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圣地亚哥地铁 战斗桥 the Fray Andresito Bridge 底下隧道 翻译 亢帅 作者 Alexandre R A Gomes1 Martin Boefer1 Juan Humberto Cruz2 奥地利萨尔茨堡 Geoconsult 有限公司 智利圣地亚哥地铁有限公司 摘要 这篇文章描述了位于圣地亚哥市中心一条大型地铁隧道段相关的设计与施工 隧道直接 从方便车辆从马波丘河 the Mapocho river 上通行的一座旧桥的桥台基础下穿过 对于这 样一段特定的隧道 需要特殊的施工方法和外加辅助性的措施来进行隧道建设和防止对大桥 造成破坏 包括对桥台的支撑 一套有效的升降系统的安装 细分开挖工作面的运用以及对 荷载 形变进行全面而持续监测的实现 都需要进行专门的设计 1 前言 圣地亚哥地铁二号线的北部延伸段 全长大约 1 6 千米 把现有的凯利肯特站 Cal y Canto Station 位于马波丘河南岸 与圣地亚哥北部连接了起来 包括两个新的地铁站和一 条部署隧道 这项民用地铁隧道 除了侧向进入车站的施工坑道和通风竖井的设置 还有对 地下工程方法的采用 隧道由双线单 管组成 运行相当直 沿着瑞科莱塔大道的四条线 道方向 然而 在它的南端 为了考虑与现有二号线凯利肯特站的连接 隧道水平走向与一 段非常急剧的半径只有 253 米的弯曲相连 这一定向上的限制 迫使隧道必须在其拱顶与基 础之间非常有限的空间里从战斗桥桥台下通过 就在这段通道之后 开挖要在马波丘河底部 以及克斯坦尼拉北部六线道明挖公路隧道底板下进行 这在当代属于地铁工程做出单方面让 步的一部分 图 1 平面视图和战斗桥 图 2 放大视图和纵断面 桥台基础承受很重的荷载 为了实现这段从中穿越的隧道的建设 同时把对这座旧且敏 感的建筑物的干扰减小到最低 需要设计出特殊的施工方法和监测手段并且成功实施 接下 来的部分就将予以说明 2 设计与施工 首先 对大桥结构承载力的敏感性进行综合性研究 以检验挖掘这段隧道所采用的施工 方法的可行性 因为没有大桥施工的设计图和记录可以参考 大桥建于五十年代初期 就 需要进行场地调查研究 以确定隧道相关的几何尺寸 结构设计理念以及所用材料的质量 调查研究表明 大桥面板与一堵挡土墙硬性连接在一起 这种连接方式同样适用于纵向 梁与竖直挡墙的钢筋混凝土的连接 同样可以观察到 大桥由分开的 结构上独立的三个部 分所构成 由此可以猜想 大桥很有可能是经过两个阶段建设完成的 隧道路线穿过桥台基 础的西部边缘 因此不会影响大桥的其他剩余两个部分 对大桥敏感性分析的结果显示 在不产生不可接受的结构性风险也不带来任何其他适用 性损伤的情况下 它能够承受大约 8 10 毫米的桥台基础沉降量 鉴于上述结果 地铁有限 公司与公路局的大桥部门 负责战斗桥 之间达成了协议 那就是 把由地铁施工而产生的 基础沉降量控制在 5 毫米以内 岩土调查又表明 除了在大桥施工期间设置的填充材料 在桥台挡土墙的背后和上方 土质条件都和典型的老圣地亚哥冲积矿床砾石的基本相同 呈现出非常良好的力学特性 非 常适于建设隧道 隧道起拱线处的平均值 22 kN m3 c 40Kpa 45o E 300Mpa ko 0 3 对于地下水条件 因为隧道段几乎处在马波丘河的边沿 所以应该有一些细流存 在 然而 建立在以前经验的基础之上可以认为 这些细流是可以用传统的集水和排水方法 加以解决的 不会给隧道开挖带来不便 主隧道开挖之前 在已知边界条件的基础上 为了保证对沉降严格限制要求的满足 决 定用钢筋混凝土桩对大桥基础实施强力支撑 3 桥台基础支撑 基础支撑由六根桩所组成 这些桩在隧道门洞和导坑的小空间里由人来进行施工 在主 隧道开挖之前完成施工 隧道主线沿着大桥基础边缘的对角线方向 转换成一个悬臂结构 这因为是不可能在侧向桩上设置支撑系统的 因此支撑桩必须设置在隧道洞交叉部分 从而给隧道施工增加了难度 这些桩会在以后的施工阶段被拆除掉 那时永久隧道线已经被 设置好 参见 5 3 支撑设计理念的构想 不仅考虑到对变形的防止和补偿 而且考虑到主隧道开挖期间对 支撑桩上荷载分配的控制 有了这样的诉求 那么那些桩会被提供一套有效的千斤顶和监测 系统 包括各自的液压千斤顶 每套承重 630 吨 容纳在每根桩中矩形钢架的内部 这些 由两块厚钢板组成的钢架 固定在桩当中混凝土部分的上部和下部 并且由四根能够自由伸 缩的支柱分隔开 该系统设置于导坑的上升处 在整个施工阶段都能使用 图 3 a 隧道断面处的门洞 b 支撑桩与钢筋架 4 监测系统 总的来说 隧道工作是在一套监测系统的监视之下进行实施的 该系统对洞腔表面和次 表面的变形与绝对变形进行监测 光学三维变形监测 同样 在这特殊的交叉地段 隧道 施工期间及之后 应变仪及径向压力传感器被设置好 以记录和控制地表压力及隧道衬砌压 力 为了更好的控制地面和隧道变形 更好的控制液压千斤顶 不同施工阶段给支撑桩带来 的荷载 支撑桩上部及下部的绝对变形与相对变形及安装在这些桩中间的具有辅助功能的能 够自由伸缩的钢支撑的动态 有必要在标准控制的基础上 设计和增加一套特殊的 持续的 监测系统 桩荷载由各自桩内的压力传感器所控制 水准测量建立在一套安装在施工影响范围外的 旋转激光系统上 每根桩上 安装每个水准测量点 能自动调整电子目标 以读出绝对变形 的示数 同样 通过动态传感器 弹簧杆 可以测出桩的上部和下部的相对变形 也可以在 任何时候计算出桥台基础板的沉降与转动 基础板的水准测量还可以通过沉降标来进行确 定 这些以垂直杆形式出现的沉降标被固定在桥台混凝土的上部 并由地表进行监测 在任何时候 监测数据都不断地传送给为评估和比较数值而设计的翻译软件 该软件带 有提前建立起的边界数值 从而让工程监理能够在施工过程中做出及时且合理的决定 图 4 a 钢筋架当中的千斤顶和压力传感器 b 监测台 5 隧道开挖 主隧道开挖利用地下隧道开挖方法 新奥地利隧道施工方法 简称新奥法 来实施 在 桩的中间进行开挖的同时 维护好支撑系统使其不被干扰 隧道交叉段被分为三个部分 持 续而交替地开挖 伴随着周期性的临时喷浆支护 一次衬砌 并由丝网 钢筋和格子梁进 行加强 第二阶段 隧道与大桥桥台由厚实的现浇钢筋混凝土二次衬砌来进行最后的永久性 支撑 厚度变化范围为 1 米到最高 2 米 在接下来的小节里 将按顺序来介绍与这项市政地下隧道工程工作相关的所有描述 5 1 为大桥支撑就绪而准备的门洞和导坑 首期开挖工作由小型的门洞和导坑施工所组成 在桥台基础板下面 支撑桩的位置 完 成 门洞呈现为一个直径大约 3 米 封闭的椭圆形构筑物 先挖出 1 米的标准圆 然后立即 进行丝网钢筋混凝土围护 由于尺寸上的减小 开挖工作需要由包括人工在内的小型开挖来 展开 门洞从桥台基础方向的主隧道临时挡墙处开挖 在基础边缘处 交叉段扩大为一个马靴 形并且基础底板成为门洞的顶部 之后 底板和导坑完全从底下一直到达基础的另一边缘 在那里导坑被一堵尾墙封闭 开挖期间发现 实际的底板面倾角和仰角跟预期的相比有点不 一样 从而需要在尺寸上对导坑进行调整 因此随着导坑总体高度的增加 决定在导坑交叉 段的半高处设置横向钢筋梁以提高整体稳定性 图 5 a 门洞 b 桥台底临空面 c 支撑桩设置图 门洞和导坑一完成 首先就对四根支撑桩进行人工开挖 分两个阶段实施 首先在较低 的部分上浇以混凝土而较高的部分留在后一阶段 辅助性的钢筋架和液压千斤顶设置以后 进行施工 接着 设置第一套千斤顶设备 把桩打入地下并使荷载从桥台转移到支撑桩上 这样就实现了对桥台的第一个有效支撑 也方便了位于第一个平行导坑边上的第二个的开 挖 避免了大桥沉降这方面的市政风险 接下来的施工由拆除第一个导坑的部分侧墙和开挖第二个导坑开始 从而方便另外两根 桩的施工和作用的发挥 这样就完成了整个支撑系统 千斤顶设置期间 其上的荷载受到控 制并被逐步加上去直到峰值 500 吨 每套 这样就方便了被移除的基础荷载的转移并可预 见荷载的动态 要不然会给主隧道开挖带来所有压力 事实上 主开挖之前千斤顶的总荷载 的设计值约为 1500 吨 这相当于垂直基础压力预计值的 60 左右 这样就可以实现地面预 加载并预测引起基础沉降的变形量 在主隧道开挖前 桥台的沉降量就已经达到了 3 5 毫米 设计期间的评估显示了因后期 施工而可能带来的额外沉降量 约为 1 5 毫米 5 2 主隧道开挖和支护 大桥支撑一完成 20 米长的隧道主要段开挖就开始了 首先从拆除位于桥台基础横向 投影处的临时尾墙开始 考虑到约 100 平方米的大型隧道交叉段 很高的桥台荷载和变形量 的控制需要 决定对交叉段分三个部分进行开挖 横向的双侧壁导坑和中间的导坑 侧壁导 坑由临时性的 在之后中间导坑施工期间会被拆除的内部喷浆墙来支撑 既然支撑桩和侧壁 导坑之间没有妨碍 所以能够保证在整个施工期间监测系统都有一个独立的进口 施工先从较长的右侧壁导坑开始进行 接着对左侧壁导坑进行开挖 两个导坑都完全开 挖并由一堵临时性的 位于与克斯坦尼拉北部隧道墙相交的尾墙所封闭 图 6 a 主隧道开挖 b 临时支护 为了控制好沉降量和减轻地面受力 需要将中间导坑开挖时离侧壁导坑开挖面的距离控 制在 4 米以上 因为中间导坑的顶线与门洞和导坑在一条线上 因此在开挖过程中需要把这 些结构都拆除掉 阶地与倒拱部分的开挖分两条线进行 一条从开挖面 另一条从侧面 这 给千斤顶及监测系统开辟出了一条永久通道 侧壁导坑临时墙会在开挖中间导坑的同时被拆 除 并将最后倒拱与要拆除的部分之间的距离控制在 6 米以上 一旦临时墙的拆除完成及衬砌变形稳定下来 就能够说明千斤顶和桩荷载保持稳定不变 了 也就完成了应力的再分配 之后如原先设计的那样 首先开始对千斤顶系统进行撤离 预测 然后设置二次衬砌 这样做也是基于这样一个事实 钢筋和模板的设置会妨碍千斤顶 的运作 从而会在混凝土工程施工期间带来额外的伤坏性风险 图 7 a 支撑桩 b 临时墙拆除后的主隧道 这样一来 我们测得桥台沉降量的最大记录值在 3 5 毫米至 4 毫米之间变化 这就在不 产生不可接受的形变量的同时给千斤顶系统的撤离预测提供了方便 千斤顶系统的撤离在一 个预先确定的顺序解压阶段进行 在此期间相关结构物的荷载 形变关系会被小心的加以 控制 随着千斤顶的撤离 桩荷载就必须由设置在桩当中的四根辅助性的钢筋支柱来承担 记录显示 施工期间的额外沉降量没超过有 1 毫米 5 3 主隧道永久衬砌 鉴于桥台上的高荷载和与马波丘河相邻 我们设计 保证隧道性能的永久性结构由厚实 的现浇钢筋混凝土衬砌来进行支撑 厚度变化范围为 1 米到最高 2 米 因为需要大量的钢筋 大量的混凝土材料以及由于可利用空间的减少 混凝土工程就成 为一个主要的技术难题 为了预防收缩裂缝并保证均匀性 有必要设计合适的混凝土配合比 并保证不对最终的咬合强度造成损失 也需要设计特殊的模板和与之相适应的浇筑技术 包 括窗口 管道以及保证一次衬砌与二次衬砌之间全面接触不留空隙的注浆管 首先 用一块单独的模块作为隧道倒拱 然后分两块 两侧 进行墙体浇筑 最后同样 用一块单独的模块进行顶板浇筑 衬砌嵌入基础桩的上部和下部 而基础桩本身设置了抗剪 键以方便其被拆除时将其上的荷载转移到衬砌上来 当二次衬砌完成并且具备足够的抗力 时 拆除隧道剖面基础桩的可视部分 并把地表及基础全部荷载都转移到衬砌结构上 记录 显示 桥台处的最大沉降量没有超过 5 毫米 拆除基础桩用的是一种特殊的电缆锯 在切割混凝土和石块的时候不会给邻近的衬砌结 构带来任何伤害 而钢架和钢板的突出部分会在火焰切割设备的帮助下被切除并打磨平整 在此期间沉降量的边际增加值远远低于 0 5