超大跨暗挖平顶直墙结构下穿桥桩研究_李凭雨.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315040超大跨暗挖平顶直墙结构下穿桥桩研究收稿日期:2023 01 11基金项目:中铁第五勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目(T5Y2019 C01)作者简介:李凭雨(1980 )，男，高级工程师，从事城市轨道交通技术设计及管理工作李凭雨，于建涛，闫立鹏(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)摘要:目前城市地铁建设发展迅速，以不同工法下穿桥梁等重大风险源工程项目越来越多，但是超大跨暗挖平顶直墙结构下穿桥梁的工程案例却很少见。以北京地铁 16 号线达官营站换乘通道结构为依托，通过平顶直墙结构导洞分幅、开挖、结构施作等各关键阶段施工对上部桥梁及基础的影响程度及可能带来的危害进行分析，制定出桥梁注浆、顶升加固等设计关键措施以及合理的施工工序。根据制定的措施及关键施工步序对上部的桥梁及桥桩安全性影响进行数值模拟分析评价，实现了下穿桥梁安全可控，并与实际监测数据进行了对比，进而验证了研究成果的适用性、合理性和科学性。关键词:超大跨;平顶直墙;下穿;顶升加固;数值模拟中图分类号:TU921文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0153 040引言随着城市轨道交通的高速发展，地铁区间或车站下穿桥梁施工将会逐渐成为常态。因此，正确评估地铁施工对周 边 重 要桥梁工程的安全 性影响 工 作 意 义 重大1 3。在施工过程中，由于开挖扰动、地层损失和固结沉降等因素会引起地层产生移动和变形，导致附存于地层中的桥梁基础随之发生移动和变形。由于桥梁自身刚度的限制，其对变形控制要求严格，如何采取有效措施控制桥梁及其附属结构的变形4 10，保护地下及地上结构的安全，确保地铁顺利施工，是值得摸索和研究的课题。1工程概况北京地铁 16 号线达官营站设置主换乘通道及辅换乘通道和地铁 7 号线达官营站进行换乘，换乘通道位于广安门大街道路下方，换乘通道采用暗挖法施工，主换乘通道采用中洞法，辅换乘通道采用 CD 法施工。主换乘通道结构为平顶直墙断面，尺寸宽 高约为 14 3 m 612 m;辅换乘通道结构为拱形直墙断面，尺寸宽 高约为 7 8 m 6 5 m。结构覆土厚均约为 10 m 12 m。换乘通道暗挖结构垂直下穿人行天桥，人行天桥上部结构为四跨连续钢箱型梁，下部结构为钢管混凝土墩柱，基础为独立“T”型钢筋混凝土浅基础，墩身埋深442 m，与天桥基础竖向净距约 75 m。详细情况如图 1所示。2地质条件21工程地质条件根据岩土工程勘察报告，地面标高为 45 11 m，常水位标高为 21 69 m，抗浮水位标高取 41 00 m，工程范围内地层从上到下主要有:1杂填土、粉土填土、3粉细砂、5圆砾卵石、卵石、卵石、?13砾岩、?131泥岩。物理性质参数见表 1。11 50038 526辅换乘通道人行天桥19 8326 500主换乘通道15 65014 600地面人行天桥7 3627 596预埋注浆管预埋注浆管预埋注浆管主换乘通道 辅换乘通道90070026 729卵石卵石（a）平面关系图（b）剖面关系图图 1人行天桥与通道关系图热力隧道单位：mm表 1土层物理性质参数表土层名称容重/(kNm3)黏聚力 c/kPa摩擦角/()基床系数/(MPam1)水平垂直1杂填土16 008粉土填土16 58103粉细砂20 302520155圆砾卵石20 50354035卵石21 00409080卵石21 204210090?13砾岩21 02535120120?131泥岩20 240307060换乘通道结构所在地层主要为卵石层。351第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug202322水文地质条件根据岩土工程勘察报告，工程范围内地下水为潜水(二)，含水层主要为砾岩?13层，水位标高为 20 41 m 2169 m，水位埋深为22 40 m 24 05 m。换乘结构底板位于地下水位以上，施工不需要采用降水措施。3工程重难点及措施31平顶直墙施工难度大1)上部环境风险源管线较多:换乘通道暗挖结构下侧穿很多管线，如 5 000 3 000 mm 热力隧道、DN500 燃气、DN600 上水、DN500 雨水、2 400 1 300 mm 雨水方沟等，且由于主换乘通道结构为平顶直墙结构，难度较大。2)平顶直墙断面总跨度较大:地下平顶直墙结构首先应根据其跨度、层数及整体规模适当划分初支分部开挖断面。一般初支断面开挖跨度宜小于 4 m，总开挖跨度宜小于 12 m。此结构平顶直墙结构跨度总约 14 3 m，大大超过 12 m，难度较大。3)上部存在重大风险源人行天桥:换乘通道下穿人行天桥，是本工程风险的最大控制因素，且地铁 M7 线达官营站施工时已经下穿过一次，本次穿越给出的评估值较小，难度极大。综上，采取的措施必须确保桥梁的安全。32保护措施主换乘通道采用平顶直墙中洞法施工，辅换乘通道采用“CD”法施工，通道施工时，上部桥梁沉降变形控制为一个动态控制过程，从前期土方开挖到最终的施工完成均包含在沉降控制范围之内，整个过程中均要采取必要措施控制变形。采取的关键保护措施如下。321保护措施一根据换乘通道平顶直墙结构开挖方法的特点和实际情况，采取了深孔注浆加固及注浆沉降控制、初支和二衬背后跟踪注浆等控制技术。1)土体加固:导洞开挖之前，对既有桥梁下方，换乘通道上部土体进行深孔注浆加固，加固范围为通道顶部3 m 的区域，注浆孔的间距为 700 mm，扩散半径 500 mm，咬合 300 mm，加固可以提高土体性能参数，增加抗变形能力，减小土体损失。换乘通道穿越地层主要为卵石地层，渗透系数大，且位于地下水位以上，采用深孔注浆，浆液采用水泥浆，注浆压力为 0 2 MPa 0 8 MPa，注浆后要求土体无侧向抗压强度不小于 0 8 MPa，渗透系数不小于 1 106cm/s。2)初期支护及二衬结构背后注浆:a 初支背后注浆，初期支护背后回填注浆以初期支护与土层的密贴为原则，在初衬的拱顶和拱脚埋设注浆管，浆液采用水泥浆，注浆孔沿隧道拱部及边墙布置，环向间距:起拱线以上为20 m，边墙为 3 0 m;纵向间距为 30 m，梅花形布置，且拱顶位置需确保有 1 根注浆管;注浆深度为初支背后05 m，注浆压力 0 1 MPa 0 3 MPa。b 二衬背后注浆:初期支护与二衬结构之间以密贴为原则进行填充注浆，浆液强度要求采用高强微膨胀水泥砂浆。注浆导管采用梅花形布置，规格为 DN32 2 75，环向间距 3 m、纵向间距 5 m。注浆压力 0 1 MPa 03 MPa。322保护措施二平顶直墙结构顶板是平顶不起拱结构，相对于拱形结构，初期支护承受较大的弯矩及剪力，轴力反而不大，受力更不利。顶板初支连接节点更是受力薄弱节点，承受大剪力作用，极易形成塑变或溃屈造成较大变形甚至失稳，引起工程风险。对于暗挖平顶直墙结构，顶板初期支护处理好，是保证工程安全的重点，顶板初期支护的节点的处理更是顶板重点处理的关键点。一般，初期支护厚度要选择比拱形隧道更厚，加强初期支护刚度，本换乘通道初期支护构件厚度采用 350 mm。为了防止顶板节点处的结构塑变，在顶板节点板处采用单独辅助帮焊初期支护格栅主筋同直径钢筋的处理方式，采用帮焊处理后，改善了受力薄弱节点的受力，保证了此种结构的工程安全系数。323保护措施三1)为确保桥梁结构安全，边跨结构浇筑时，型钢竖向支撑不拆除直接浇筑二次结构，边跨结构施作完成后采用25a 临时型钢钢柱“换撑”。这样，可以解决凿除竖向支撑带来的竖向支撑不足问题，从而可以有效地减小上部土体或桥梁的变形。2)施作二衬时，必须充分利用受力转换时，应力重分布的时空效应。分段凿除初期支护壁，分段、跳仓施工二衬。一定要避免长距离凿除竖向支撑。3)换乘通道结构为 5 跨结构，按照不大于 6 m 纵向拆撑分段进行，横向支撑拆除及替换也分段进行，减少一次拆撑的范围11。4)为了减少初期支护破马头门刚度不足问题，主换乘通道侧壁开辅换乘通道马头门时，采取二衬进洞的方式。平顶直墙开挖施工及回筑工序示意图见图 2，支顶设备布置见图 3。1111223334455556666图 2平顶直墙开挖施工及回筑工序示意图324保护措施四施工前预先对桥梁采取支顶加固的措施，同时在其墩柱周边预埋注浆花管，跟踪注浆加固。4变形预测及监测分析41计算方法及模型本次预测变形采用数值模拟分析软件 MIDAS GTS451第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑支顶设备支顶设备支顶设备N支顶设备支顶设备支顶设备支顶设备47.0956.4349.75N支顶设备支顶设备支顶设备（a）支顶设备布置平面图（b）支顶设备布置立面图（c）北侧梯梁（换乘通道上部）支顶设备布置立面图图 3支顶设备布置图有限元分析软件进行计算，对达官营站换乘通道施工对桥梁结构的影响进行分析计算。变形预测数值模拟分析计算采用地层 结构模型，并且认为该地铁车站在穿越前地层处于初始平衡状态，最终得到的变形结果就是穿越后的变形状态12 15。计算模型建立如图 4 所示。（a）计算模型图（b）各结构相对位置关系图图 4计算整体模型图42计算结构及分析按照分析的工筹按照施工步进行模拟分析，桥梁结构下部墩柱竖向位移分析结果如图 5，图 6 所示。图 桥梁结构下部墩柱竖向位移（d）纵向通道施工后（c）纵向通道二衬施工后（c）横向通道施工后（a）横向通道二衬施工后DISPLACEMENTTZ，m+2.81e-005-1.07e-003-2.17e-003-3.27e-003-4.37e-003-5.47e-003-6.57e-003-7.66e-003-8.76e-003-9.86e-003-1.10e-00216.1%19.2%8.7%6.0%5.6%5.3%7.7%14.2%13.1%4.1%DISPLACEMENTTZ，m+3.22e-005-1.06e-003-2.16e-003-3.25e-003-4.35e-003-5.44e-003-6.53e-003-7.63e-003-8.72e-003-9.82e-003-1.09e-00216.7%18.8%8.6%5.9%5.6%5.3%7.5%13.9%13.5%4.1%DISPLACEMENTTZ，m+2.50e-003+1.49e-003+4.77e-004-5.36e-004-1.55e-003-2.56e-003-3.57e-003-4.59e-003-5.60e-003-6.61e-003-7.62e-00313.3%18.0%11.2%5.2%4.9%5.0%4.6%6.9%20.1%10.7%DISPLACEMENTTZ，m+2.66e-003+1.64e-003+6.18e-004-4.01e-004-1.42e-003-2.44e-003-3.46e-003-4.48e-003-5.50e-003-6.52e-003-7.54e-00312.4%17.8%12.3%5.0%5.0%5.0%4.6%7.6%20.8%9.5%12111098761234过街天桥变形/mm施工步序图 6下部墩柱竖向位移施工阶段沉降（负数）变化值7.07.611.011.143监控量测针对暗挖下穿既有桥梁制定了严密的监控量测方案，对桥梁结构的整体沉降以及梯柱等进行了严格的监控量测，监测点布置如图 7 所示。D402D404QX101D203D204D201D202T01图例：辅换乘通道D302D304D301D102T02QX02Z104QX104Z103QX103D403D401ND303D104D101Z101Z102QX102QX101D103图 7桥梁结构监测点布置图墩柱、梯道、梯脚沉降监测点；墩柱倾斜监测点天桥主换乘通道监测数据见表 2。表 2桥梁结构监测数据序号监测点号监测类型累计最大沉降/mm倾斜沉降控制值/mm倾斜控制值