地铁车站“PBA”工法施工穿越桥梁采取隔离桩保护的效果分析

马承禹

（北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司，北京 100000）

0 引言

地铁车站施工方法主要包括明挖法、盖挖法、暗挖法。当车站通过繁忙交通地段或邻近既有桥梁设施时，多采用暗挖法。考虑到工期、造价等因素，近年来，“PBA”工法作为浅埋暗挖法的一种，广泛应用于地铁车站施工中。

虽然车站中桩、梁、拱、柱在前期形成了主要受力的框架体系，后面的大体积土方开挖都是在体系的保护下进行，大大减小了对地面沉降的影响，但在未形成框架体系前，也就是导洞开挖、初支扣拱、二衬扣拱过程中，对地面沉降影响较大，同样对于埋深较浅的扩大基础桥梁也有较大的影响。

而施作隔离桩作为对既有桥梁保护的措施，在车站施工前期未形成框架体系时大大减少车站施工对桥梁的影响。后续站厅层、站台层大面积土方开挖时，在隔离桩与整个框架体系共同保护下，对既有桥梁沉降影响较小。

1 “PBA”工法概要

“PBA”工法的核心在于设法形成由侧壁支撑结构和拱部初期支护组成的整体支护体系，代替传统的预支护和初期支护结构，以保证在进行洞室主体部分开挖时具有足够的安全度，并有效地控制地层沉降。

“PBA”工法施工车站的结构为直墙多层多跨拱形结构，采用复合衬砌支护型式。拱部初期支护为格栅+喷射混凝土结构，利用大管棚、超前小导管及注浆等辅助措施对前方土体进行预加固、支护[1]，侧墙初期支护为灌注桩，中柱多采用钢管柱型式。某工程“PBA”工法示意图见图1。

图1 某工程“PBA”工法示意图（单位：高程为m，其余为cm）

2 隔离桩应用案例分析

2.1 地铁车站概况

车站为双层三跨岛式车站，主体结构宽21.3m，高16.06m，覆土约8.1m，采用暗挖“PBA”工法施工，总长212.3m，车站有效站台中心处轨面高程25.08m，有效站台宽12m。

车站设2 个风道、4 个出入口、2 个无障碍电梯、1个设备通道、1 个外挂厅和1 个安全出口。1 号风道位于东南绿地内，为双层三跨结构，采用明挖法施工；2号风道位于西北绿地内，为双层单跨拱顶直墙结构，采用“PBA”工法施工；4 个出入口分别位于车站的西北、东北、东南、西南，出入口跨路部分采用暗挖施工，场地条件允许时采用明挖施工；外挂厅位于西北绿地内，采用明挖法施工；无障碍电梯井采用明挖法；安全出口通道采用暗挖法施工。

2.2 既有桥梁概况

2.2.1 上部结构

桥梁上部结构为预应力混凝土连续箱梁和预应力混凝土简支T 梁，中央隔离带处设2cm 结构缝，将主梁横向分为东、西半幅。全桥共24跨，由18跨26.87m预应力简支T梁+2联[跨径组成为（27m+35m+27m）×2]预应力混凝土连续箱梁组成，桥梁全宽36m。T 梁梁高为1.5m，每跨有4 片边梁，16 片中梁，全桥共360 片T 型主梁采用C50 混凝土。地铁车站施工穿越桥梁位置为27m+35m+27m 预应力混凝土连续箱梁，梁高1.5m。桥梁平面图见图2。

图2 桥梁平面图（单位：cm）

2.2.2 下部结构

盖梁：中墩盖梁采用整体现浇预应力钢筋混凝土盖梁。

墩柱：墩柱为混凝土预制，上接盖梁，下接承台，截面为矩形0.7m×1.6m，部分墩柱柱顶外包钢板。

承台：钢筋混凝土承台，上接墩柱，中墩承台厚度均为2.0m，采用矩形承台：平面尺寸有3.3m×4.2m及4.9m×5.8m。

桥台：现浇重力式桥台。

支座：全桥采用板式橡胶支座。

2.3 地铁车站与既有桥梁位置关系

地铁车站在里程右K19+463.200—K19+498.500范围（35.3m）内正交下穿既有桥梁预应力钢筋混凝土三跨连续箱梁21#～22#轴的35m 桥跨。

车站主体结构施工采用洞桩法，在暗挖车站与桥梁基础之间打设隔离桩。隔离桩距离桥梁20#轴基础水平净距为27.948～32.678m，结构埋深36.11m；隔离桩距离桥梁21#轴基础水平净距为0.948～2.4741m，结构埋深26.11m；隔离桩距离桥梁22#轴基础水平净距为0.924～1.452m，结构埋深26.11m；隔离桩距离桥梁23#轴基础水平净距为27.123～31.728m，结构埋深36.11m。

2.4 隔离桩施工方法

根据车站主体结构与桥梁基础的位置关系，在车站与桥梁基础之间打设隔离桩，隔离桩直径1200mm，桩间距1.8～2.7m，其中A 型桩桩长25.31m；B 型试验桩（2 根）桩长35.51m，上部23.51m 配筋同A 型桩，下部12m 采用C25 素混凝土桩。隔离桩布置在车站主体两侧与桥梁基础之间，每侧18 根，共计36 根。桩体采用C25 混凝土，隔离桩上端设置冠梁，将桩连接为整体以提高围护结构的稳定性。隔离桩布置平面图见图3。

图3 隔离桩布置平面图（单位：mm）

由于桥下净空只有4.5m，采用改进后的反循环钻机成孔，其外形尺寸为5750mm（长）×2250（宽）×4100mm（机架高），外形尺寸满足桥下净空尺寸要求。轮式钻机，机动性强，机头位置设置机架，设置上下行程满足换钻杆需求，机身为压缩机，靠吸力将泥渣抽出。钻杆直径300mm，单节长度1m，丝扣连接。钻头设置两种，一种用于钻进，配置合金钢钻头和冲击钻头，在钻进过程中遇较大卵石可冲击破碎；另一种用于捞碴，在钻进过程中遇较大颗径卵石无法进尺时，提出钻杆，更换中空带有钢丝钻头，进行捞碴。泥浆池设置在竖井内，泥渣通过高强度聚硫密封管（其强度是普通钢管的6 倍）抽出至竖井内。

2.5 监测思路

第一，汇集所监测桥梁相关设计资料、工前监测报告并进行现场踏勘，从外观等方面了解桥梁现状，分析施工对桥梁影响程度。

第二，制订监测项目计划和方案，根据监测方案及时布设监测点，监测点布设要做到可以相互校核，保证准确性，并在桥梁现场条件允许的情况下，增设实时监测设备。

第三，根据要求布置好测点，并时刻关注施工现场，提出对现场测点保护意见。

第四，监测工作应在工程施工之前向设计单位获取各施工阶段相关监测控制数据，作为监测数据的理论指导。在监测中，监测频率根据项目要求和施工情况来确定。

第五，所有现场测得的数据，要通过自动或人工的形式，及时安全地传送到数据库系统中，以便按时提供可靠的结果。

第六，将现场测得的数据的分析结果和预测，定期以简报形式汇报有关单位。

2.6 测点布置

根据桥梁结构，结合实地情况，在19～24#轴，每个墩柱各布置1 个沉降测点，其中20～23#轴为三跨连续梁，在连续梁两侧各选取一跨简支梁进行沉降监测。沉降监测数据用于计算桥墩竖向位移、相邻墩基础竖向不均匀沉降、盖梁横桥向不均匀沉降位移等。沉降测点布置图见图4。

图4 沉降测点布置平面图

另外，对于距离车站结构最近的21#、22#轴，采用静力水准仪进行沉降数据自动化采集，在每个墩柱对应的梁底各布置1 个测点。并且静力水准仪具备实时采集、传输的功能。

工前监测报告显示，桥梁目前存在多条裂缝，因此选取其中2～4 条具有代表性的裂缝，现场做标记，定期监测裂缝的长度、宽度的变化。

监测各项目的布点应便于量测，尽量减少对其他工序的干扰。

2.7 监测数据反馈

监测数据信息反馈是监测的重要步序，要求合理、准确、快速、连续。通过数据的分析、反馈形成能够指导施工的有效工程信息。此次桥梁监测，根据现场情况选择量程和灵敏度满足要求的自动化设备，利用常规沉降监测与自动化采集的相互校核，保证数据反馈的准确、快速；并且防止了桥墩监测点因意外情况掉落而导致监测数据的中断，保证施工全过程中监测数据的连续性。

2.8 监测情况

2.8.1 施工全过程沉降监测数据总结

墩柱沉降监测过程中上升变化最大测点为Q20-2，变化量为1.19mm；下降变化最大测点Q22-1，变化量为-3.03mm；最终累计变化最大测点Q22-1，累计变化量为-2.42mm。

墩柱横向差异沉降监测过程中变化最大测点为Q22-1～Q22-2，变化量为-1.40mm；最终累计变化最大测点Q22-1～Q22-2，累计变化量为-0.70mm。

墩柱纵向差异沉降监测过程中变化最大测点为Q22-1～Q23-1，变化量为-2.56mm；最终累计变化最大测点Q22-1～Q23-1，累计变化量为-1.28mm[2]。

2.8.2 监测控制值

使用Midas 软件，采用梁单元，对桥梁建立模型，计算在各种不均匀沉降工况下的内力，进行承载能力极限状态及正常使用极限状态的验算，得出桥梁控制技术指标。其中21#轴（22#轴）墩顶最不利负弯矩引起沉降的计算结果见图5。

图5 21#轴（22#轴）沉降计算结果

（1）主桥三跨预应力钢筋混凝土连续梁，相邻墩基础竖向（纵向）不均匀沉降控制值为5mm；

（2）中墩和边墩盖梁横桥向2 个墩柱不均匀沉降位移控制值为3mm；

（3）简支T 梁桥跨，相邻墩基础竖向(纵向)不均匀沉降控制值为10mm；

（4）桥区附近道路主路路面沉降控制值为10mm、辅路路面沉降控制值为15mm。

根据桥梁特点以及规范要求，该项目预警采用三个级别，且以变形累计量作为控制指标，即累计值大于等于控制值的60%且小于80%时，为黄色预警；累计值大于等于控制值的80% 且小于100%，为橙色预警；累计值大于等于控制值，为红色预警[3]。

2.8.3 监测结论

监测结果表明：墩柱横向、纵向差异沉降测点累计变化值均未达到预警；墩柱沉降变化速率及累计变化值均较小。经现场巡视：箱梁原有裂缝无明显变化，监测过程中未见新开展的结构性裂缝。

2.8.4 施工后检测结果

根据《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99—2017），检测范围内富丰桥综合状态指数BCI=80.8 分，综合状态评定为B 级，较工前检测评分BCI=81.3 稍低[数据来源：地铁车站下穿桥梁工后现状检测报告（京建质检J3-G-2020-0022）]。

其中：

箱梁、T 梁跨中未见明显下挠变形。

内环桥：第22 跨原有裂缝12 处未见明显变化，裂缝长0.35～1.5m，宽0.07～0.79mm；原有混凝土缺损、剥离4 处已修复，原有锈胀开裂5 处未见明显变化，原有水迹2 处未见明显变化[4]。

外环桥：第22 跨原有裂缝7 处未见明显变化，裂缝长0.25～0.85m，宽0.07～5.2mm；新增位于翼缘斜向裂缝1 处，新增裂缝长1.5m，宽0.15mm；原有锈胀露筋3 处，已修补2 处，1 处未见明显变化；新增锈胀露筋3 处分别位于翼缘、箱梁底面、箱梁腹板；原有水迹1 处未见明显变化，新增翼缘水迹1 处。

21#、22#轴桥墩未见明显病害。

2.9 效果分析

施工各阶段与桥墩沉降关系见图6，桥区车站施工各主要施工步序见表1。

表1 桥区车站施工各主要施工步序

图6 施工各阶段与桥墩沉降关系图

2.9.1 从图6 及表1 数据可以看出：1 阶段墩柱沉降较为明显，21#、22#轴桥墩最大累计沉降量约为-2mm，此阶段对应施工步序为隔离桩施工；而在2、3、4 以及其他施工阶段，墩柱沉降均较小[5]。

2.9.2 通过监测结果及桥梁工前工后监测的对比，桥梁未见新开展的结构性病害，施工对桥梁结构的影响较小。

3 结论

第一，前期隔离桩施工阶段对桥梁沉降影响较为明显，但变化速率和累计值均在控制范围之内；

第二，采用“PBA”法进行车站主体施工时，在框架体系形成前隔离桩对既有桥梁沉降保护效果较为明显，沉降数据无明显变化；

第三，框架体系形成后，车站站厅层、站台层大体积土方开挖时，由隔离桩与框架体系共同保护下，桥梁沉降数据无明显变化。

第四，总结地铁穿越经验，今后遇到相似穿越项目施工时，严格把控隔离桩施作过程及成桩质量，降低地铁车站施工对扩大基础桥梁沉降影响。