng)險(xiǎn)性較大的穿越點(diǎn)仍保留復(fù)合錨桿樁。對(duì)地面條件不允許的情況，則采用洞內(nèi)增加注漿方式替代。

2)對(duì)于洞內(nèi)徑向注漿，則需要打設(shè)長(zhǎng)導(dǎo)管，打管或鉆孔期間對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，施工中土體掉落現(xiàn)象頻發(fā)，不利于土體穩(wěn)定，達(dá)不到快封閉的施工要求，所以避免采用長(zhǎng)管徑向注漿。而初期支護(hù)背后回填注漿對(duì)開(kāi)挖后期的沉降控制作用明顯，因此要求重復(fù)進(jìn)行初期支護(hù)背后注漿，并將注漿管布置范圍加密。

3)對(duì)于大型橋區(qū)的較高擋墻，按照“邊通過(guò)邊加固”的原則，將“錨桿+腰梁”加固方式作為應(yīng)急預(yù)案，在變形值達(dá)到控制值的70%時(shí)立即啟動(dòng)該措施。

4)超前注漿作為控制掌子面前方土體穩(wěn)定的主要措施，效果較為明顯，因此保留，并根據(jù)具體地層和施工情況將原長(zhǎng)度3 m隔榀打設(shè)超前小導(dǎo)管改為長(zhǎng)度1.75 m每榀打設(shè)。

按以上調(diào)整原則，形成了橋基加固優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同橋基類(lèi)型和風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)采取的具體措施如表1所示。

8 優(yōu)化設(shè)計(jì)后效果分析和施工驗(yàn)證

按照優(yōu)化后的方案對(duì)剩余31個(gè)穿越點(diǎn)施工完成后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，橋樁最大均勻沉降為4.62 mm，擋墻最大均勻沉降為4.30 mm，橋樁和擋墻平均沉降約為2.15 mm，均在控制值范圍之內(nèi)；橋樁同一跨橫橋向不均勻沉降和相鄰橋樁縱橋向不均勻沉降均未超過(guò)控制值，且均未達(dá)到監(jiān)測(cè)預(yù)警值。

表1 主要風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)措施匯總表Table 1 Countermeasures for major risks

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)控制橋樁變形有效，并且具有很強(qiáng)的針對(duì)性和可操作性。同時(shí)，節(jié)約工期約5個(gè)月，減少投資近3 500余萬(wàn)元。該部分地鐵區(qū)間目前已順利投入運(yùn)營(yíng)，橋梁狀態(tài)安全可靠。

9 結(jié)論與體會(huì)

1)對(duì)于區(qū)間隧道穿越大型立交橋橋區(qū)風(fēng)險(xiǎn)工程保護(hù)設(shè)計(jì)，應(yīng)在充分研究和分析巖土工程詳勘報(bào)告、橋梁和周邊環(huán)境調(diào)查資料及區(qū)間隧道與橋梁、橋樁的相對(duì)位置關(guān)系等基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上，明確設(shè)計(jì)思路，制定設(shè)計(jì)原則，以工程類(lèi)比為前提，理論計(jì)算為輔助，根據(jù)不同的工程影響分區(qū)和風(fēng)險(xiǎn)工程分級(jí)進(jìn)行逐點(diǎn)設(shè)計(jì)，并提出施工注意事項(xiàng)和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案。

2)在風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)中，通過(guò)工程和水文地質(zhì)、隧道開(kāi)挖跨度、坍落拱高度、隧道拱頂覆土和底板埋深、橋隧空間關(guān)系以及相應(yīng)的模擬計(jì)算等綜合判斷橋梁與隧道間的接近度和影響區(qū)的方法是合理可行的。面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)工程，切勿進(jìn)行保護(hù)措施堆積，應(yīng)有機(jī)組合，針對(duì)不同的分區(qū)采取有針對(duì)性的保護(hù)措施，分門(mén)別類(lèi)，形成原則性設(shè)計(jì)措施列表，將整個(gè)橋區(qū)每個(gè)穿越點(diǎn)以工程案例的形式納入列表，其特點(diǎn)是：思路清晰，措施明確，既便于設(shè)計(jì)復(fù)核，也便于施工管理。

3)在施工配合階段，應(yīng)嚴(yán)格按信息化設(shè)計(jì)和施工原則，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化和調(diào)整，切實(shí)落實(shí)設(shè)計(jì)之初制定的“安全可行、節(jié)約投資、保證工期”等設(shè)計(jì)原則。

4)復(fù)合錨桿樁具有注漿加固和隔離雙重作用，對(duì)橋基變形控制能起到一定的作用，但受其自身工藝和施工機(jī)具等方面的限制，其注漿漿液并未有效擴(kuò)散，加固范圍基本達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，對(duì)橋基變形的控制作用有限。

5)對(duì)于淺埋暗挖法慣用的洞內(nèi)輔助加強(qiáng)措施，如加強(qiáng)超前小導(dǎo)管和鎖腳錨管、加密格柵、加設(shè)臨時(shí)仰拱、徑向注漿和嚴(yán)格的初期支護(hù)背后回填注漿等作為多年工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，確實(shí)具有其無(wú)法替代的作用，在風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)中尤其應(yīng)注意這些針對(duì)隧道自身施工輔助措施的選擇和應(yīng)用。

6)筆者期望本文能拋磚引玉，為地鐵區(qū)間隧道穿越大型立交橋區(qū)以至于本領(lǐng)域內(nèi)諸如房屋、河道、管線(xiàn)和既有軌道交通等類(lèi)似的風(fēng)險(xiǎn)工程保護(hù)提出設(shè)計(jì)思路，制定設(shè)計(jì)原則，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為其他工程提供一定的借鑒。

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拱北隧道“曲線(xiàn)管幕+凍結(jié)法”破世界難題

2014年9月5日，世界最長(zhǎng)跨海大橋港珠澳大橋珠海連接線(xiàn)拱北隧道暗挖段，中國(guó)鐵建十八局集團(tuán)采用國(guó)際領(lǐng)先、國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的大直徑、長(zhǎng)距離“曲線(xiàn)管幕+凍結(jié)法”施工技術(shù)，2臺(tái)頂管機(jī)并駕齊驅(qū)頂進(jìn)，精度偏差僅5 mm，標(biāo)志著該技術(shù)又取得重大突破。

港珠澳大橋珠海連接線(xiàn)工程項(xiàng)目是港珠澳大橋的重要組成部分，路線(xiàn)全長(zhǎng)約13.74 km。拱北隧道全長(zhǎng)2.74 km，是連接線(xiàn)控制性工程。拱北隧道堪稱(chēng)“地質(zhì)博物館”和“隧道施工技術(shù)博物館”，地質(zhì)條件差，外部干擾大，施工風(fēng)險(xiǎn)高，地下不同種類(lèi)的巖土達(dá)16種之多，地質(zhì)復(fù)雜多變。工程運(yùn)用的“曲線(xiàn)管幕+凍結(jié)法”施工技術(shù)、長(zhǎng)距離大直徑曲線(xiàn)管幕頂進(jìn)技術(shù)、臨海鹽水環(huán)境下長(zhǎng)距離分段分區(qū)精準(zhǔn)控制凍結(jié)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，世界罕見(jiàn)。其中管幕工程是在拱北口岸下一條30多m的狹長(zhǎng)地帶穿過(guò)，兩側(cè)都是樁基管線(xiàn)，施工像穿越“迷宮”。頂管精確度要求控制在±50 mm范圍內(nèi)，不亞于給繡花針穿線(xiàn)，幾乎“零誤差”，345 m2的斷面上共36根直徑1.62 m、長(zhǎng)255 m的鋼管組成的管幕群，是目前國(guó)內(nèi)地質(zhì)情況最復(fù)雜、管幕根數(shù)最多、世界最長(zhǎng)和斷面最大的曲線(xiàn)管幕群。

拱北隧道項(xiàng)目毗鄰澳門(mén)，要下穿日出入境車(chē)輛高峰期近1萬(wàn)輛、出入境人流30萬(wàn)人次的拱北及澳門(mén)關(guān)閘口岸。施工管幕頂部覆蓋土厚度僅4 m 多，其上即為口岸進(jìn)出境風(fēng)雨廊，管幕外側(cè)距澳門(mén)聯(lián)檢大樓樁基最近處為1.6 m，內(nèi)側(cè)距免稅商場(chǎng)回廊樁基最近處約0.46 m，地表沉降要求幾乎“零沉降”，稍有閃失，后果難以預(yù)料。施工人員通過(guò)工藝優(yōu)化、技術(shù)培訓(xùn)及口岸內(nèi)監(jiān)控量測(cè)及時(shí)反饋，確保萬(wàn)無(wú)一失。采用東、西工作井為“曲線(xiàn)管幕+凍結(jié)法”的支點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)技術(shù)最優(yōu)、工藝最精，采用德國(guó)海瑞克UNS導(dǎo)向系統(tǒng)等國(guó)際先進(jìn)儀器，建立自動(dòng)跟蹤測(cè)量網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，為施工安全護(hù)航。采取始發(fā)、頂進(jìn)和接收3階段工作法進(jìn)行施工作業(yè)的同時(shí)，適時(shí)調(diào)配泥水分離器、膨潤(rùn)土分配器等機(jī)具輔助施工，采用直徑1.62 m的AVN1200TC泥水平衡頂管機(jī)頂進(jìn)。為提高頂進(jìn)精度，采取由下向上一次頂進(jìn)的施工順序，解決了群管頂進(jìn)反復(fù)擾動(dòng)地層的施工難題，接收偏差僅5 mm，目前已完成9根管幕。

(摘自 中華鐵道網(wǎng) http://chnrailway.com/html/20140905/409095.shtml 2014-09-09)

StudyonOptimizationofDesignofMinedRunningTunnelCrossingUnderneathLarge-scaleInterchangeinUrbanArea

ZHANG Jinwei

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

In the design of the risky works of mined running tunnel crossing underneath large-scale interchange in urban areas,the construction cost should be minimized and the construction period should be shortened as far as possible and the construction should be executed easily under the condition that the safety of the interchange is guaranteed.A running tunnel of Beijing Metro crosses underneath the pile foundations,enlarged foundations and retaining walls of a large-scale interchange in urban area.The risky works of the running tunnel is designed systematically and in detail by means of numerical simulation,analysis on the load bearing capacity of the bridge piles and analysis on reinforcement of the retaining walls.The design result is handed over for construction execution.During the construction,relevant data is accumulated and analyzed,and the analysis result is fed back to the design so as to optimize the design.In this way,the concept of information-aided construction and design has been fully executed and the investment of the works has been well controlled under the condition that the safety of the interchange is guaranteed.

mining method; running tunnel; interchange; bridge pile; retaining wall; risk; design optimization

2014-01-08;

2014-07-04

張金偉(1981—)，男，河北承德人，2004年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，土木工程專(zhuān)業(yè)，本科，高級(jí)工程師，主要從事隧道和地下工程的設(shè)計(jì)和研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.09.011

U 45

A

1672-741X(2014)09-0887-08