地鐵車站近距離近距pba方案比選及變形監(jiān)測(cè)

地鐵車站近距離近距pba方案比選及變形監(jiān)測(cè)

1車站結(jié)構(gòu)斷面尺寸及研究思路北京的地鐵線網(wǎng)通常位于市中心。在這些地區(qū)，已經(jīng)修建了許多高架橋和人行橫道，因此，在地鐵站和區(qū)間隧道附近配置了地下停車場(chǎng)。由于地鐵施工引起的地層變形可能導(dǎo)致鄰近橋梁基礎(chǔ)發(fā)生沉降和承受附加應(yīng)力,如果橋梁基礎(chǔ)的沉降或附加應(yīng)力超過了一定的水平,將可能使鄰近橋梁出現(xiàn)損傷或使已經(jīng)存在的損傷加劇,影響橋梁的正常使用甚至出現(xiàn)安全問題,因此鄰近橋梁施工地鐵具有極大風(fēng)險(xiǎn)。北京地鐵十號(hào)線呼家樓車站是一個(gè)典型的鄰近橋梁布置的地鐵車站。該站位于東三環(huán)京廣橋兩側(cè)輔路下,呈南北走向。受京廣橋橋樁位置制約,車站主體為兩個(gè)分離的單洞形式,每個(gè)分離的結(jié)構(gòu)斷面為單拱單跨雙層結(jié)構(gòu),斷面標(biāo)準(zhǔn)寬度為12.62m,高15.72m,車站平面布置及主體結(jié)構(gòu)斷面型式分別見圖1,2(圖2中,括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示車站結(jié)構(gòu)在其他斷面相應(yīng)的尺寸,因?yàn)檐囌窘Y(jié)構(gòu)沿縱向不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷面,在其他斷面上結(jié)構(gòu)參數(shù)有變化)。車站位于京廣橋19#～26#橋墩之間。京廣橋跨朝陽(yáng)北路,主跨(21#～24#橋墩)為連續(xù)梁結(jié)構(gòu),橋墩為鋼筋混凝土墩柱和帶預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁的預(yù)制墩柱,承臺(tái)尺寸5.5m×5.5m,支座為球型支座和盆式支座。橋面寬28.0m,雙向六車道,設(shè)中央隔離帶?；A(chǔ)均為樁基礎(chǔ),樁型按端承摩擦樁考慮,樁長(zhǎng)為20～29m,超過地鐵結(jié)構(gòu)底板3.3～6.3m,樁徑為1.2m,4根為一組。車站主體結(jié)構(gòu)與橋樁水平距離為4.3～6.0m,車站北端橫向設(shè)置的迂回風(fēng)道距離橋樁結(jié)構(gòu)的距離為2.16～10.00m。近年來,已經(jīng)有學(xué)者就地鐵施工對(duì)鄰近橋梁影響問題進(jìn)行了探討,但是目前關(guān)于鄰近橋樁地鐵施工對(duì)橋樁影響研究主要集中在對(duì)鄰近橋樁影響預(yù)測(cè)及加固措施的選擇等方面。作者認(rèn)為,地鐵鄰近橋梁施工問題是一個(gè)系統(tǒng)工程,應(yīng)從鄰近橋樁地鐵工程施工方案優(yōu)化及鄰近橋樁變形控制與加固兩方面著手。選擇的施工方案既能確保地鐵施工安全,又不對(duì)鄰近橋梁的安全性構(gòu)成威脅?？刂婆c加固措施應(yīng)根據(jù)橋樁與地鐵結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系來確定,將橋樁分成不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),對(duì)每個(gè)等級(jí)確定相應(yīng)的加固措施。為此,本文采取的研究思路如下:(1)施工前:分析車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其與鄰近橋樁位置關(guān)系,圍繞鄰近橋樁保護(hù)這個(gè)核心問題,綜合考慮工期、造價(jià)、安全等因素,對(duì)車站施工方案進(jìn)行研究。(2)施工過程中:抓住鄰近京廣橋樁這個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)源,根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),采取相應(yīng)的加固保護(hù)對(duì)策,并且強(qiáng)調(diào)在施工過程中對(duì)地層變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。2車站施工方案的優(yōu)化2.1站斷面的開挖和施工車站主體結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的施工方案為CRD法,即:將車站斷面分為8個(gè)小斷面進(jìn)行開挖,并架設(shè)初期支護(hù)和臨時(shí)支撐,然后自下而上分段拆除臨時(shí)支撐,分段施作底板、站臺(tái)層側(cè)墻、中板、站廳層側(cè)墻、頂拱。施工步驟詳見圖3。2.2車站變形控制難點(diǎn)(1)車站主體采用高平直墻結(jié)構(gòu)(主體斷面:12.62m×15.72m,抬高段高18.75m)。側(cè)壓力大,采用CRD法很難控制地層的側(cè)向變形,這種情況在拆除臨時(shí)支撐形成二襯的過程中能更為嚴(yán)重。(2)車站主體為分離島式車站,主體結(jié)構(gòu)與迂回風(fēng)道、左右線行人聯(lián)絡(luò)通道及設(shè)備通道交叉,交叉口處受力轉(zhuǎn)換復(fù)雜,難以保證地層變形和橋樁變形在允許值范圍內(nèi)。(3)車站主體結(jié)構(gòu)鄰近橋樁,是車站施工最大的風(fēng)險(xiǎn)源,對(duì)地層側(cè)向變形和豎向沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高。鑒于呼家樓車站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鄰近橋樁的環(huán)境特點(diǎn),因此需要對(duì)施工方案進(jìn)行比選和優(yōu)化。2.3pba法施工步驟(1)CRD法和洞樁法(PBA法)施工方案的比選,見表1。(2)若采用洞樁法施工,同時(shí)考慮整體順作,整體逆作,站廳層和站臺(tái)層分別順作、整體逆作的3種方法,并采用軟件對(duì)CRD法和PBA法的3種不同的施工順序,選取標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析,將不同施工方案所得的地表沉降值、橋樁水平位移以及PBA法不同施工順序的拱部初期支護(hù)最大彎矩值分別列于表2,3。由表1～3可知:(1)從地層沉降控制以及對(duì)鄰近橋樁的保護(hù)來看,PBA法比CRD法具有優(yōu)越性。本車站的設(shè)計(jì)單位也認(rèn)為:由于呼家樓車站位于東三環(huán)路面下,緊鄰京廣立交橋,周邊環(huán)境復(fù)雜,采用分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),PBA法施工,能有效保護(hù)臨近建(構(gòu))筑物。(2)在PBA法三種施工順序中,采用“站廳層和站臺(tái)層分別順作,整體逆作”的施工方案更有利于控制鄰近橋樁變形。通過對(duì)CRD和PBA法引起的地表沉降、鄰近橋樁變形和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的比較,并綜合考慮造價(jià)、工期等因素,最后確定本站主體結(jié)構(gòu)采用“站廳層和站臺(tái)層分別順作、整體逆作”的洞樁法施工方案,即PBA法具體施工步驟如下:(1)第1步:施作小導(dǎo)洞和導(dǎo)洞內(nèi)鉆孔樁及樁頂冠梁,在導(dǎo)洞內(nèi)施作主體拱部格柵鋼架拱腳;(2)第2步:立?；靥顚?dǎo)洞內(nèi)拱架及其背后空隙;(3)第3步:拱部超前小導(dǎo)管注漿加固地層,開挖上部土體至第一開挖面,架設(shè)拱部格柵鋼架,施作初期支護(hù);(4)第4步:待拱腳回填混凝土和主拱初期支護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除臨時(shí)豎撐,向下開挖土體至中板下一定距離,拆除永久結(jié)構(gòu)斷面范圍內(nèi)導(dǎo)洞格柵鋼架;(5)第5步:施作中板和邊墻,站廳層封閉成環(huán),預(yù)留邊墻鋼筋;(6)第6步:繼續(xù)開挖土體到基底標(biāo)高,樁間噴混凝土,施作底板墊層;(7)第7步:鋪設(shè)底板防水層及細(xì)石混凝土保護(hù)層,澆筑底板及部分邊墻;(8)第8步:待底板達(dá)到一定強(qiáng)度,跳拆鋼支撐,施作側(cè)墻,施做車站內(nèi)部結(jié)構(gòu),車站土建施工完成。這也是國(guó)內(nèi)首次在地鐵車站施工中采用的一種洞樁法方案,施工步驟見圖4。3施工期間，有必要控制地層沉降3.1地表沉降控制值復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行地鐵車站的暗挖施工,對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)本質(zhì)上體現(xiàn)在對(duì)地層變形的控制上。傳統(tǒng)的地層沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為30mm,如果要達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn),就需要增加許多輔助的技術(shù)手段,直接影響到工程造價(jià),在多數(shù)情況下,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該放寬。通過對(duì)眾多工程實(shí)例的分析,王夢(mèng)恕等建議暗挖地鐵車站的地表沉降控制值為80mm之內(nèi)。本工程施工中,經(jīng)過對(duì)施工方案的有限元計(jì)算,并經(jīng)專家討論認(rèn)為,地表最大沉降控制在60mm之內(nèi)較為經(jīng)濟(jì)合理。3.2地表沉降控制目標(biāo)(1)首先明確產(chǎn)生地層沉降的主要工序。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,本工程所有工序中,小導(dǎo)洞施工引起的地層沉降約占30%,拱部開挖支護(hù)(大弧扣拱)引起的地層沉降約占50%,扣拱結(jié)束以后的工序引起的地層沉降約占20%,因此關(guān)鍵是要控制好大弧扣拱(拱部開挖支護(hù))引起的地層沉降。(2)根據(jù)PBA法特點(diǎn),將車站施工過程劃分為小導(dǎo)洞開挖、拱部開挖支護(hù)、站廳層施工、站臺(tái)層施工等4個(gè)主要階段,并確定各主要施工階段的地表沉降控制目標(biāo)(見表4)。(3)如果監(jiān)測(cè)得出的某一階段施工造成的地表沉降沒有超出本階段的限定值,則進(jìn)行下個(gè)階段的施工。(4)如果某一階段施工造成的地表沉降超過限定值,則重新確定后續(xù)的每個(gè)施工階段的地表沉降限定值。(5)根據(jù)重新確定的地表沉降控制值,對(duì)后續(xù)的施工方案進(jìn)行調(diào)整,從而確?？偝两盗坎怀^控制值。3.3主洞與風(fēng)道的產(chǎn)品有交叉根據(jù)本工程的施工經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為應(yīng)從以下幾個(gè)方面對(duì)地層沉降進(jìn)行過程控制:(1)車站主體初期支護(hù)結(jié)構(gòu)分導(dǎo)洞內(nèi)拱腳施工和主體拱頂大弧施工兩階段進(jìn)行,應(yīng)采取有效措施保證兩次施工的連接精度。(2)由于主洞與設(shè)備通道、人行通道以及風(fēng)道存在交叉口,交叉口處結(jié)構(gòu)復(fù)雜,應(yīng)確保該處結(jié)構(gòu)之間的順利銜接。(3)由于扣拱之前要破除小導(dǎo)洞格柵,應(yīng)注意小導(dǎo)洞的破除對(duì)地層的擾動(dòng),在破除之前,沿縱向在破除位置提前注漿加固地層。(4)大弧扣拱可采用全斷面臺(tái)階法、CD法、CRD法施工,具體采用何種方法應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件、斷面大小、扣拱位置來確定。根據(jù)呼家樓車站施工經(jīng)驗(yàn),設(shè)備通道和人行通道等斷面可以采取臺(tái)階法;主洞與風(fēng)道交叉部位的5m范圍內(nèi)采取CRD法施工;離開交叉口部位5m后改用臺(tái)階法施工。(5)應(yīng)采取有效措施確保大弧扣拱初期支護(hù)背后的空隙被填滿,這是控制地層沉降最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。4鄰近橋梁的檢測(cè)和保護(hù)對(duì)于鄰近橋樁處理遵循“確定控制指標(biāo)和控制標(biāo)準(zhǔn)→確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)→確定工程處理措施→工程處理措施的效果監(jiān)測(cè)”的處理程序。4.1橋墩絕對(duì)沉降控制本工程采用順橋向兩相鄰橋墩差異沉降、橫橋向兩相鄰橋墩差異沉降、橋墩絕對(duì)沉降作為控制指標(biāo)。具體控制標(biāo)準(zhǔn)如下:順橋向兩相鄰橋墩之間的差異沉降不得超過5mm;橫橋向同一蓋梁下相鄰兩橋墩之間的差異沉降不得超過5mm;橋墩絕對(duì)沉降不超過12mm。4.2鄰近橋樁防護(hù)等級(jí)分級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定及所對(duì)應(yīng)的施工對(duì)策應(yīng)能夠?qū)⑹┕わL(fēng)險(xiǎn)限定在一個(gè)合理、可接受的水平,即在經(jīng)濟(jì)投入、技術(shù)方案、工期、勞動(dòng)強(qiáng)度和綜合效益方面達(dá)到最佳。根據(jù)北京地鐵十號(hào)線關(guān)于鄰近橋樁保護(hù)專家討論會(huì)的意見,結(jié)合本站鄰近橋樁的分布以及施工方法特點(diǎn),作者認(rèn)為,應(yīng)根據(jù)橋樁與地鐵結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系,將橋樁分成不同的防護(hù)等級(jí),對(duì)每個(gè)等級(jí)確定相應(yīng)的加固措施。本文將本站鄰近橋樁風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為A,B,C三個(gè)等級(jí),分級(jí)依據(jù)和防護(hù)措施如下:(1)A級(jí):地鐵結(jié)構(gòu)和橋樁凈距小于3m,且樁長(zhǎng)的2/3以上在地鐵工程開挖影響破裂面范圍以內(nèi)。防護(hù)原則:先加固,后施工。(2)B級(jí):地鐵結(jié)構(gòu)和橋樁凈距稍大于3m,且樁長(zhǎng)的1/3～2/3進(jìn)入地鐵工程開挖影響破裂面范圍以內(nèi)。防護(hù)原則:邊施工、邊加固。(3)C級(jí):地鐵結(jié)構(gòu)和橋樁凈距大于3m,且不足1/3樁長(zhǎng)在地鐵工程開挖影響破裂面范圍以內(nèi)。防護(hù)原則:先施工,后加固,并根據(jù)監(jiān)測(cè)情況,確定是否需要采取加固措施。根據(jù)上述分級(jí)方法,本站列入A級(jí)防護(hù)的有京廣橋19#～21#西側(cè)橋墩,共5個(gè)橋墩。列入B級(jí)防護(hù)的有:京廣橋20#東側(cè)橋墩、22#～26#共11個(gè)橋墩。橋墩編號(hào)詳見圖5。4.3橋樁周圍地層不穩(wěn)定施工鄰近橋樁加固措施以洞內(nèi)對(duì)橋樁周圍地層進(jìn)行注漿加固為主。(1)在小導(dǎo)洞開挖過程中,當(dāng)開挖到橋樁位置附近,在鄰近橋樁一側(cè)設(shè)置超前小導(dǎo)管,從洞內(nèi)注漿加固橋樁周圍地層,減小地層側(cè)向變形;(2)在通過鄰近橋樁地段,減小隧道初期支護(hù)格柵鋼架的縱向間距,加設(shè)臨時(shí)仰拱,及時(shí)封閉;(3)施工中加強(qiáng)對(duì)施工工藝的控制,采取“小分塊、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”的手段,減少對(duì)地層的擾動(dòng);(4)加強(qiáng)洞內(nèi)和地面橋墩變形的監(jiān)控量測(cè);(5)洞內(nèi)鉆孔樁加密:對(duì)鄰近A級(jí)橋樁的小導(dǎo)洞內(nèi)鉆孔樁由加密為@1000mm。4.4橋樁的沉降特性對(duì)車站范圍內(nèi)受施工影響的16根橋樁進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。截止到2006年10月22日,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終沉降見表5。橋樁最大沉降為-11.63mm,最大差異沉降為4.36mm,均發(fā)生在A級(jí)橋樁。圖6為車站北端迂回風(fēng)道與人行橫道之間的兩橋樁的沉降與時(shí)間關(guān)系曲線。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:鄰近橋樁的各項(xiàng)變形指標(biāo)都在控制范圍內(nèi),采取的施工方案對(duì)鄰近橋樁起到了很好的保護(hù)作用。5地鐵工程鄰近橋樁保護(hù)對(duì)策(1)根據(jù)呼家樓車站鄰近橋樁的特點(diǎn)和車站結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)適合車站施工的CRD法和洞樁法兩種方法從施工安全性、造價(jià)、施工效率、施工組織等諸多方面進(jìn)行了詳細(xì)的探討,確定本站采用暗挖洞樁法施工最為可靠。(2)根據(jù)對(duì)車站施工方案的綜合分析,提出了“站廳層和站臺(tái)層分別順作、整體逆作”的PBA法