地铁暗挖车站下穿立交桥沉降控制技术研究与应用

许爱峻

(中铁十九局集团第一工程有限公司,辽宁 辽阳 111000)

地铁暗挖车站下穿立交桥沉降控制技术研究与应用

许爱峻

(中铁十九局集团第一工程有限公司,辽宁 辽阳 111000)

以北京地铁十号线莲花桥站下穿既有桥梁为例，探讨了PBA工法暗挖车站施工对下穿立交桥安全的影响。采用FLAC3D软件对施工过程进行数值模拟，同时采用以双排导管+控制注浆为主的沉降控制技术，数值模拟动态指导施工；最后结合现场实测数据，从理论以及实际中论证了该技术的可行性，桥台基础及变形缝差异沉降均保持在安全允许控制值内。这对今后的地铁下穿既有桥梁工程施工具有一定的指导意义。

地铁车站；PBA工法；下穿桥梁；沉降控制

随着城市地铁建设规模的逐渐增大，新建地铁线路不可避免地从已建成的市政桥梁的基础侧面或下方穿过[1-3]。当地铁下穿既有桥梁施工时，开挖引起的地层损失可能会导致施工范围内的桥梁基础发生不均匀沉降，从而导致桥梁的安全性受损[4-5]。如何确保在地铁施工过程中既有桥梁的安全使用一直都是社会各方关注的焦点。综合国内外理论研究以及施工经验[6-7]，对新建地铁车站下穿既有桥梁工程的加固措施主要有：①加固桥台附近地层，提高土层的自身承载力，减小桥台的不均匀沉降。②扩大基桩承台，提高桥桩的承载力。③车站主体结构施工时采用强度高的支护结构，减小开挖引起的地层损失。④在新建地铁车站与既有桥梁基础之间施作隔离桩等，隔断地铁施工对既有桥梁的影响。

目前，国内不少专家学者对类似的工程都进行了大量的研究。骆建军[8]等研究了北京地铁开挖对临近管线的影响；万良勇[9]等以北京地铁双井站为例，针对地铁区间隧道“零距离”穿越既有车站的施工工况，探索了不同开挖方式对既有结构变形的影响。张成平[10]等研究了暗挖地铁车站下穿既有地铁隧道施工控制技术。孙旭东[11]在北京地铁6号线东四站施工时提出采用超前注浆加固及止水技术、CRD+千斤顶支护法、辅助深孔注浆及背后回填和补偿注浆技术等暗挖隧道下穿既有车站施工技术，取得了良好的效果。以上多是对新建隧道穿越既有车站、管线的施工技术研究，对于地铁下穿既有桥梁的技术研究不多，尤其是地铁车站采用PBA工法对桥梁影响的案例研究甚少，本文将对此技术进行研究。

1 工程概况

北京地铁十号线莲花桥站位于莲花桥北侧、西三环路正下方，沿西三环中路南北向设置。主体结构为地下两层三跨、拱顶直墙框架结构；车站主体结构长度约184.0 m(沿右线剖切)，标准段宽21.9 m，站台宽度12 m，底板埋深约25.2 m，顶板覆土厚约6～10 m。车站主体结构采用暗挖PBA工法施工，附属结构除出入口口部采用明挖法施工外，其余均采用暗挖法施工。

莲花桥暗挖车站主体结构下穿莲花桥主桥以北的莲花桥1号桥。地铁结构线与莲花桥立交结构基础水平距离和垂直距离较近，工程施工对既有莲花桥立交会产生一定影响，是莲花桥站土建施工工程的一个控制性风险工程。莲花桥1号桥宽约48.0 m，长约14 m，桥梁上部结构为单跨钢筋砼简支T型梁，梁高0.7 m；下部结构基础为扩大基础，重力式桥台(每座桥台设3道沉降缝，间距10～12 m)；桥面设防水层，上设沥青面层，支座均为板式橡胶支座。车站暗挖段垂直下穿桥台基础，标准导洞与桥台底净距约2.3 m，初衬扣拱与桥台净距约2.0 m。莲花桥与地铁车站结构之间的剖面关系详见图1。

该段地质条件较为复杂,如图2所示。车站顶板上方主要以杂填土、粉土填土、圆砾层为主，车站高度范围内主要以圆砾、卵石圆砾以及强风化砾岩为主，地基土主要持力土层均为强风化砾岩。

图1 车站主体下穿莲花桥1#桥纵剖图(单位：mm)

图2 车站主体地质断面图

2 下穿立交桥沉降控制技术

2.1 桥梁变形的数值模拟分析

莲花桥暗挖车站主体结构下穿莲花桥1#桥属于一级风险源，存在以下工程重难点：①车站拱部距离桥台最近距离为1.7 m。②既有莲花桥1#桥结构控制标准非常严格，沉降差异值不超过3 mm。③在主体结构范围内沿车站走向的地下管线较多，且距离桥台距离较近，结构施工时必须保证两者使用的安全性。车站结构施工过程中，必须保证桥梁各个部分的形变、位移、应力变化等参数控制在合理的区间内，使桥梁结构安全性以及使用耐久性得到保证。因此在该工程施工前，须预测评估桥梁的变形，研究具有针对性的应对措施，以减小车站施工时对既有桥梁的影响。

综上所述，本文采用FLAC3D软件模拟区间开挖过程，进行建模分析。考虑到尺寸效应带来的计算误差，计算范围取：左右边界为2.5倍车站宽度，下边界为1.5倍车站高度，上边界到地面，沿车站纵向取30 m，围岩、初支、二衬、桥台均采用8节点六面体实体单元模拟，超前支护注浆层采用提高地层参数来模拟，土体开挖采用null模型。模型的前后、左右边界施加x向约束，上边界为应力位移自由边界，下边界施加全约束。所建模型见图3、图4。

图3 计算模型图

图4 莲花桥1#桥模型图

模型的建立及后处理分析是严格按照PBA工法的施工工序进行的。在数据分析过程中，与实践经验类似，在车站扣拱期间的地表沉降值最大，地层沉降云图详见图5。

图5 车站扣拱完成后地层竖向沉降云图

在数值模拟计算中不考虑车站上导洞及扣拱拱部的土体加固时，经过模拟分析得出莲花桥1#桥下方的道路地表最大沉降值为30.5 mm，因车站开挖导致的桥台不均匀沉降约为7.3 mm。当计算中考虑车站上导洞及扣拱拱部的土体加固时，分析得出莲花桥1#桥下方的道路地表最大沉降值为13.5 mm，因车站开挖导致的桥台不均匀沉降约为3.0 mm。模拟计算结果详见图6～图7。

将计算得出的地表沉降分解至各工况状态，各工况的沉降比例如表1、表2所示。

图6 桥台沉降曲线

图7 地面沉降曲线

2.2 桥梁变形控制方案

表1 地表沉降比

表2 桥台不均匀沉降比

结合前文对施工过程的数值分析，并根据本工程的实际情况，对车站下穿莲花桥1#桥范围内(南北两座桥台向外各3.0 m范围)，采用以双排导管+控制注浆工艺的施工控制技术为主、其他沉降控制技术为辅的方案对桥台进行保护，详见图8。主要包括以下几个方面：

图8 车站主体结构下穿桥梁处理措施图(单位：mm)

(1)根据数值模拟分析，把沉降值分解至各工况状态，得出沉降主要发生在上层导洞及扣拱施工阶段，故上层导洞下穿莲花桥1#桥桥台前，须对导洞起拱线与桥台之间的区域进行注浆加固。土体在注浆完成后，其有良好的均匀性和自立性使掌子面没有明显的渗水。注浆后土体的无侧限抗压强度须达到0.5～0.8 MPa。注浆工艺采用双重管无收缩深孔注浆，浆液种类根据现场注浆试验效果调整。

(2)加强初衬拱部超前注浆：①上层导洞拱部以及初衬扣拱上方，每榀设置∅25 mm超前导管并注浆，注浆时采取控制注浆工艺，保留部分导管先不注浆，后期根据对桥台的监测结果，调整注浆参数后有针对性的利用剩余导管进行注浆。②掌子面开挖前打设超前地质探孔并分析地层状况，若存在渗漏水严重、地层情况与勘察报告不符、土层较差时应封闭掌子面，须重新修正设计参数后才能继续施工。③初期支护形成后在其背后及时注浆填充空隙，并使附近土层得到加固，减小因隧道开挖引起的地面沉降。根据地勘报告，注浆材料采用1∶1水泥浆，注浆压力控制在0.1～0.3 MPa。在初衬与二衬之间压注与二衬混凝土等强的无收缩水泥浆，注浆压力小于0.1 MPa。

(3)辅助的控制沉降施工技术主要包括以下几方面：①主体初衬结构控制开挖步距0.5 m，且由南、北方向对称开挖两桥台下方的暗挖结构。②桥梁下方的道路上铺设钢板，降低车辆行驶过程中产生的振动对支护结构及围岩造成的影响。③加强监控量测，做到洞内与地面监测同步，并做到信息化施工。将桥台的控制指标分解到车站各施工步序中，根据分项工程的监控量测结果，及时调整施工参数，指导后续工程施工。④鉴于莲花桥变形反应敏感，变形控制要求极其严格，监测过程中除保证数据的完整、可靠外，还应加强对数据的分析与利用。对桥梁反应的预测，应贯穿于施工的全过程。

3 桥梁的监控量测分析

3.1 现场监测项目及控制指标

本工程采用了动态实时监测系统，为判断施工过程引起的环境变化、既有桥梁状态提供依据，并将数据分析反馈施工，以使现场据此采取对应动态控制措施。监测项目见表3，桥台、桥梁测点布置平面图详见图9。除对既有站的监测外，本工程还设置了对地表及地层变形进行的实时精密监测，从而得到下穿桥梁施工过程中地层变形分布规律，为设计施工提供更符合工程实际情况的设计参数，为以后类似工程积累相关经验。

表3 监测项目表

图9 测点布置平面图(单位：mm)

3.2 施工过程监测结果分析

根据现场数据可以得出，莲花桥站主体暗挖施工期间，莲花桥1#桥桥台基础差异沉降测点共有2个超出报警值、1个超出预警值；变形缝差异沉降和桥台基础沉降测点都在正常范围内。桥台基础沉降最终累计值范围+3.3～-4.4 mm，桥台基础差异沉降最大值为-3.8 mm；变形缝差异沉降累计最大值为-1.2 mm，为QCJ02-06测点与QCJ02-07测点之间的差异沉降。桥梁墩柱累计变形沉降值为-4.4 mm，详见表4。

表4 监测数据与累计变形量最大值统计表

监测数据显示，莲花桥1#桥沉降监测点在车站进行上导洞施工期间沉降最明显，沉降量较大，中导洞及下导洞施工期间隧道桥梁墩台阶段沉降量较小。主体暗挖导洞施工至桥区影响区域，由于车站暗挖段垂直下穿桥台基础，标准导洞与桥台底净距约2.0 m，初衬扣拱与桥台净距约1.7 m。在主体暗挖上导洞开挖至3号桥台位置处，桥台基础沉降测点QCJ02-03的基础差异沉降达到-2.7 mm，变形缝差异沉降达到-1.1 mm。基于此，主体暗挖掌子面暂停作业，持续对莲花桥1#桥桥区位置进行注浆，桥台基础沉降测点QCJ02-03累计沉降值回升到-2.0 mm，桥台基础差异沉及变形缝差异沉降均变化至设计控制值之内。中导洞及下导洞施工期间隧道桥梁墩台阶段沉降量较小。

上述分析及检测数据表明，在车站主体结构施工过程中既有桥梁结构是安全的。

4 结论

(1)PBA工法施工时须分解施工工序并制定沉降指标，针对不同工况采用具有针对性的沉降控制方案，要体现过程控制。

(2)数值计算因为具有一定的局限性，应与工程的实时监测数据结合，从理论到实践对工程进行指导。

(3)本工程的顺利实施，有望解决类似地下工程的技术难题，突破下穿既有桥梁工程的瓶颈，为国内地铁发展进一步夯实技术基础，为后续类似工程提供重要参考。

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A Study and Application of the Settlement-Controlling Technique for the Underground-Excavated Subway Station Under-Crossing a Flyover

XU Aijun

(The 1st Engineering Co. Ltd. of the 19th Bureau Group of China Railway,Liaoyang 111000,China)

With the project of the Lotus Flower Station under-crossing an existing bridge of Line 10 of the Beijing Metro as a practical example,the effect of the construction of the underground-cut and the PBA-method-built subway station on the security of under-crossing a flyover is explored in the paper.The construction process of the project is numerically simulated by means of the software of the FLAC3D, with the dual-row conduits+the controlled slip-casting settlement-controlling technique adopted for the project in the meantime, upon the basis of which the construction of the project is dynamically guided by means of numerical simulation.Finally,the feasibility of the technique is testified in both theory and practice with the site-measured data.With the technique adopted,the values of both the settlement of the bridge abutment and the differential settlement resulting from the deformation joints are kept within the permissible and safe control range. The project may serve as a certain guide for the construction of other subway projects under-crossing existing bridges.

subway station;PBA Method;under-crossing bridge;control of settlement

2016-08-22

许爱峻(1978—)，男，高级工程师，主要从事地下空间及隧道工程方面的研究工作。1270055350@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.018

U231.3

B

1672-3953(2016)06-0066-05