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北京地铁10号线下穿国贸桥桥桩加固技术

　摘要:北京地铁10号线国贸站—光华路站区间暗挖隧道下穿国贸桥,要求隧道开挖之前须对国贸桥异型板进行支顶保护。施工中采用军用墩双控支顶技术,在隧道开挖前将国贸桥上抬2 mm,为下部隧道开挖提供更大沉降余量,保证暗挖法顺利实施,以期为以后类似工程的施工提供借鉴。

关键词:异型板　桥桩　沉降　支顶

1 工程背景

北京地铁10号线国贸站—光华路站区间南段穿越国贸桥异型板区域桩,由于周边国贸站、国贸站东北和西北通风通道风井等工程的施工已经使桥桩沉降临近警戒值,桥面多处开裂,使桥体濒临破坏。而北京地铁10号线隧道和联络通道也从该区域穿过。异型板区域16根桩中,与隧道最近距离仅为2.41 m,有7根桩底位于隧道肩部,隧道距离桥桩最近距离仅为2.41 m,10号线隧道开挖对桩体稳定极其不利,开挖必然再次引起桥桩的沉降。此外围岩土体的自稳能力差,易产生坍塌,同时受地下水影响,产生局部潜蚀、涌砂、流砂等,专家确定国贸—光华路南段区间施工桥桩沉降以3 mm为警戒值。

国贸站—光华路站区间南段长60 m,位于国贸桥主桥与匝道桥之间的辅路下方,在国贸桥桩间穿行,周边有多处国贸桥桩,大部分桥桩与区间结构距离在3~6 m,且部分为短桩,有些桥桩单桩沉降和差异沉降已超出原定的限值,因此南段区间施工还将不可避免地对周边桥桩产生扰动,使桥桩进一步发生沉降,单独采用隧道内加固措施很难保证国贸桥的稳定,因此区间施工前须采取一定的地表措施以保证国贸桥的使用安全。

2 总体方案

国贸站—光华路站区间施工前应通过对异型板支顶进行加固来对异型板进行高程调整,异型板区域的支护设计分两步实施,具体如下:

1)第一阶段:南段区间施工前,首先对40#、41#、43#~56#桩基进行加固,然后对36#、37#、40#、41#、43#~56#墩进行支架支护。此次支护对45#~46#、47#~48#墩柱两侧异型板施加一定支顶力,并顶升起2 mm左右,限位值不超过3 mm;其他位置为临时支顶,采用支架体系将板体下方顶紧,在异型板发生沉降时共同受力。

2)第二阶段:南段区间施工中,若45#~46#(47#~48#)桥墩沉降超过警戒值3 mm时,进行第二次支顶,将45#~46#(47#~48#)桥墩位置异型板再顶升2mm左右,限位值同样不超过3 mm。支顶方法与第一次相同。

3 桥桩支顶保护技术

3.1 支顶施工前期准备工作

考虑上部全部荷载、地层承载力、施顶部位、支反力及地下管线等情况,支撑体系基础采用钢筋混凝土基础,支撑体系采用八三式军用墩,支顶设备为手动式千斤顶,并加位移限制装置等。第二次支顶方法与第一次一样,施工流程见图1。

3.1.1 桩周注浆加固措施

根据总体方案,支顶施工前40#、41#、43#~56#桥墩桩基采用袖阀管注浆进行加固,以提高桥桩承载能力,减小沉降。

袖阀管是一种只能向管外出浆,不能向管内返浆的单向闭合装置。灌浆时,压力将小孔外的橡皮套冲开,浆液进入地层,如管外压力大于管内时,小孔外的橡皮套自动闭合。袖阀管施工方法不但具有造价低、施工工艺简单、快速方便等优点,而且施工过程不破坏己有桥桩,也不影响其他施工作业,对保证工程质量和总体施工进度有较大的实用价值。

3.1.2 支撑体系基础设计

根据基础位置地质、管线及施工占道等情况,47#~48#墩内侧(为绿地)基础设计为长15 m、宽4 m、厚0.8 m钢筋混凝土基础,内侧(为三环辅路)基础设计为长15 m、宽3 m、厚0.8 m钢筋混凝土基础,基础紧靠原桥承台施工。基础采用钢筋混凝土结构,主筋采用Φ22@150 mm,箍筋采用Φ18@150 mm,拉接筋梅花形间隔布置。基础采用C30早强混凝土,基础顶部与原地面等高。

47#、48#墩盖梁东侧一期异型板顶力为5 000 kN,支架体系自重按250 kN考虑,基础自重按1 200 kN考虑,据此计算基础下方土层承受压力为107.5 kPa;西侧二期异型板顶力为4 000 kN,军用墩自重按250 kN考虑,基础自重按900 kN考虑,据此计算出基底地层承受压力为114.4 kPa,图桥梁同步顶升2为支架体系基础剖面图。

根据地勘报告,基础西侧东三环辅路已运行多年,基层承载能力可以达到200 kPa左右,满足承载力要求。基础东侧为绿化带,北京普通地层承载能力为11~150 kPa,且考虑还将对基础下方地下管线采用夯管桩进行保护,也可满足承载力要求。

3.1.3 军用墩安装技术

异型板支撑体系采用八三式军用墩,八三式军用墩由下垫梁、墩身、和上垫梁三部分组成。八三式军用墩为制式结构,且杆件重量轻、刚度大、拆装迅速,准备工作就绪,器材运至现场很快即可完成安装。

为确保军用墩稳定,现场根据支顶部位长度,沿道路纵向设置9个墩柱,中心间距为1 726 mm,横向设置2个墩柱,中心间距为1 276 mm。异型板下方距离地面高度为9.5 m左右,每处军用墩立柱采用1节3.5 m和2节2 m杆件配合使用。

根据设计院提供的支反力,47#、48#墩盖梁两侧各设4处支点,间距在3.7 m左右,支顶位置尽量靠近原支点。实际施工中军用墩支架纵向两排,军用墩立柱上方设置1层纵垫梁、2层横垫梁,在横垫梁中部设置千斤顶,考虑支架承载能力、预留一定的顶力富余量,盖梁每侧设置7个支点,据此计算一期异型板每支点顶力为720 kN,二期异型板每支点顶力为570 kN,每支顶位置设置1 500 kN千斤顶。八三式军用墩为制式结构,根据铁路业务战备手册每根立柱容许承载力为1 170 kN,双层垫梁容许最大弯矩为310 kN/m,容许最大剪力为562 kN/m,经验算军用墩支架在上述荷载作用下满足承载力要求,图3为军用墩支架体系总剖面图。

3.2 顶升施工关键技术

3.2.1 顶升设备安装

军用墩安装完成后,按设计要求在军用墩上垫梁安装顶升设备,为保证顶升施工中异型板结构安全,顶升过程控制采用计算机控制液压同步升降系统,安装的顶升设备主要有:千斤顶、限位装置、压力传感器、位移传感器及数据采集分析系统。①千斤顶:实施中盖梁两侧各设置7个支顶点,其中一期异型板每处顶力720 kN左右,二期异型板每处顶力570 kN左右,考虑顶力预留一定富余量,选用150手动式千斤顶。为保证军用墩支撑体系受力合理,千斤顶设置在军用墩横垫梁中部。②限位装置:为控制顶升过程中异型板发生惯性位移,支点部位设置限位装置,限位装置由2块5 cm厚钢板及高强螺栓组成,钢板置于千斤顶上下部,钢板间设置Φ32 mm高强螺栓(见图4)。顶升施工时,将螺母与钢板间设置3 mm富余空隙,施加顶力时,由两钢板及螺栓限制千斤顶位移,进而限制异型板惯性位移。考虑基础细微下沉及军用墩可能发生的挠度变形,施加顶力时可分次调整螺母与钢板间隙,实现异型板顶升至设计高程。③压力传感器。顶升施工时为控制顶力状态,在每台千斤顶上部设置压力传感器,用于测试千斤顶处的压力值,压力传感器的压力量程为2 000 kN。④位移传感器:顶升施工时,为测试异型板位移,在异型板与盖梁间粘贴位移传感器,根据本工程特点,每侧在盖梁两端和中间各布3个传感器。位移传感器采用应变式位移传感器,主要技术指标:量程±5 mm,精度1/1 000,线性度>0.2%,使用条件,受周围环境影响不大。⑤数据采集系统:顶升施工时,拟采用美国生产的IOTECH Wave Book512数据采集系统,IOTECHWave Book512数据采集系统的最大采样频率为1 000 kHz,满足施工要求。⑥数据分析软件系统:顶升施工时,采用美国DADISP数据分析软件包,该软件包可实现施工中所有数据分析并能做到实时处理,及时提供主要测试结果。⑦数据备份系统。笔记本电脑2台,硬盘2个。

3.2.2 顶升施工

顶升设备安装调试完毕后进行顶升施工,按设计要求,同一盖梁2块异型板分次进行顶升,即对一期异型板顶升至设计高程,用钢板将异型板与原支座位置空隙楔紧、千斤顶卸载后,再对二期板进行顶升,顶升施工时,各千斤顶同步施加顶力,采用计算机控制液压系统达到同步升降。通过限位装置控制顶升高度,采用位移传感器监控顶升是否达到预计量,全过程作好顶力及位移的记录。

为保证顶升过程桥梁安全,需相关部门协调在异型板顶升过程中,对三环主路实施限载,减少车辆动载对顶升的影响。

3.2.3 其他桥桩的临时支撑设计

对45#、46#和47#、48#墩异型板进行顶升的同时,在36#、37#、40#、41#、43#、44#和49#~56#桥墩沿盖梁方向架设军用墩进行临时支撑,军用墩中心距离盖梁2m、沿盖梁全长布置;同时在40#、41#桥墩东西两侧顺桥方向进行临时支撑。上述临时支撑采用六五式军用墩支撑体系,采用50 cm厚钢筋混凝土基础,置于既有停车场路面上方。军用墩上部设置顶纵梁,顶纵梁与异型板间预留5~10 cm空隙,为避免异型板体受损可以在板体下方设1cm钢板作为垫板,顶纵梁与垫板间的缝隙用钢楔塞紧。

根据设计院提供的支反力,一期异型板下方临时支撑采用50 cm厚钢筋混凝土基础,基础宽度为3 m,按照异型板发生沉降桥墩支撑力全部由支架体系承担考虑,计算出基础下方土层承受的压力最大值为97kPa,地层承载能力满足要求。

支撑体系采用六五式军用墩,为使军用墩稳固,军用墩支撑体系横向采用2排,军用墩纵向、横向间距为1.81 m。军用墩安装完成后,将顶纵梁与异型板间的缝隙用钢楔塞紧。

4 监测方案

为保证国贸桥的安全,在异型板支顶及南段区间开挖施工中,须制订严格的监测方案,实施中根据需要加强监测,为异型板支顶及区间开挖施工提供科学的依据,指导地下施工。

4.1 异型板、桥墩和地表监测

监测项目:墩身垂直位移(沉降)、墩身倾斜观测、异型板水平位移、异型板裂缝观测、异型板挠度变形监测、桥墩周围地表沉降监测。

1)墩身垂直位移监测。由于国贸站施工期间已开始对异型板区域桥墩进行了沉降监测。墩身上已布设有沉降观测点。在异型板支顶期间对原有监测点进行继续观测既可。

2)墩身倾斜观测。每个墩身上布设4个点,监测点所用材料为与全站仪相匹配的反光贴片。每次观测将全站仪架设于同一固定位置,分别对墩身4个方向进行倾斜观测。

3)异型板水平位移。为了观测异型板在支顶后是否发生水平位移,在异型板上贴反光片,用全站仪对其进行观测。观测方法与墩身倾斜观测相同。

4)异型板裂缝观测:选几条裂缝宽度0.2~0.4mm进行观测,在每条裂缝上选三处抹石膏板,并在裂缝端头用彩笔标出位置。异型板调整及南段区间开挖中,每天进行2次观测,若发现裂缝有发展及时请三检所进行裂缝宽度检测。

5)异型板挠度变形监测:在异型板相应位置凿出异型板内部钢筋,在钢筋上布设钢筋计,再用混凝土封闭,恢复原状。通过对异型板钢筋受力情况的监测来撑握异型板的变形。

6)桥墩周围地表沉降观测:在桥桩承台周围地表布设沉降点,在支顶完成后,加强对周围地表沉降监测并与桥桩沉降数据对应分析来掌握异型板区域沉降情况。

4.2 支承体系力学监测

支承体系力学监测项目:支顶点压力、支架基础沉降、支架挠度变形。

1)监测方法。①支顶点压力:在支顶点旁支架与异型板间加入相应吨位的轴力计,通过对轴力计受压情况的监测即可知道此点顶力。②支架基础沉降:在支架基础上布设沉降监测点。通过支架基础沉降的不间断监测并与墩身沉降综合分析异型板区域沉降情况。③支架挠度变形。在钢支架上加密布设应变计。

通过应变计的监测来分析支架挠度变形是否在允许范围内。

2)注意事项。①支顶过程中应严格控制支顶力及顶升值,要对千斤顶做限位装置,采用了精度为1/1 000 mm的位移计,确保顶升高度不超过3 mm;千斤顶上部设置轴力计,能够准确测出顶力,若实施中顶力超出设计院提供的数值,暂停顶升并与设计院协商。②在支顶过程中对裂缝、应力情况进行实时检测,一旦发现异常情况,立刻停止支顶。③若在地铁施工过程中造成支架基础沉降,保证支架与异型板接触,支顶位置绝对高程不变。

5 结论

采用军用墩双控支顶技术,在隧道开挖前将国贸桥上抬2 mm,为下部隧道开挖提供更大沉降余量,是暗挖法实施的关键保障。同时在隧道开挖过程中通过桥台沉降监测以及军用墩千斤顶应力监测及时反馈桥桩沉降及支顶力的变化,当沉降或应力变化超过警戒值时,再次将国贸桥上抬,将桥面下沉量控制在允许范围内。通过以上各项工程技术措施,该区段施工完成后,共实施顶升1次,桥桩最大沉降值仅为1.68 mm,国贸桥裂缝没有进一步发展,成功实现了危桥下隧道的施工,取得了良好的工程效果和社会效果。

参考文献

[1]张健儒.南京地铁某立交隧道近接施工技术[J].隧道建设,2003,23(5):31-33,38.

[2]宋卫东,王永清,马鹏姣,等.北京地铁五号线近接玉蜓桥施工的力学行为研究[J].北京科技大学学报,2007,29(03): 251-255.

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