盾構隧道穿越人行天橋?qū)蛄喊踩挠绊懛治?/h1>
2020-05-27 03:57趙庚群
工程技術研究 2020年5期
趙庚群
（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）
隨著城市建設的加快，地鐵的建設也越來越多，新建地鐵不可避免地穿越既有橋梁結構樁基、承臺等情況不斷出現(xiàn)，因此如何采取有效的施工措施來保證隧道開挖的順利進行和穿越橋臺、墩柱的安全是工程中十分關心的問題。文章以新機場線盾構區(qū)間隧道穿越某人行天橋墩臺結構及橋梁基礎的安全影響評估為例，運用數(shù)值計算方法，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)律及結論。
1 工程概況
1.1 新機場線一期工程概況
新機場線一期工程南起新機場北航站樓綜合交通中心（遠期延伸至南航站樓綜合交通中心），北至草橋，線路全長39.05km，共設3座車站，分別為新機場北航站樓站、磁各莊站、草橋站，全部為地下站。全線設一段一場，分別為磁各莊車輛段和新機場北停車場。線路南起北航站樓站，出機場范圍后與新機場高速共走廊高架敷設，在京九鐵路過京滬京山鐵路節(jié)點東側下穿京滬高鐵、上跨京山鐵路。后沿規(guī)劃東環(huán)路敷設，至規(guī)劃海鑫北路南側入地。下穿南六環(huán)、海北路，至興亦路與廣平大街交口南側設磁各莊站與規(guī)劃M21（R5，原S6）線換乘。后沿廣平大街敷設至南五環(huán)，穿過五環(huán)兩側綠地轉向廣陽大街，沿廣陽大街向北敷設，穿越海子公園后轉向京開高速，沿京開高速東側綠化帶向北敷設至線路終點玉泉營橋東南側設草橋站與M10、M19（R3）換乘。
1.2 人行天橋概況
某人行天橋位于京開高速，跨越京開高速主輔路。天橋設計為東西走向，天橋東側、西側均為梯道。
某人行天橋主橋橋面長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。上部結構為4跨預應力空心板梁，跨徑組合為（15+21+21+15）m；下部結構為混凝土薄壁墩，基礎為D120鉆孔灌注樁；橋臺為鋼筋混凝土結構，基礎為D120鉆孔灌注樁。橋面采用鋼筋混凝土鋪裝，雙側設鋼護欄，主橋與梯道間設置TST伸縮縫。
1.3 新建地鐵與人行天橋位置關系
新發(fā)地站（不含）～草橋站區(qū)間線路總長2408.196雙線米，為新機場線磁各莊站～草橋站區(qū)間（總長約1.2km）的一部分；區(qū)間結構底板埋深13.5～29.4m。本段區(qū)間以京開某人行天橋以南京開高速東側的19號線新發(fā)地站北端為起點，線路向北沿京開高速東側綠地敷設，穿越京開某人行天橋橋區(qū)，側穿了110kV、220kV高壓塔，下穿馬家樓東路、角門路、鎮(zhèn)國寺北街后到達玉泉營橋東南角的草橋站南端，如圖1、圖2所示。
圖1 盾構區(qū)間與京開某人行天橋平面位置關系圖（單位：mm）
1.4 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件
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、粉細砂②3層、圓礫、礫砂②5層；（3）第四紀沖洪積層，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、粉細砂④3層、卵石圓礫④5層；（4）古近紀基巖，強風化泥巖[14]層。
地下水類型為層間潛水～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，主要接受側向徑流補給，以側向徑流、向下越流以及人工開采為主要排泄方式，受相對隔水層粉質(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。
2 模型建立
根據(jù)京開某人行天橋幾何尺寸大小，結合隧道開挖施工對臨近橋梁結構影響范圍預估確定計算域。該計算模型前后方向長度為140m、左右方向長度為90m，上下深度為60m。對計算區(qū)域內(nèi)土體、京開某人行天橋墩臺結構及橋梁基礎、盾構隧道等進行了三維精細建模，橋臺、承臺、土體、注漿加固區(qū)均采用實體單元，橋梁上部結構、橋梁樁基采用梁單元、盾構管片采用實體單元。
圖2 盾構區(qū)間與京開某人行天橋橫斷面位置關系圖（單位：mm）
根據(jù)計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共計剖分單元378677個。建立的“土體—橋梁—隧道”計算模型如圖3所示。
圖3 計算模型
2.1 計算階段劃分
（1）建立初始自重應力場。在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載作用下，已經(jīng)固結沉降完畢，在此基礎上進行隧道施工，需要將已經(jīng)固結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程時，若要達到天然土層的初始狀態(tài)，必須平衡初始地應力，使得在土體模型中只存在初始應力場而不出現(xiàn)初始位移。模型中第一階段為隧道施工的初始階段，計算出土體及結構在自重作用下的位移場和應力場，通過軟件的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移，并構造初始應力場。
（2）既有橋梁結構及橋梁基礎的模擬。在初始地應力平衡的基礎上，參照橋梁施工過程，先后施做京開某人行天橋樁基及上部結構，計算完成后通過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)隧道施工時的附加位移。
（3）隧道施工過程模擬。隧道工程主要包括新機場線左右線，參照設計的施工順序及施工方法，具體的模擬步序如下：①初始地應力平衡；②京開某人行天橋樁基及上部結構模擬；③新機場線線右線盾構施工；④新機場線線左線盾構施工。
2.2 計算結果
模型寬度取為90m，京開某人行天橋橫向中心大致位于模型寬度的中點處，本次施工階段模擬分為穿越前、穿越過程中、穿越后三個大的階段。為簡化計算，穿越前取15m（一次盾構施工完成），穿越過程中取60m（取6m1個計算長度），穿越后取15m（一次盾構施工完成）。分析橫向和縱向不均勻沉降的考察點位如圖4所示。
圖4 橋臺監(jiān)測點布置圖
（1）新機場線右線盾構施工對京開某人行天橋變形影響分析。新機場線右線盾構施工完成后橋梁位移云圖如圖5所示。
（2）新機場線左線盾構施工對京開某人行天橋變形影響分析。新機場線左線盾構施工開挖完成后橋梁整體變形如圖6所示。
統(tǒng)計整個開挖過程中京開某人行天橋橋臺測點變形統(tǒng)計。人行天橋橋臺、墩柱最大橫向變形及豎向變形：①新機場線右線盾構施工完成，6號墩柱累計最大橫向變形（0.98mm），累計最大豎向變形（3.18mm），3號橋臺、6號墩柱墩臺豎向最大差異變形（-2.38mm）；②新機場線左線盾構施工完成，3號橋臺累計最大橫向變形（3.06mm），累計最大豎向變形（-10.73mm），6、7號墩柱墩臺豎向最大差異變形（-8.75mm）。
圖5 新機場線右線隧道盾構施工完成后橋梁位移云圖
3 結論和建議
3.1 結論
（1）根據(jù)計算分析結果，新機場線工程盾構區(qū)間穿越對京開某人行天橋預測產(chǎn)生最大差異沉降-8.75mm。
（2）該天橋的橋臺及墩柱的沉降超過沉降預警值，雖然橋墩的傾斜值均小于沉降控制值，但是部分相鄰橋臺、墩臺的不均勻沉降超過控制值，建議在隧道盾構穿越前對天橋進行預加固，提高天橋結構的安全性。
3.2 建議
（1）做好下穿施工前的各項準備工作。主要包括作業(yè)人員、物料供應、機具配備、應急物資等準備到位；做好下穿區(qū)域地質(zhì)雷達探測工作，掌握下穿區(qū)域地下障礙物、空洞、水囊等情況，地面預支頂對人行天橋?qū)嵤┍Ｗo措施準備完成后才能進行隧道施工。
（2）距離京開K1+450人行天橋樁基較近處的注漿要嚴格控制注漿壓力和注漿量。
圖6 新機場線左線隧道盾構施工完成后京開某人行天橋變形
（3）盾構隧道施做時應嚴格控制施工順序，逐個隧道施工且控制好盾構施工參數(shù)，先注漿加固后盾構施做。
（4）施工過程中加強對既有京開某人行天橋結構的實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果，反饋指導施工。
（5）編制應急預案，以便在發(fā)生問題時各相關單位及人員能夠及時有效地進行處理，將事故所造成的損失及不良影響降低到最低限度。
（6）施工結束后，應當對京開某人行天橋結構進行檢查，如若局部出現(xiàn)裂縫，應對其進行耐久性修復。
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趙庚群
（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）
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1 工程概況
1.1 新機場線一期工程概況
新機場線一期工程南起新機場北航站樓綜合交通中心（遠期延伸至南航站樓綜合交通中心），北至草橋，線路全長39.05km，共設3座車站，分別為新機場北航站樓站、磁各莊站、草橋站，全部為地下站。全線設一段一場，分別為磁各莊車輛段和新機場北停車場。線路南起北航站樓站，出機場范圍后與新機場高速共走廊高架敷設，在京九鐵路過京滬京山鐵路節(jié)點東側下穿京滬高鐵、上跨京山鐵路。后沿規(guī)劃東環(huán)路敷設，至規(guī)劃海鑫北路南側入地。下穿南六環(huán)、海北路，至興亦路與廣平大街交口南側設磁各莊站與規(guī)劃M21（R5，原S6）線換乘。后沿廣平大街敷設至南五環(huán)，穿過五環(huán)兩側綠地轉向廣陽大街，沿廣陽大街向北敷設，穿越海子公園后轉向京開高速，沿京開高速東側綠化帶向北敷設至線路終點玉泉營橋東南側設草橋站與M10、M19（R3）換乘。
1.2 人行天橋概況
某人行天橋位于京開高速，跨越京開高速主輔路。天橋設計為東西走向，天橋東側、西側均為梯道。
某人行天橋主橋橋面長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。上部結構為4跨預應力空心板梁，跨徑組合為（15+21+21+15）m；下部結構為混凝土薄壁墩，基礎為D120鉆孔灌注樁；橋臺為鋼筋混凝土結構，基礎為D120鉆孔灌注樁。橋面采用鋼筋混凝土鋪裝，雙側設鋼護欄，主橋與梯道間設置TST伸縮縫。
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圖1 盾構區(qū)間與京開某人行天橋平面位置關系圖（單位：mm）
1.4 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件
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、粉細砂②3層、圓礫、礫砂②5層；（3）第四紀沖洪積層，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、粉細砂④3層、卵石圓礫④5層；（4）古近紀基巖，強風化泥巖[14]層。
地下水類型為層間潛水～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，主要接受側向徑流補給，以側向徑流、向下越流以及人工開采為主要排泄方式，受相對隔水層粉質(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。
2 模型建立
根據(jù)京開某人行天橋幾何尺寸大小，結合隧道開挖施工對臨近橋梁結構影響范圍預估確定計算域。該計算模型前后方向長度為140m、左右方向長度為90m，上下深度為60m。對計算區(qū)域內(nèi)土體、京開某人行天橋墩臺結構及橋梁基礎、盾構隧道等進行了三維精細建模，橋臺、承臺、土體、注漿加固區(qū)均采用實體單元，橋梁上部結構、橋梁樁基采用梁單元、盾構管片采用實體單元。
圖2 盾構區(qū)間與京開某人行天橋橫斷面位置關系圖（單位：mm）
根據(jù)計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共計剖分單元378677個。建立的“土體—橋梁—隧道”計算模型如圖3所示。
圖3 計算模型
2.1 計算階段劃分
（1）建立初始自重應力場。在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載作用下，已經(jīng)固結沉降完畢，在此基礎上進行隧道施工，需要將已經(jīng)固結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程時，若要達到天然土層的初始狀態(tài)，必須平衡初始地應力，使得在土體模型中只存在初始應力場而不出現(xiàn)初始位移。模型中第一階段為隧道施工的初始階段，計算出土體及結構在自重作用下的位移場和應力場，通過軟件的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移，并構造初始應力場。
（2）既有橋梁結構及橋梁基礎的模擬。在初始地應力平衡的基礎上，參照橋梁施工過程，先后施做京開某人行天橋樁基及上部結構，計算完成后通過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)隧道施工時的附加位移。
（3）隧道施工過程模擬。隧道工程主要包括新機場線左右線，參照設計的施工順序及施工方法，具體的模擬步序如下：①初始地應力平衡；②京開某人行天橋樁基及上部結構模擬；③新機場線線右線盾構施工；④新機場線線左線盾構施工。
2.2 計算結果
模型寬度取為90m，京開某人行天橋橫向中心大致位于模型寬度的中點處，本次施工階段模擬分為穿越前、穿越過程中、穿越后三個大的階段。為簡化計算，穿越前取15m（一次盾構施工完成），穿越過程中取60m（取6m1個計算長度），穿越后取15m（一次盾構施工完成）。分析橫向和縱向不均勻沉降的考察點位如圖4所示。
圖4 橋臺監(jiān)測點布置圖
（1）新機場線右線盾構施工對京開某人行天橋變形影響分析。新機場線右線盾構施工完成后橋梁位移云圖如圖5所示。
（2）新機場線左線盾構施工對京開某人行天橋變形影響分析。新機場線左線盾構施工開挖完成后橋梁整體變形如圖6所示。
統(tǒng)計整個開挖過程中京開某人行天橋橋臺測點變形統(tǒng)計。人行天橋橋臺、墩柱最大橫向變形及豎向變形：①新機場線右線盾構施工完成，6號墩柱累計最大橫向變形（0.98mm），累計最大豎向變形（3.18mm），3號橋臺、6號墩柱墩臺豎向最大差異變形（-2.38mm）；②新機場線左線盾構施工完成，3號橋臺累計最大橫向變形（3.06mm），累計最大豎向變形（-10.73mm），6、7號墩柱墩臺豎向最大差異變形（-8.75mm）。
圖5 新機場線右線隧道盾構施工完成后橋梁位移云圖
3 結論和建議
3.1 結論
（1）根據(jù)計算分析結果，新機場線工程盾構區(qū)間穿越對京開某人行天橋預測產(chǎn)生最大差異沉降-8.75mm。
（2）該天橋的橋臺及墩柱的沉降超過沉降預警值，雖然橋墩的傾斜值均小于沉降控制值，但是部分相鄰橋臺、墩臺的不均勻沉降超過控制值，建議在隧道盾構穿越前對天橋進行預加固，提高天橋結構的安全性。
3.2 建議
（1）做好下穿施工前的各項準備工作。主要包括作業(yè)人員、物料供應、機具配備、應急物資等準備到位；做好下穿區(qū)域地質(zhì)雷達探測工作，掌握下穿區(qū)域地下障礙物、空洞、水囊等情況，地面預支頂對人行天橋?qū)嵤┍Ｗo措施準備完成后才能進行隧道施工。
（2）距離京開K1+450人行天橋樁基較近處的注漿要嚴格控制注漿壓力和注漿量。
圖6 新機場線左線隧道盾構施工完成后京開某人行天橋變形
（3）盾構隧道施做時應嚴格控制施工順序，逐個隧道施工且控制好盾構施工參數(shù)，先注漿加固后盾構施做。
（4）施工過程中加強對既有京開某人行天橋結構的實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果，反饋指導施工。
（5）編制應急預案，以便在發(fā)生問題時各相關單位及人員能夠及時有效地進行處理，將事故所造成的損失及不良影響降低到最低限度。
（6）施工結束后，應當對京開某人行天橋結構進行檢查，如若局部出現(xiàn)裂縫，應對其進行耐久性修復。
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