基于土压平衡的新建框架桥配重顶进法上穿施工关键技术

李 玲

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100045)

基于土压平衡的新建框架桥配重顶进法上穿施工关键技术

李 玲

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100045)

以北京市东外斜街跨北环水系框架桥上穿机场线区间隧道工程为例，通过对框架桥周边环境、与机场线隧道相对位置以及地质条件的描述，分析工程设计关键点；针对配重顶进工法、压顶后明挖施工及普通明挖工法3种设计方案，采用地层-结构模型计算分析各方案对机场线隧道的影响；最后介绍配重顶进工法的实施情况，并总结上穿既有结构工程上浮变形控制技术的核心。

城市轨道交通； 上穿工程； 配重顶进法； 框架桥

随着城市建设的发展，越来越多的新建市政工程需要穿越城市轨道交通运营线路。穿越施工将不可避免地引起轨道交通运营线的洞体结构发生变形，过大的变形将危及运营安全。因此，轨道交通运营线对变形控制极其严格，这就对穿越轨道交通运营线的市政工程设计提出了极大挑战。

近年来，我国对新建市政工程下穿轨道交通运营线的沉降控制技术进行了大量的研究，通过工程实践，超前注浆加固、管幕支护、千斤顶主动支顶等沉降控制技术已日趋成熟。相比之下，对上穿施工引起的轨道交通运营线地下结构上浮变形控制技术研究较少，设计人员对于地下结构的上浮变形控制往往束手无策。

1 工程概况

1.1框架桥概况

北京市东外斜街属于东直门公交枢纽的市政配套工程，为城市主干道路，大致呈西南—东北走向，南起东直门外大街，经左家庄西街，北至新东路，全长1257m，道路下方埋设有轨道交通机场线东直门站—三元桥站区间隧道。东外斜街在里程K0+808.250位置跨越北环水系规划河道[1]，水系在下，道路在上，见图1。

图1 东外斜街总平面Fig.1 General layout of Dongwaixie in Dongzhimen of Beijing street

为实现北环水系的贯通，需要在交叉节点修建一座框架桥，拟建框架桥桥面宽67m，横断面为11.5m两孔箱涵，每孔净高约6.6m[2]，见图2。

图2 框架桥横断面Fig.2 Cross section of a frame bridge

1.2机场线概况

拟建东外斜街跨北环水系框架桥位于轨道交通机场线东直门站—三元桥站区间隧道上方。机场线为地下2个单线盾构隧道，隧道内径5.4m，外径6.0m，左、右线隧道水平净距约7.0m。隧道顶部埋深约16.9m[3]，与拟建框架桥底板竖向净距为8.71m。框架桥中心线与机场线交角为82°15’，穿越位置处机场线线路平面为直线，二者平剖面关系如图3所示。

1.3地质概况

拟建场地地层属永定河冲洪积扇东南部，地层由上至下依次为[4]：

人工堆积地层(Qml)：包括亚黏土填土①层、杂填土①1层；第四纪全新世冲洪积地层(Q4al+pl)：包括亚黏土②层、亚砂土②1层;第四纪晚更新世冲洪积地层(Q3al+pl)：包括亚黏土③层、亚砂土③1层、圆砾④层、细中砂④1层、亚黏土⑤层、圆砾⑥层、细中砂⑥1层、亚黏土⑦层、细中砂⑧层、亚黏土⑨层、细中砂⑩层。

场区附近存在3层地下水，地下水类型为上层滞水、潜水和承压水。上层滞水、潜水水位埋深分别是2.10m、24.60m，承压水水头埋深为29.16m。

拟建框架桥基底土层为亚黏土②层、亚砂土②1层，未进入潜水及承压水层。

2 设计关键点

框架桥上穿施工将对机场线隧道形成卸荷效应，必然引起隧道结构产生附加内力和变形。由于隧道是细长结构，因此主要以纵向上浮变形为主。

机场线的运营安全需要轨道结构安全及隧道结构安全来保障，前者的允许变形值比后者更为严苛。参考上海地区盾构隧道的变形控制标准[5]，隧道结构只要总上浮量不超过20 mm及曲率不大于1/15 000，则盾构隧道本身不会发生破坏。但是，根据机场线线路特性及运营管理的技术要求，轨道结构的绝对上浮量不宜超过2 mm。因此，本工程的设计关键点在于严格控制机场线区间隧道的上浮变形，保证框架桥施工期间机场线隧道的上浮变形不超过2 mm。

图3 框架桥与机场线隧道平、剖面关系Fig.3 Plane relation and profile relation between the frame bridge and the airport tunnel

3 设计方案比选

3.1配重顶进方案

上穿施工引起机场线隧道上浮的原因是土体卸载，若能控制施工期间的卸载量，就能控制机场线隧道的上浮变形。对比框架桥建成前后隧道所承受的竖向荷载发现，后者约占前者的80%，这意味着隧道有20%的竖向荷载为永久卸载。若框架桥采用明挖顺作法施工，当基坑开挖到基底的时候，卸载量最大，此时隧道所承受的竖向荷载约占开挖之前竖向荷载的52%，卸载量达48%。永久卸载无法弥补，但施工期间的卸载量却是可以控制的。若先在桥位旁边修建好框架桥，并同步修建内部巡河道等附属结构作为配重，再将桥体顶入预定桥位，顶进一步开挖一步，用框架桥及附属结构的重量替换开挖土方的重量，则机场线隧道上方的卸载量最小，接近永久卸载量，仅占20%。顶进方案见图4。

因框架桥施工期间东外斜街的地面交通不能中断，因此67m长的桥体需要分期施工。考虑到机场线隧道在平面上并非处于框架桥的正中位置，而是偏于西侧，为节约投资，将西侧桥体采用配重顶进法施工,东侧30m长的桥体采用普通明挖法施工，二者分界位置打设隔离桩。

图4 顶进方案平剖面Fig.4 Plan and profile of jacking scheme

3.2压顶明挖方案

压顶明挖方案是应用抗拔结构抑制隧道上浮变形的原理，在框架桥基坑开挖前施作门形压顶结构。具体来说，首先沿机场线左、右线隧道中间及两侧施作人工挖孔桩，桩径1.5m，桩中心间距5m，桩长15m，桩底位于隧道底6m处。之后沿桩位开挖3个条形工作坑，坑底高于隧道顶3m，在工作坑内沿垂直于机场线线路方向顶进内直径为1050mm的钢筋混凝土顶管，而后在其内部灌注混凝土，并预留钢筋将其锚入挖孔桩的桩顶冠梁内。为了使顶管下方的土体与顶管更好地协同工作，在工作坑内对顶管底与机场线区间隧道顶之间的土体进行注浆加固。横向混凝土管与抗拔桩形成门形压顶结构，之后再结合地面交通导改依次明挖顺作东、西两侧桥体(见图5)。

图5 压顶方案平剖面Fig.5 Plan and profile coping scheme

压顶结构形成后，当明挖框架桥基坑时，门形结构通过抑制机场线隧道上方土体的回弹变形，从而抑制机场线隧道的上浮变形。但是，压顶结构施工对机场线隧道也是一种扰动。压顶结构越强，压顶效应越好，但是压顶结构施工对机场线隧道的扰动也越大。因此，该方案存在较大的风险。

3.3普通明挖方案

普通明挖方案就是不采取额外措施的明挖工法，结合地面交通导改依次明挖顺作东、西两侧框架桥。

该方案施工简便，投资少，但机场线隧道上浮变形超标的风险极大。

3.4方案比选

本工程的关键是控制轨道交通机场线隧道的上浮变形，因此，需要预测分析各个方案对机场线隧道的影响，框架桥施工所引起的机场线隧道上浮变形最小的方案即为最优方案。

变形预测可以通过理论计算来实现。本次采用地层-结构模型，通过MIDAS-GTS岩土与隧道结构有限元分析软件，建立三维模型进行计算分析。经计算，各方案主要施工步序引起的机场线隧道底部的最大变形历时曲线如图6所示。

图6 机场线隧道底部最大上浮变形历时曲线Fig.6 The duration curve of the maximum upward of the bottom (track) of Airport Line tunnel

从图6可以看出：

1)3个方案框架桥施工引起的机场线隧道的最大上浮值并不相同。其中，普通明挖方案的上浮值最大，达6.5mm，发生在基坑开挖阶段；压顶明挖方案的上浮值为5.8mm，变形主要发生在基坑开挖阶段，说明压顶结构未能有效抑制机场线隧道的上浮变形；配重顶进方案的最大上浮值最小，仅为0.8mm，在框架桥顶程一半的时候达到最大值。

2) 压顶明挖方案和普通明挖方案中均有机场线隧道快速上浮和下沉情况，配重顶进方案中机场线隧道上浮变形较为平缓。施工结束时，机场线隧道底部纵向变形曲线如图7所示。

图7 机场线隧道底部(轨道)纵向变形曲线Fig.7 Longitudinal deformation curve at the bottom(track) of Airport Line tunnel

可以看出，机场线区间隧道发生上浮变形的区域大致是框架桥穿越中心两侧各60m的范围。3个方案引起的机场线隧道上浮变形的曲率各不相同。其中，普通明挖方案和压顶明挖方案的曲线陡度较为一致，曲率约为1/650000；配重顶进方案的曲线较为平缓，曲率约为1/3000000。

对比机场线隧道的变形控制标准，只有配重顶进方案满足要求。因此，本工程确定采用配重顶进方案。

4 实施情况

2012年12月18日，框架桥开始顶进，至2013年1月24日顶进到位，之后进行了明挖段框架桥施工，2013年11月3日施工完毕。施工期间对机场线隧道变形进行了监测。监测数据显示,机场线隧道结构竖向变形最终累计值介于-0.6～+0.5 mm[6]，上浮变形发生在顶进期间，沉降变形发生在明挖期间。

监测数据表明，东外斜街跨北环水系框架桥配重顶进技术成功地控制了机场线隧道的上浮变形，有效保证了框架桥施工期间机场线的正常、安全运营。

5 结论

在上穿工程中，控制既有地下结构上浮变形的核心是最大限度地保持既有地下结构的竖向荷载不变，配重顶进法是一个很好的解决途径，其在北京市东直门外斜街工程中的成功应用具有重要意义，可为今后类似工程提供借鉴及参考。

[1] 北京市市政工程设计研究总院有限公司.东直门外斜街(东直门外大街—新东路)道路工程施工图[A].北京，2009.

[2] 北京城建设计研究总院有限责任公司.东外斜街跨北环水系框架桥工程施工图[A].北京，2010.

[3] 北京市市政工程设计研究总院有限公司.北京首都国际机场线工程施工图[A].北京，2006.

[4] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司.东直门外斜街(东直门外大街—新东路)北环水系桥梁工程岩土工程勘察报告[R].北京，2008.

[5] 上海市市政工程管理局.上海市沿线地铁建筑施工地铁保护管理技术暂行规定[S].上海，1994.

[6] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司.东直门外斜街(东直门外大街—新东路)北环水系桥梁工程轨道交通首都机场线东直门—三元桥区间第三方监测成果报告[R].北京，2014.

Key Technologies of New Frame Bridge with Counterweight Jacking Method for Upcrossing Construction Based on Soil Pressure Balance

LI Ling

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100045)

The building of the frame bridge across the water system in Dongzhimen of Beijing and the Airport Express tunnel is analyzed. The key points of design are examined through the description of the surrounding environment of the frame bridge, the relative location of the frame bridge to the Airport Express tunnel and the geological conditions. Three kinds of design schemes are put forward, including counterweight jacking, the coping open-cut method and the ordinary open-cut method. The effects of these schemes on the Airport Express tunnel are compared by means of the stratum-structure model. The application of counterweight jacking is described and the key technologies to control the floating deformation of underground structure are summarized.

urban rail transit; up crossing engineering; counterweight jacking; frame bridge

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.015

2016-12-05

2017-03-19

李玲，女，硕士，教授级高级工程师，从事岩土与地下工程设计及新建市政工程穿越城市轨道交通运营线变形控制技术研究，1227753902@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0083-04

(编辑：郝京红)