地鐵車站近距離近距pba方案比選及變形監(jiān)測

地鐵車站近距離近距pba方案比選及變形監(jiān)測

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。由于地鐵施工引起的地層變形可能導致鄰近橋梁基礎發(fā)生沉降和承受附加應力,如果橋梁基礎的沉降或附加應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險。北京地鐵十號線呼家樓車站是一個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,車站主體為兩個分離的單洞形式,每個分離的結(jié)構(gòu)斷面為單拱單跨雙層結(jié)構(gòu),斷面標準寬度為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,括號內(nèi)數(shù)字表示車站結(jié)構(gòu)在其他斷面相應的尺寸,因為車站結(jié)構(gòu)沿縱向不是一個標準斷面,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應力混凝土蓋梁的預制墩柱,承臺尺寸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,設中央隔離帶?；A均為樁基礎,樁型按端承摩擦樁考慮,樁長為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,車站北端橫向設置的迂回風道距離橋樁結(jié)構(gòu)的距離為2.16～10.00m。近年來,已經(jīng)有學者就地鐵施工對鄰近橋梁影響問題進行了探討,但是目前關(guān)于鄰近橋樁地鐵施工對橋樁影響研究主要集中在對鄰近橋樁影響預測及加固措施的選擇等方面。作者認為,地鐵鄰近橋梁施工問題是一個系統(tǒng)工程,應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,又不對鄰近橋梁的安全性構(gòu)成威脅?？刂婆c加固措施應根據(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險等級,對每個等級確定相應的加固措施。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)特點及其與鄰近橋樁位置關(guān)系,圍繞鄰近橋樁保護這個核心問題,綜合考慮工期、造價、安全等因素,對車站施工方案進行研究。(2)施工過程中:抓住鄰近京廣橋樁這個主要風險源,根據(jù)不同的風險等級,采取相應的加固保護對策,并且強調(diào)在施工過程中對地層變形進行動態(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)初步設計的施工方案為CRD法,即:將車站斷面分為8個小斷面進行開挖,并架設初期支護和臨時支撐,然后自下而上分段拆除臨時支撐,分段施作底板、站臺層側(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(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支撐形成二襯的過程中能更為嚴重。(2)車站主體為分離島式車站,主體結(jié)構(gòu)與迂回風道、左右線行人聯(lián)絡通道及設備通道交叉,交叉口處受力轉(zhuǎn)換復雜,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險源,對地層側(cè)向變形和豎向沉降控制標準高。鑒于呼家樓車站的結(jié)構(gòu)特點和鄰近橋樁的環(huán)境特點,因此需要對施工方案進行比選和優(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,同時考慮整體順作,整體逆作,站廳層和站臺層分別順作、整體逆作的3種方法,并采用軟件對CRD法和PBA法的3種不同的施工順序,選取標準斷面進行了三維數(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鄰近橋樁的保護來看,PBA法比CRD法具有優(yōu)越性。本車站的設計單位也認為: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)境復雜,采用分離式結(jié)構(gòu)設計,PBA法施工,能有效保護臨近建(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CRD和PBA法引起的地表沉降、鄰近橋樁變形和初期支護結(jié)構(gòu)強度的比較,并綜合考慮造價、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:施作小導洞和導洞內(nèi)鉆孔樁及樁頂冠梁,在導洞內(nèi)施作主體拱部格柵鋼架拱腳;(2)第2步:立?；靥顚Ф磧?nèi)拱架及其背后空隙;(3)第3步:拱部超前小導管注漿加固地層,開挖上部土體至第一開挖面,架設拱部格柵鋼架,施作初期支護;(4)第4步:待拱腳回填混凝土和主拱初期支護達到設計強度后拆除臨時豎撐,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),預留邊墻鋼筋;(6)第6步:繼續(xù)開挖土體到基底標高,樁間噴混凝土,施作底板墊層;(7)第7步:鋪設底板防水層及細石混凝土保護層,澆筑底板及部分邊墻;(8)第8步:待底板達到一定強度,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地表沉降控制值復雜環(huán)境下進行地鐵車站的暗挖施工,對周邊環(huán)境的保護本質(zhì)上體現(xiàn)在對地層變形的控制上。傳統(tǒng)的地層沉降控制標準為30mm,如果要達到上述標準,就需要增加許多輔助的技術(shù)手段,直接影響到工程造價,在多數(shù)情況下,這個標準應該放寬。通過對眾多工程實例的分析,王夢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)過對施工方案的有限元計算,并經(jīng)專家討論認為,地表最大沉降控制在60mm之內(nèi)較為經(jīng)濟合理。3.2地表沉降控制目標(1)首先明確產(chǎn)生地層沉降的主要工序。根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果,本工程所有工序中,小導洞施工引起的地層沉降約占30%,拱部開挖支護(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)引起的地層沉降。(2)根據(jù)PBA法特點,將車站施工過程劃分為小導洞開挖、拱部開挖支護、站廳層施工、站臺層施工等4個主要階段,并確定各主要施工階段的地表沉降控制目標(見表4)。(3)如果監(jiān)測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,則進行下個階段的施工。(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,對后續(xù)的施工方案進行調(diào)整,從而確?？偝两盗坎怀^控制值。3.3主洞與風道的產(chǎn)品有交叉根據(jù)本工程的施工經(jīng)驗,認為應從以下幾個方面對地層沉降進行過程控制:(1)車站主體初期支護結(jié)構(gòu)分導洞內(nèi)拱腳施工和主體拱頂大弧施工兩階段進行,應采取有效措施保證兩次施工的連接精度。(2)由于主洞與設備通道、人行通道以及風道存在交叉口,交叉口處結(jié)構(gòu)復雜,應確保該處結(jié)構(gòu)之間的順利銜接。(3)由于扣拱之前要破除小導洞格柵,應注意小導洞的破除對地層的擾動,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階法、CD法、CRD法施工,具體采用何種方法應結(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,設備通道和人行通道等斷面可以采取臺階法;主洞與風道交叉部位的5m范圍內(nèi)采取CRD法施工;離開交叉口部位5m后改用臺階法施工。(5)應采取有效措施確保大弧扣拱初期支護背后的空隙被填滿,這是控制地層沉降最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。4鄰近橋梁的檢測和保護對于鄰近橋樁處理遵循“確定控制指標和控制標準→確定風險等級→確定工程處理措施→工程處理措施的效果監(jiān)測”的處理程序。4.1橋墩絕對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、橋墩絕對沉降作為控制指標。具體控制標準如下: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;橋墩絕對沉降不超過12mm。4.2鄰近橋樁防護等級分級風險等級的確定及所對應的施工對策應能夠?qū)⑹┕わL險限定在一個合理、可接受的水平,即在經(jīng)濟投入、技術(shù)方案、工期、勞動強度和綜合效益方面達到最佳。根據(jù)北京地鐵十號線關(guān)于鄰近橋樁保護專家討論會的意見,結(jié)合本站鄰近橋樁的分布以及施工方法特點,作者認為,應根據(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等級,對每個等級確定相應的加固措施。本文將本站鄰近橋樁風險等級分為A,B,C三個等級,分級依據(jù)和防護措施如下:(1)A級:地鐵結(jié)構(gòu)和橋樁凈距小于3m,且樁長的2/3以上在地鐵工程開挖影響破裂面范圍以內(nèi)。防護原則:先加固,后施工。(2)B級:地鐵結(jié)構(gòu)和橋樁凈距稍大于3m,且樁長的1/3～2/3進入地鐵工程開挖影響破裂面范圍以內(nèi)。防護原則:邊施工、邊加固。(3)C級:地鐵結(jié)構(gòu)和橋樁凈距大于3m,且不足1/3樁長在地鐵工程開挖影響破裂面范圍以內(nèi)。防護原則:先施工,后加固,并根據(jù)監(jiān)測情況,確定是否需要采取加固措施。根據(jù)上述分級方法,本站列入A級防護的有京廣橋19#～21#西側(cè)橋墩,共5個橋墩。列入B級防護的有:京廣橋20#東側(cè)橋墩、22#～26#共11個橋墩。橋墩編號詳見圖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)對橋樁周圍地層進行注漿加固為主。(1)在小導洞開挖過程中,當開挖到橋樁位置附近,在鄰近橋樁一側(cè)設置超前小導管,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,減小隧道初期支護格柵鋼架的縱向間距,加設臨時仰拱,及時封閉;(3)施工中加強對施工工藝的控制,采取“小分塊、短進尺、強支護、快封閉”的手段,減少對地層的擾動;(4)加強洞內(nèi)和地面橋墩變形的監(jiān)控量測;(5)洞內(nèi)鉆孔樁加密:對鄰近A級橋樁的小導洞內(nèi)鉆孔樁由加密為@1000mm。4.4橋樁的沉降特性對車站范圍內(nèi)受施工影響的16根橋樁進行沉降監(jiān)測。截止到2006年10月22日,各監(jiān)測點的最終沉降見表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級橋樁。圖6為車站北端迂回風道與人行橫道之間的兩橋樁的沉降與時間關(guān)系曲線。監(jiān)測結(jié)果表明:鄰近橋樁的各項變形指標都在控制范圍內(nèi),采取的施工方案對鄰近橋樁起到了很好的保護作用。5地鐵工程鄰近橋樁保護對策(1)根據(jù)呼家樓車站鄰近橋樁的特點和車站結(jié)構(gòu)特點,對適合車站施工的CRD法和洞樁法兩種方法從施工安全性、造價、施工效率、施工組織等諸多方面進行了詳細的探討,確定本站采用暗挖洞樁法施工最為可靠。(2)根據(jù)對車站施工方案的綜合分析,提出了“站廳層和站臺層分別順作、整體逆作”的PBA法