地铁暗挖隧道近距离多次下穿墩梁固结桥梁桩基影响分析

王体广

(北京市轨道交通设计研究院有限公司，北京 100068)

0 引言

随着地铁建设工程越来越多，地铁线路与周边建(构)筑物的关系越来越复杂，地铁隧道穿越建(构)筑物甚至近距离穿越的工程实例越来越多。比如文献[1]和[2]均是地铁工程穿越桥梁的实例，但文中桥梁为一般简支或连续梁，但无论是何种工法，隧道开挖势必造成地层应力变化，从而造成地面沉降和地层移动，当沉降和移动达到一定程度，就会影响周围建(构)筑物的安全和正常使用。

墩梁固结的连续刚构桥是桥梁中一种较为特殊的结构形式，其常用跨径在100～300m，刚构桥的主要承重结构是梁与桥墩固结的刚架结构，由于墩梁固结使得梁和桥墩整体受力，桥墩不仅承受梁上荷载引起的竖向压力，还承担弯矩和水平推力，在竖向荷载作用下，梁的弯矩通常比同等跨径连续梁或简支梁小，省去了大型支座，结构整体性强、抗震性能好。但由于设计、施工、维修尤其是保护难度很大，在城市立交桥中使用比例不高。以北京地铁12号线为例，全线穿越桥梁30处，但墩梁固结形式桥梁仅3处。

本文结合地铁设计与施工实例，采用有限元软件计算地铁暗挖隧道近距离多次下穿墩梁固结桥梁桩基的变形，并将计算得到的理论值和现场施工的实际监测值进行了对比研究，为类似工程提供参考。

1 工程概况

北京地铁12号线某区间隧道长739.2m，采用暗挖法施工，隧道埋深19.1～22.9m，沿北三环敷设，依次穿越北三环道路、挡墙、京藏高速匝道桥等多处风险源，隧道与京藏高速匝道桥～轴桥桩并行680m，与桥桩净距1.85～31.75m，并行距离长且近，设计和施工风险很大。本文重点研究隧道左、右线均近距离多次下穿京藏高速匝道的～轴穿越段。隧道右线线路中心线与桥梁斜交角度为17°，左线线路中心线与桥梁斜交角度为31°。隧道与～轴桥桩净距分别为8.26，3.79，1.85，3.70，18.47m，穿越段隧道覆土厚度约21.6m，隧道底部与桩基底部基本平齐。

穿越段京藏高速匝道桥上部结构为四跨钢混凝土联合梁，跨径分别为34，60，34.6，22.2m，车行道宽度为7.5m，全桥宽度为8.7m，地下结构为单柱+承台+桩基础形式，基础均为直径1.2m的桩基，桩长23～25m，轴和轴桥桩为墩梁固结形式。地铁区间隧道与高架桥相互关系如图1，2所示。

图1 地铁区间隧道与高架桥平面关系

图2 地铁区间隧道与桥桩剖面关系

根据野外勘探、原位测试及室内土工试验结果，结合本工程周边已有勘察资料，本工程最大孔深59.00m深度范围内所揭露地层按成因年代分为人工堆积层和一般第四纪冲洪积层两大类，按地层岩性进一步分为7个大层及亚层。各层土地层岩性、特点及分布规律自上而下依次为：粉土填土①层、杂填土①1层、粉土③层、粉质黏土③1层、粉细砂③3层、粉质黏土④层、黏土④1层、粉土④2层、粉细砂④3层、粉质黏土⑥层、黏土⑥1层、粉土⑥2层、卵石～圆砾⑦层、中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层、卵石～圆砾⑨层、中粗砂⑨1层、粉细砂⑨2层、卵石～圆砾层等。

共揭露2层地下水，分别为层间潜水(三)和层间潜水(四)。层间潜水(三)：稳定水位为36.320～36.570m，水位埋深为10.90～11.00m，含水层岩性主要为粉细砂④3层，局部为粉土⑥2层，透水性较好。受多年来水位下降影响，基本无承压性。层间潜水(四)：稳定水位为17.010～17.210m，水位埋深为30.20～30.44m，含水层岩性主要为卵石～圆砾⑦层和卵石～圆砾⑨层，局部为中粗砂⑦1层和粉细砂⑦2层，透水性较好。受多年来水位下降影响，基本无承压性。

各主要土层的力学参数如表1所示。

表1 地层力学参数

2 现状桥梁检测结果及控制指标

2.1 现状桥梁检测结果

根据桥梁专业检测单位出具的检测报告，本桥梁(全桥)的检测结果如下。

2.1.1桥面系外观检查结果

检测范围内桥面铺装共存在19条横向裂缝，其中12条为横向通长裂缝，1处网状裂缝，2处坑槽，1处混凝土堆积路面已凝结成块；6条伸缩缝通长积土，其中3处止水带破损；0号台桥头引道连接平顺；两侧防撞护栏现况良好；4处泄水孔堵塞。

2.1.2上部结构外观检查结果

上部结构第1～4跨、第6～14跨、第16～26跨、第28～30跨为预应力混凝土简支T梁，横向4片T梁；第5，15，27跨，第31～37跨为钢-混组合箱梁；目前存在的主要病害为4-1号T梁底面整体水渍，第5，27跨箱梁局部存在锈迹，T梁左侧翼板7处渗水泛碱，1处锈胀开裂。

2.1.3下部结构外观检查结果

3-3-2号支座局部脱空，脱空率15%，脱空高度2.0mm，其他支座工作正常。0号台前墙存在2处胀裂，4号墩及9号墩盖梁局部水渍伴有漆皮剥落，4号墩柱局部混凝土剥落，30号墩盖梁局部水渍，37号墩盖梁整体水渍；基础位于地面以下，根据现场情况推断基础无异常；检测范围内对拉锚栓共缺失3处，挡块混凝土麻面1处，其余抗震对拉锚栓、挡块等未见明显病害。

2.1.4桥梁无损检测结果

1)混凝土抗压强度

本次共抽取18个构件进行混凝土抗压强度测试，T梁抗压强度推定值50.2～55.0MPa，盖梁混凝土抗压强度推定值45.4～48.3MPa，墩柱混凝土抗压强度推定值为46.7～52.1MPa。

2)混凝土碳化深度

T梁混凝土碳化深度最大值4.0mm，盖梁混凝土碳化深度最大值4.5mm，墩柱混凝土碳化深度最大值5.0mm。结合钢筋保护层厚度检测结果分析，目前T梁、盖梁、墩柱的碳化深度未影响到钢筋。

3)钢筋保护层厚度

T梁32个测点，钢筋保护层厚度26～37mm；盖梁30个测点，钢筋保护层厚度31～46mm；墩柱30个测点，钢筋保护层厚度41～50mm。

4)钢结构涂层厚度

钢箱梁底板涂层厚度平均值为250～255um，所检测区域的钢箱梁涂层厚度平均值>150um，满足规范要求。

5)钢结构焊缝探伤

本次共检测2条焊缝，累计检测长度6.0m，所检焊缝均评定为合格。

2.2 桥梁变形控制指标

根据桥梁专业评估单位出具的评估报告，本桥梁(全桥)的变形控制指标如下。

1)钢混组合梁段 第8联Z30～Z34及第9联Z34～Z37轴各相邻墩竖向(纵向)差异沉降控制值为6mm。

2)钢混组合梁墩顶主梁内外侧腹板底横向不均匀沉降控制值为腹板底宽的1/1 000～1/1 500，各相邻墩竖向(纵向)差异沉降控制值为5mm。

3)简支梁段 各相邻墩竖向(纵向)不均匀沉降控制值为10mm。

4)墩柱倾斜控制值为高度的1/1 000。

5)桥梁均匀沉降最大值15mm。

6)桥头搭板尾端与桥台处不均匀沉降控制值为5mm。

3 变形预测分析及设计方案

3.1 设计方案

根据地铁下穿既有市政桥梁设计流程，结合桥梁检测和评估报告并经过产权单位审查及相关设计评审，设计方案最终确定如下。

1)暗挖隧道采用台阶法施工，穿越桥桩段增加临时仰拱并拉大上下导洞步距，桥桩前后10m范围内隧道轮廓线外2.0m、内0.5m及掌子面上半断面采取洞内深孔注浆加固周边地层，注浆加固土体时应结合监测反馈情况，及时调整注浆压力。

2)严格执行“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针，同时加强暗挖关键工序控制。

4)施工过程中协调区间隧道左右线施工部署，以减少对桥连续梁的影响，右线施工至轴前10m时左线施工至轴前10m：右线施工至轴前10m时左线施工至轴前10m。

5)为验证洞内注浆效果，穿越段之前设计了试验段，根据试验段结果优化施工参数。

6)及时进行初支背后回填注浆，根据监测结果进行多次补注浆，严格控制注浆压力和注浆量，保证注浆效果。

8)密切关注掌子面粉细砂层情况，若出现砂层稳定性较差或监测数据变化较大时应采取应对措施。

9)深孔注浆段取消小导管注浆超前支护，注浆压力控制在0.8～1.0MPa。注浆加固体指标要求：28d无侧限抗压强度0.8MPa，渗透系数1×10-6cm/s。

10)制定详细、有针对性的应急预案。

图3 轴桥桩及地铁区间隧道处理措施剖面

3.2 变形预测分析

为进一步分析暗挖隧道施工对市政桥梁的影响和上述设计方案的可靠性及合理性，利用MIDAS-GTS NX软件建立三维有限元数值分析模型。在三维建模中，取隧道开挖方向为y轴，垂直于地层方向为z轴，沿隧道横向为x轴，并且与y轴和z轴满足右手法则。

计算区域主要根据隧道以及既有市政桥梁的布置情况，并满足一定边界效应的要求来确定。由于立交桥存在简支、连续、墩梁固结等不同的结构形式且穿越关系复杂，因此模型前后延长以减小模型范围对计算精度的影响，提高分析准确性。隧道埋深21.6m，左右线路中心线间距15.8m，根据影响线分析，本区间隧道完成后地表沉降槽宽度约21.6+15.8+21.6=59.0m，故在本模型中左右线隧道中心外各取20m，横向共选取100m；隧道纵向上从轴桥桩开始建立模型，至轴桥桩结束，共计200m；模型厚度共取50m，对隧道部分地层参数均取加权平均值计算。三维模型如图4所示。

图4 三维网格模型

本模型采用位移边界条件：侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界。根据施工方案，先施工左线后施工右线，为减少对连续梁的影响，左右线保持一定的步序先后施工。模型分别选取施工进度为40，80，120，160，200m等不同工况下桥梁的总沉降、差异沉降等与控制指标进行对比，如表2所示。

表2 不同施工工况下的桥桩沉降

从以上数据来看，采取上述设计措施后，预测桥桩最大沉降值为5.65mm<15mm，最大差异沉降3.49mm<6mm，参数均小于变形控制指标，设计方案合理可行。

4 实测数据

施工中对桥梁沉降、桥梁倾斜、地表沉降、隧道收敛、拱顶沉降等项目进行了监测，根据现场实际工程进度，本工程右线于2018年9月10日施工至轴桥桩前10m，此时左线施工至轴桥桩前约10m。左线于2018年10月17日施工至轴桥桩后10m，此时右线施工至轴桥桩处。右线于2018年11月11日施工至轴桥桩后10m，此时区间左线施工至轴桥桩后39m，距离轴桥桩后53m，后续施工对桥梁影响很小。

表3 桥桩沉降实测值

图5 轴桥桩沉降曲线

图6 轴桥桩沉降曲线

5 结语

目前本区间隧道已经贯通，桥梁各项指标趋于稳定，实际监测值均未超过控制值，施工期间交通运行未受影响，结合计算和实测数据，地铁暗挖隧道近距离多次下穿墩梁固结桥梁桩基设计和施工经验，可以得到如下结论。

1)通过计算值和实测值可以看出，本工程穿越过程中采用台阶法+临时仰供，并采取洞内深孔注浆、洞外桩底注浆、协调左右线施工部署、及时初支背后及二衬背后注浆、加强监测及关键工序控制等综合措施效果明显，桥梁沉降得到了很好的控制，施工全过程均未出现超标现象。

3)在隧道施工过程中，桥桩侧摩阻力呈负摩阻力状态，对桩基的受力非常不利，必须采取有效措施减小桩侧的负摩阻力效应，提高桩体的承载能力，由于墩梁固结桥梁不具备支顶条件，暗挖隧道本身施工难度很大，本工程近距离多次下穿桥梁加剧了施工难度，如何采取合理、可行、有效的措施是必须解决的问题，在常规措施的基础上，提出了桩底注浆和工序控制是本工程成功的关键。

4)经过对全线穿越桥梁不同情况梳理发现，实际监测数据与本工程类似，桥梁总沉降、倾斜一般控制较好，实际监测值与控制指标均有一定差距，由于差异沉降本身控制值较小，且多次穿越或者只穿越连续梁中一个桥墩时，差异沉降明显，控制难度较大，因此施工过程中除采取洞内外加固地层措施外，协调左右线施工部署、选择合适穿越时机较为重要，可以最大程度减少对桥梁连续梁的影响。