安志剛 趙寶忠

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600；2.內(nèi)蒙古中電物流路港有限責(zé)任公司赤峰鐵路分公司 內(nèi)蒙古赤峰 024000)

1 引言

隨著地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)的加快，新建地鐵鄰近或下穿既有市政橋梁的重大風(fēng)險(xiǎn)工程與日俱增。新建地鐵施工對(duì)周邊土體擾動(dòng)可能會(huì)對(duì)鄰近橋梁運(yùn)營(yíng)帶來安全隱患[1-2]。

本文以北京地鐵19號(hào)線區(qū)間隧道穿越某立交南幅橋施工為研究背景，在對(duì)橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行檢測(cè)的基礎(chǔ)上，分析地鐵施工對(duì)橋梁的影響；采用施加強(qiáng)制位移的方式，計(jì)算確定橋梁允許變形值，并基于巖土有限元分析軟件，預(yù)估橋梁在地鐵近距離下穿施工后的變形情況，以達(dá)到對(duì)既有橋梁監(jiān)控和預(yù)警提供充分理論依據(jù)的目的。

2 工程概況

2.1 既有橋梁概況

某立交由南北兩幅橋組成，南幅橋橋梁垂直斷面寬度為(1.25+16.5+1)m，其中1.25 m為地袱、步道及欄桿，16.5 m為行車道，1 m為中央隔離帶。該橋?yàn)?1跨，橋面連續(xù)，全橋共設(shè)三道伸縮縫，橋長(zhǎng)264 m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制安裝預(yù)應(yīng)力砼T型梁，每孔橫向由北向南依次為1根邊梁、9根中梁、1根邊梁，共11根梁。下部結(jié)構(gòu)采用三柱蓋梁，鉆孔灌注樁邊墩樁徑為1.2 m，中墩樁徑為1.0 m。樁間擋墻采用包式鋼筋砼扶壁式樁間擋土墻。支座形式為板式橡膠支座。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20、掛車-120，步道人群荷載3.5 kN/m2。

2.2 新建工程與既有橋梁位置關(guān)系

地鐵19號(hào)線呈南北走向，左右線分別向北穿越某立交南幅橋第6跨、第8跨(見圖1)。其中5號(hào)橋墩基礎(chǔ)埋深20.168 m，與隧道結(jié)構(gòu)最小水平凈距4.774 m，6號(hào)橋墩基礎(chǔ)埋深20.590 m，與隧道結(jié)構(gòu)最小水平凈距8.491 m，7號(hào)橋墩基礎(chǔ)埋深20.652 m，與隧道結(jié)構(gòu)最小水平凈距10.571 m，8號(hào)橋墩基礎(chǔ)埋深20.562 m，與隧道結(jié)構(gòu)最小水平凈距3.630 m。

圖1 19號(hào)線正線與立交南幅橋橋墩及樁位置關(guān)系(單位:mm)

2.3 新建工程施工方案

地鐵19號(hào)線區(qū)間左右線暗挖隧道側(cè)穿右安門橋橋樁。正線暗挖隧道開挖尺寸(6.48×6.81)m，采用臺(tái)階法施工，初襯厚250 mm，二襯厚300 mm。暗挖隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面施工步序見圖2。

圖2 暗挖隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面施工步序

區(qū)間施工時(shí)，采取以下措施，以盡量減少對(duì)橋梁的影響:(1)及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿，通過注漿壓力和注漿量的嚴(yán)格控制，以及多次補(bǔ)注漿，保證整體注漿質(zhì)量；(2)及時(shí)進(jìn)行二襯背后注漿，保證注漿效果；(3)預(yù)先布設(shè)測(cè)點(diǎn)，施工期間加強(qiáng)對(duì)橋梁的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)；(4)對(duì)橋樁與隧道之間的土體采用超前深孔注漿加固，注漿過程嚴(yán)格控制注漿壓力(不大于0.5 MPa)及注漿量，并安排專人對(duì)橫通道上方下游雨污水井進(jìn)行巡查，如發(fā)現(xiàn)漿液立刻停止注漿。施工過程中如發(fā)現(xiàn)深孔注漿效果不理想部位，及時(shí)封閉掌子面進(jìn)行補(bǔ)注或打設(shè)超前小導(dǎo)管進(jìn)行加固[3-5]。

2.4 工程地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報(bào)告，將本工程場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的土層按地層沉積年代以及成因類型，劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀(jì)沖洪積層和新近紀(jì)沉積層四大類。在本場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在1層地下水，為潛水，主要賦存于第⑦卵石層、第⑨卵石層，水位埋深20.43～22.00 m，水位標(biāo)高19.80～21.37 m。

3 地鐵穿越橋梁評(píng)估思路

地鐵穿越既有橋梁評(píng)估涉及到檢測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、咨詢等多個(gè)專業(yè)，各專業(yè)缺一不可，其實(shí)施過程基本包括三個(gè)方面:(1)通過檢測(cè)獲悉橋梁現(xiàn)狀，分析其損傷程度，從而評(píng)估既有橋梁當(dāng)前的承載能力、正常使用狀態(tài)、抗震性能及耐久性；(2)根據(jù)現(xiàn)狀建立橋梁有限元模型，通過對(duì)橋梁基礎(chǔ)施加強(qiáng)制位移模擬地鐵施工對(duì)橋梁變形的影響，確定實(shí)際狀態(tài)下既有橋梁的允許變形控制值；(3)基于橋梁設(shè)計(jì)、檢測(cè)資料和地鐵設(shè)計(jì)資料，建立地鐵、橋梁的三維仿真模型，分析地鐵施工過程中橋梁的最大變形量是否滿足既有橋梁允許變形控制值，如不滿足則需在設(shè)計(jì)防護(hù)方案的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)并重新評(píng)估，直至滿足橋梁的允許變形控制值為止[6-7]。

4 現(xiàn)狀檢測(cè)及既有橋梁變形控制值確定

4.1 既有橋梁現(xiàn)狀檢測(cè)情況

通過對(duì)橋梁的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，立交南幅橋當(dāng)前存在的主要病害為:T梁間橫隔板和蓋梁存在銹脹開裂，部分蓋梁開裂嚴(yán)重，目前尚未影響結(jié)構(gòu)安全；此外，橋梁還存在其他一些影響結(jié)構(gòu)耐久性的病害(如T梁翼板局部銹脹露筋、滲水泛堿，蓋梁局部銹脹露筋等)和一些影響構(gòu)(配)件使用功能的病害(如橋面鋪裝坑槽、伸縮縫積土等)?；炷翉?qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)要求，且混凝土梁和墩柱的碳化深度未影響到鋼筋。

按照《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 99—2017)，立交南幅橋技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為B級(jí)，處于良好狀態(tài)。

4.2 既有橋梁變形影響因素及控制標(biāo)準(zhǔn)確定

4.2.1 地鐵對(duì)既有橋梁的影響分析

新建地鐵下穿施工對(duì)既有橋梁的影響與橋梁本身結(jié)構(gòu)形式及狀態(tài)息息相關(guān)。地鐵19號(hào)線區(qū)間正線穿越某立交南幅橋，施工造成基礎(chǔ)沉降的范圍為5＃～10＃墩之間結(jié)構(gòu)，對(duì)橋梁可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)和影響如下[8-9]:

學(xué)生在參與實(shí)習(xí)的過程中，通常難以得到有效的管理，因此學(xué)校應(yīng)當(dāng)通過信息交流平臺(tái)，為學(xué)生提供更為有效的管理服務(wù)。例如，實(shí)習(xí)教師可通過微信平臺(tái)，組建實(shí)習(xí)生管理群。微信是當(dāng)下學(xué)生最為常用的交流工具，通過微信進(jìn)行日常交流，是較為便捷的管理方式。其次，教師可在教學(xué)APP中增設(shè)簽到功能，通過該功能，學(xué)生的考勤情況將被教師及時(shí)掌握，學(xué)生的工作狀態(tài)也將得到保障。再有，教師可利用手機(jī)QQ，為學(xué)生建立學(xué)習(xí)平臺(tái)。QQ的文件傳輸能力較強(qiáng)，利用該系統(tǒng)，學(xué)生將獲得大量的知識(shí)信息。在應(yīng)用中教師可及時(shí)將數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的教學(xué)視頻發(fā)至QQ平臺(tái)，學(xué)生通過簡(jiǎn)短的學(xué)習(xí)通?？苫貞浧鹨酝慕虒W(xué)內(nèi)容，其面臨的理論問題也將得到解決。

(1)影響范圍內(nèi)橋梁的上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，下部結(jié)構(gòu)采用三柱式蓋梁?；A(chǔ)的差異沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)受力影響較小，主要影響部位為橋面系和蓋梁。基礎(chǔ)差異沉降過大，會(huì)造成橋面系損傷外，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致跨間易形成急促變坡點(diǎn)，影響橋梁上部道路正常使用；同一橋墩不同墩柱之間的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致蓋梁的受力變化，影響蓋梁的使用。

(2)地鐵隧道側(cè)穿橋樁基礎(chǔ)擾動(dòng)土層，對(duì)樁側(cè)摩阻力、樁側(cè)向土壓力產(chǎn)生影響，將減小樁基單側(cè)土壓力，使得樁基豎向承載力降低，樁基彎矩增加，進(jìn)而可能導(dǎo)致墩柱傾斜、樁基開裂，影響橋梁的安全性及穩(wěn)定性。

(3)基礎(chǔ)沉降會(huì)對(duì)橋面縱坡產(chǎn)生影響，可能會(huì)對(duì)行車舒適度以及橋面排水造成不利影響。

(4)該橋蓋梁當(dāng)前存在銹脹開裂露筋等病害，基礎(chǔ)沉降有可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)既有病害進(jìn)一步發(fā)展。

4.2.2 橋梁變形控制值的確定

針對(duì)本橋，同一橋墩不同墩柱之間的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致蓋梁受力發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致蓋梁開裂以致對(duì)橋梁的承載力及正常使用產(chǎn)生影響，因此同一蓋梁不同墩柱的不均勻沉降是本橋變形的重點(diǎn)控制對(duì)象。為分析同一蓋梁不同墩柱間不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，采用Midas Civil建立蓋梁有限元模型，見圖3，并采用強(qiáng)制位移法對(duì)不均勻沉降工況(見表1)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3 墩柱蓋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

根據(jù)蓋梁橫向不均勻沉降計(jì)算結(jié)果，并考慮橋墩沉降對(duì)橋梁平順性等因素的影響，最終確定該立交南幅橋的變形控制指標(biāo)如下:

(1)橋墩均勻沉降控制值為15 mm。

(2)縱向相鄰墩柱不均勻沉降控制值10 mm。

(3)橫向相鄰墩柱不均勻沉降控制值為3 mm。

(4)墩柱傾斜控制值1/1 000。

5 施工影響安全分析

5.1 模型的建立

根據(jù)既有橋梁、新建地鐵結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境，并考慮模型尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，確定本計(jì)算模型前后方向長(zhǎng)220 m、左右方向長(zhǎng)190 m，高60 m。對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)土體、既有橋梁結(jié)構(gòu)、暗挖隧道等進(jìn)行三維精細(xì)建模，除橋梁樁基采用梁?jiǎn)卧?，并考慮樁土接觸，其余均采用實(shí)體單元[10-11]。

模型中車輛荷載、上部結(jié)構(gòu)及橋面系自重均采用外力形式施加于模型。土體采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。建立的“土體-橋梁-隧道”計(jì)算模型見圖4～圖5。

圖4 計(jì)算模型

圖5 地鐵與既有橋梁位置關(guān)系模型

5.2 地鐵施工對(duì)橋梁變形影響分析

5.2.1 區(qū)間右線開挖對(duì)橋梁影響分析

根據(jù)施工方案，先進(jìn)行區(qū)間右線施工，施工完成后橋梁位移情況見圖6。

圖6 區(qū)間右線施工完成后橋梁變形

計(jì)算結(jié)果顯示，區(qū)間右線施工過程中立交南幅橋橋墩的最大豎向變形為-6.21 mm，位于8-1墩；縱向相鄰橋墩不均勻沉降-6.18 mm，位于8-1～9-1墩；橫向相鄰橋墩不均勻沉降-2.10 mm，位于8-1～8-2墩；新增最大傾斜值為0.52/1 000，位于8-1墩。各變形參數(shù)均滿足變形控制指標(biāo)要求。

沉降最大值發(fā)生在距離開挖隧道最近的橋墩，表明所構(gòu)建模型合理。

5.2.2 區(qū)間左線開挖對(duì)橋梁影響分析

區(qū)間左線從第5跨間下穿施工完成后，橋梁的位移變化見圖7。

圖7 區(qū)間左線施工完成后橋梁變形

計(jì)算結(jié)果顯示，區(qū)間左線施工過程中某立交南幅橋橋墩在本階段最大豎向變形發(fā)生在5-1墩柱，其最大變形為-5.45 mm，累計(jì)最大豎向變形依舊發(fā)生在8-1墩，為-6.30 mm；縱向相鄰橋墩不均勻沉降-6.28 mm，位于8-1～9-1墩；橫向相鄰橋墩不均勻沉降-2.20 mm，位于5-1～5-2墩；新增最大傾斜值為0.63/1 000，位于5-1墩。

從以上分析可以看出，地鐵區(qū)間正線穿越施工完成后，立交南幅橋各變形值均滿足變形控制指標(biāo)要求，施工所采取的加固措施可以有效保證既有橋梁的安全。

5.3 地鐵穿越施工安全監(jiān)測(cè)

為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，地鐵穿越過程中對(duì)橋梁進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，地鐵區(qū)間隧道穿越施工過程中，橋墩最大沉降為3.94 mm，位于8＃墩，5＃墩最大沉降為-2.82 mm，相鄰墩柱最大不均勻沉降值為0.5 mm，整個(gè)穿越過程安全風(fēng)險(xiǎn)可控，符合安全評(píng)估預(yù)期[12]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以北京地鐵19號(hào)線穿越某立交南幅橋施工實(shí)例為依托，探討了新建地鐵穿越既有橋梁施工安全評(píng)估思路和方法，采用施加強(qiáng)制位移的方式，計(jì)算確定橋梁的允許變形值，基于巖土有限元分析軟件預(yù)估既有橋梁在地鐵近距離下穿施工后的變形情況，并對(duì)施工加固措施安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合評(píng)估預(yù)期，驗(yàn)證了安全評(píng)估方法的有效性。