北京地铁14号线隧道穿越东郊灌渠跨河桥影响分析.pdf

轨道交通与地下工程器 T r a ckT r a f f ic U n d e r g r o u n dE n g in e e r in g 北京地铁1 4 号线隧道穿越东郊灌渠跨河桥影响分析 贾龙飞 李洋 李兴1 李玲2 白海卫2 李 菲2 1 北京建筑大学 北京I o I M 4 2 北京城建设计研究总院 北京 1 0 0 0 4 5 摘要 为解决北京地铁1 4 号线穿越东郊灌渠跨河桥带来的桥桩沉降问题 运用M id a s G T S 软件建立模型 通过计算 分析 预测地铁暗挖隧道施 T 对既有东郊灌渠跨河桥的附加变形影响 指出工程的关键风险及控制要点 并提l叶 优化加 同措施 以确保施T 安全与桥梁安全 关键词 地铁隧道 下穿施丁 既有桥梁 注浆加固 中图分类号 U 4 5 5文献标志码 B文章编号 1 0 0 9 7 7 6 7 2 0 1 5 0 6 0 0 9 1 0 5 E f f e ctA n a ly s iso fS u b w a yL in e1 4T u n n e lin gu n d e rB e ij in gE a s t e r nS u b u r b s I r r ig a t io nC o n d u it J iaL o n g f e i L iY a n g L iX in g L iL in g B a iH a iw e i L i F e i 大力兴建地铁线路 是解决城市交通拥堵问题的 措施之一 为尽量减少地铁建设和运营过程对城市各 类建筑的影响 地铁线路一般都规划在城市道路走廊 内 这将不可避免地穿越主干道及城市快速路交叉节 点的立交桥梁 如何减少和降低隧道施工对邻近桥梁 的影响 并使其可控 确保城市交通运行和交通设施 的安全 已成为一个亟待解决的问题 笔者以北京地铁1 4 号线穿越东郊灌渠跨河桥区 段为例 运用M id a s G T S 软件建立地层结构模型 对工 程进行三维数值模拟 对桥桩可能产生的竖向沉降进 行预测 明确危险点及施工关键步骤 并提出相应的优 化措施 1 工程概况 该区段隧道采用马蹄形断面 复合式衬砌 初期 支护由喷射混凝土 C 2 5 早强混凝土 钢筋网及钢筋 格栅拱组成 厚度为0 3 0I ll 二次衬砌为模筑钢筋混 凝土结构 C 4 0 防水混凝土 抗渗等级为P 1 0 厚度为 0 3 0in 初期支护与二次衬砌之间敷设防水层 局部增 设临时仰拱 厚度为0 2 5m 桥桩与隧道位置关系剖面 示意图见图1 为确保桥梁的安全 下穿东南郊灌渠范围内的隧 道采用矿山法施工 穿越段采用全断面超前深孑L 注浆 止水加固措施 隧道分上下2 个导洞开挖 上下导洞 前后步距6m 导洞采用台阶法开挖 左线隧道贯通后 图l 桥桩与隧道位置关系剖面示意图 及时施工二衬 二衬施工完毕后再开挖右线隧道 各施 工步骤汇总于表1 中 2穿越施工对桥梁结构安全的影响及控制指标 2 1 穿越施工对桥梁结构安全的影响 当隧道穿越或邻近既有结构物桩基施工时 隧 道 地层 桩基及既有结构物4 个部分将处于一个共 同作用体系中 四者相互影响 相互作用 直至形成最 终的稳定平衡状态 隧道施工对既有桥桩的影响传递 过程为 隧道开挖一周围地层变形并向外传递一作用 于土中的桥梁基础一传递到桥梁上部结构对其产生 影响 隧道开挖会引起周围土体竖向沉降和水平方向 位移 土体的竖向沉降在桩身处产生负摩阻力 降低 桩的承载力并产生附加沉降 土体的水平方向位移在 桩身处产生附加变形和弯矩 不利于桩的自身结构安 2 0 1 5 年6 期 1 1 一 第3 3 整啼荭投求9 1 器轨道交通与地下工程 T r a ckT r a f f ic U n d e r g r o u n dE n g in e e r in g 表1施工步骤汇总表 注 表中 9 表示隧道扦挖位置 模型沿隧道长度方向建立2 4 1 1 每2 m 为l段 共为1 2 段 全 在该工程中具体表现为 1 桥梁上部结构为简支结构 沿桥梁纵向基础沉 降差不会对简支结构内力造成影响 但会破坏桥面连 续性或影响桥梁伸缩缝 进而影响桥梁的使用功能 2 桥梁下部结构为混凝土盖梁下接桥桩 盖梁与 桥桩组成超静定结构 桩基的沉降差会造成盖梁的内 力重分布 导致相应截面内力增加 混凝土开裂 3 桥桩承载力由桩侧摩擦力和桩端承载力提供 由于设计时未考虑地下穿越工程的影响 而穿越施工 扰动土层会对桩侧摩阻力和侧向土压力产生影响 闪 此降低了桩基的承载力 4 桩基沉降会影响桥面纵坡 对行车及桥面排水 造成影响 2 2 控制指标的确定 参阅原桥梁设计 竣工资料及计算书 采用M id a s C iv il2 0 1 3 建立模型 见图2 应用梁单元将东郊灌渠 桥的旧桥盖梁划分为2 4 6 个节点 2 4 1 个单元 将东郊 灌渠桥的加宽盖梁划分为7 6 个节点 7 1 个单元 甄 i 蚓2 东郊灌渠跨河桥模型图 目前东郊灌渠跨河桥状态良好 计算中可暂不考 虑桥梁劣化对其承载力的影响 选择计算工况见表2 计算工况下控制截面弯矩图见图3 表2 计算工况表 t 况 i t 况描述 一j 一j 辨算i嚣的一 一V 警 一况l双线贯通时桩基沉降X 7 号桩盖梁最不利负弯矩 X 1 0 X 1 l X ll X 1 2 号桩基之问跨中最不利正弯矩 结合桥梁的正常使用极限状态 承载能力极限状 态及地铁隧道施工对桥梁基础的影响 考虑桥梁的运 营荷载 以桥梁的安全性 适用性 耐久性不受影响为 目标 依据桥梁检测状况以及J T G 厂rJ 2 1 2 0 ll 公路 桥梁承载能力检测评定规程 对配筋混凝土桥梁的规 9 2 辛荭鼓木2 0 1 5 N o 6 N o v V 0 1 3 3 定 可采用下式计算桥梁结构盖梁及桩基础的承载力 T o S 一R l 靠 基q k z 一 1 一 式中各参数的含义参见J T G TJ 2 1 2 0 1 l 公路桥 梁承载能力检测评定规程 据此得出以下控制指标 1 纵桥向 相邻两轴之间的竖向沉降差控制值为 飘 图3 控制截面弯矩图 1 0 m m 2 横桥向 相邻桩基的竖向沉降差控制值为2 0 m m 两侧加宽相邻桩基中心之间及加宽部分内侧与旧桥 外侧桩基之间沉降差控制值为3 0m m 3 桥台和桩基倾斜控制值为1 10 0 0 4 桥梁竖向均匀沉降量为1 5m m 5 桥区相关道路路面沉降控制值为1 5m m 并与 桥梁结构沉降监测值对比 结果不应出现异常 3 在相应保护措施下的模拟分析 3 1 基本加固措施下的模拟分析 采用M id a s G T S 建立模型 在隧道周围31 1 3 范围 内采用全断面超前深孑L 注浆加同 土层上边界取到地 表 下边界自地表向下取4 3I T I 模型宽度取7 0in 沿隧 道纵向2 4m 模型边界地表为自由边界 其他5 面约 束沿面法线方向的位移 计算模型网格见图4 模型中 采用的土层与结构及其参数见表3 图4 计算模型网格 该桥1 根盖梁上共有1 9 根桥桩 各桥桩最终沉降 量见表4 由表4 可知 沉降较大的为1 l 1 5 号桩 单桩沉 降量在一8m m 左右 沉降最大的1 2 1 3 号桥桩沉降量为 轨道交通与地下工程器 T r a ckT r a f f ic U n d e r g r o u n dE n g in e e r in g 表3土层与结构及其参数表 表4 各桥桩最终沉降量 m ill 桩号沉降量 桩号沉降量 1 0 0 3 5 ll一7 8 8 0 8 2 3 m m 由此可见 隧道正上方的桥桩沉降最为明显 近处的桥桩对于隧道开挖引起的土体扰动具有一定 的隔离作用 隧道开挖引起的盖梁整体沉降满足要求 但1 8 1 9 号桥桩沉降差过大 超过了盖梁承受极限 3 2 数值计算分析与加固措施优化 由于常规加固措施下 部分相邻桥桩沉降差过大 故应采取在沉降过大的桩下注浆的方法进行加固 同 时施作锁脚锚管并进行二次注浆 减小沉降 现提出 2 种优化加固方案 方案1 桩下注浆范围为7 1 8 号 桩之间 自全断面注浆体顶部向上1 5m 方案2 注浆 范围为7 1 8 号桩之问 自上导洞底部向上1 5r il 加固 后效果分别见图5 6 采用2 种不同的优化加固方案后 各桥桩最终沉 降量与原方案对比见图7 图中竖线所在处为隧道中 心线 由图7 可以看出 采用桩下注浆的方法能有效减 小由于隧道开挖带来的沉降 且方案2 优于方案1 故 验证最优方案 即方案2 能否满足桥梁控制指标要求 方案2 各桥桩最终沉降量见表5 2 0 1 5 卑6 期 2 1 一 第3 3 卷辛荭故木9 3 竺 1 一戛 r Il 1 l 五1 1 1 i一蚪lil一 巴M 三叫llIJ百叶jJf 叫 f f鼍 f 鳘 d l lf 嘶 fJ 月1 一竺lf ll O O 0 0 0 0 0 0 3 3 6 2 8 3 5 2 2 l 9 4 2 8 8 8 7 7 7 6 5 一 一 一 一 一 一 一 一 2 3 4 5 6 7 8 9 脚脚则瑚舢耄 彻姗 加加叭一 之o o 韶轨道交通与地下工程 T r a ckT r a f f ic U n d e r g r o u n dE n g in e e r in g 图5优化方案1 地层结构模型 0 一l 一2 E 一3 由 一4 进 嚣一5 6 7 8 9 图6 优化方案2 地层结构模型 桩号 l234567891 0 ll1 21 3 t 4 1 5 1 6 1 7 1 81 9 飞 弋 i4 4 e j玲 j I 二 一 7 一 一原加同方案 优化方案1 优化方案2 例7注浆力 粲对比 相邻桥桩沉降差见图8 根据控制指标中给出的控制值可知 桥梁整体沉 降满足要求 隧道开挖引起的桩基沉降差在桥梁能承 受的安全控制指标范围内 但1 8 1 9 号桥桩沉降差已 达到2 5 8m m 接近控制值3m lT l 因此在施工中应严 格控制注浆质量 在未进入桥区前 应建立注浆试验段 通过对注浆后土体进行原位试验 指导桥区段注浆 另 9 4 啼荭故木2 0 1 5 N o 6 N o v V 0 1 3 3 表5 方案2 施工后各桥桩最终沉降量m m 桩蟹 莺i沉降量桩号沉降量j l一0 2 5 51 l 一6 1 0 6 2 0 3 5 4 1 2 6 3 7 6 3一O 4 5 71 3 6 3 6 1 4一O 6 2 61 4 6 3 4 2 5 0 8 9 3 1 5 6 3 0 0 6一1 3 6 71 6 5 9 2 6 7 2 11 8 1 7 5 0 6 7 8 3 0 5 71 8 3 9 7 0 9 4 1 9 61 9一1 3 8 8 1 0 5 3 2 7 3 0 2 r 5 g 2 0 嚣L 5 魅 蜉1 0 0 5 0 一 Il 1 I 一I1 图8 相邻桥桩沉降差 外 还应对施工的全过程进行严密监测 以指导施工 隧道施工分为4 2 个施工步骤进行 各施工步骤引 起的桥桩沉降量不尽相同 因此确定关键施工步骤十 分有必要 笔者选择最终沉降量最大的1 3 号桩为代 表进行研究 各施工步骤引起的沉降量见图9 0 7 O 6 O 5 l o 4 嘲 粪o s O 2 O 1 O 一0 1 II 1I IIlh 洲lIllI I lllll lllI 1357 91 l1 3 占品1 92 l之矗2 72 93 l3 3 磊 3 7 1 3 步骤号 图9 各施工步骤引起的沉降量 下转第9 8 页 器轨道交通与地下工程 T m ckT m m c U n d e r g r o u n dE n g in e e r in g 掘进过程中泡沫原液混合比一般设为3 5 掘进 中发泡倍率一般设为6 1 0 倍 泡沫流量控制在4 0 0 5 0 0L r a in 较为合适 采用泡沫与膨润土混合加入的方 法 并通过实际参数对比得出 最佳加入量为泡沫4 0 0 5 0 0L r a in 膨润土9 0 1 1 0ld m in 土体改良新办法 在有黏土资源的地区 可采用黏土浆与泡沫混合 加入的新办法来替代传统土体改良办法 2 1 其同样可 以破解盾构在无水砂卵石地层中掘进的技术难题 使 其成功掘进 为验证泡沫的使用效果 在无水砂卵石地 层盾构推进时 分别采用单独加泥 泥浆与泡沫混合 加入2 种方案 进行了对比试验 由试验结果可知 改 用泥浆与泡沫混合使用后 盾构刀盘油压和螺旋输送 机油压及总推力都降低了1 1 3 左右 现场观察发现 刀 盘磨损大大减轻 刀盘 抱死 发生频率极少 这说明盾 构在无水砂卵石地层掘进时 在加泥浆的基础上在刀 盘中心轴附近注入泡沫可以达到与传统土体改良办 法等效或更好的效果 同样能显著降低刀盘油压及盾 构推力 减小刀盘扭矩 减轻砂卵石地层对盾构设备 的磨损 提高设备的使用寿命 由于减少了换刀和维修 的次数 掘进速度也大大提高 根据施工资料的统计 单独加泥情况下平均每天掘进8 1 2 环 泥浆和泡沫 混合使用情况下则每天掘进3 0 3 5 环 单独加泥时开挖面土压力波动较大 其原因是 卵石粒径较大 泥浆难以在全断面上形成良好的塑流 体 设定的工作压力也不能顺利地传递到开挖面 在刀 盘中心位置温度升高时易结成泥饼抱死刀盘 不能实 现连续的动态平衡 采用泡沫和泥浆混合加入的新方 法 可以改善这一状况 据现场监测 使用泡沫前地表 沉降量一般大于1 0ln m 而添加泡沫后大部分监测点 的沉降量为5 1 0m ill 通过2 种办法的对比 并根据当地的资源条件 拟 采用黏土浆与泡沫混合加入的新办法 采用黏土浆替 代膨润土 可节约更多的直接生产成本 还可减轻大 量膨润土外运后对环境的污染 采用新办法 盾构掘进 平均速度可控制在2 5 4 0m m m in 并且排土顺畅 效 果明显 掘进速度由开始的3 5m d 提升到现在的 3 0 4 0r r d d 日平均掘进3 0 环以上 确保了区间隧道 的顺利贯通 6 结语 盾构电力专用隧道是各行各业众多专用隧道中 的一种 更是北京市地下空间开发总体规划中的一部 分 地下空间开发与利用是建设集约型城市 实现可 持续发展的必然要求 在未来相当长的一个时期内 北 京市的地下空间作为一种重要资源 开发力度将会不 断加大 地下空间的开发 均可采用盾构技术来实现 采用黏土浆与泡沫混合加入的土体改良新办法可以 解决盾构在无水砂卵石地层中掘进时遇到的各种技 术难题 为类似工程的施工提供了参考 网 参考文献 1 王春河 张顶立 无水砂卵石盾构施工分区注入式渣土改良 技术 J 铁道建筑技术 2 0 1 3 4 5 7 2 宋克志 汪波 孑L 恒 等 无水砂卵石地层土压盾构施工泡沫 技术研究叨 岩石力学与工程学报