地鐵施工引起鄰近建構(gòu)筑物危害及其保護

地鐵施工引起鄰近建構(gòu)筑物危害及其保護

1地鐵施工鄰近橋梁風(fēng)險管理目前，中國正處于城市地鐵建設(shè)的高峰，是世界上最大的城市地鐵建設(shè)市場。城市地鐵的修建一般都選取在城市主干道或各環(huán)線道路之下,這樣可以盡量避開地面荷載降低風(fēng)險。但主干道、環(huán)線道路上橋梁眾多,經(jīng)常存在地鐵施工靠近甚至穿越現(xiàn)有天橋、高架橋、輕軌橋等橋梁的情況。地鐵施工容易引起周圍土體應(yīng)力場的變化(ChungsikYoo),極易對周圍鄰近橋梁樁基造成不良影響。因此,探討地鐵施工鄰近橋梁安全風(fēng)險管理具有重大實踐意義。地鐵施工與鄰近橋梁之間的相互作用是一個復(fù)雜的土與結(jié)構(gòu)的動態(tài)相互作用問題,目前已有文獻主要從工程實例、試驗分析、數(shù)值模擬和理論分析四個方面論述地鐵施工對鄰近橋梁的影響機理及受力變形等,涉及風(fēng)險管理方面的研究較少,沒有形成系統(tǒng)化、模式化的風(fēng)險管理體系,并且對于鄰近橋梁在地鐵施工過程中還能承受多大的剩余變形(即鄰近橋梁的現(xiàn)狀調(diào)查與評估),基本沒有涉及。針對上述問題,本文根據(jù)所承擔(dān)的武漢、沈陽、鄭州等地鐵施工安全管理實踐經(jīng)驗,研究地鐵施工周圍橋梁鄰近等級劃分以及鄰近橋梁現(xiàn)狀調(diào)查與評估,在此基礎(chǔ)上提出鄰近橋梁安全風(fēng)險等級評價標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)險應(yīng)對措施,并以武漢地鐵2號線為例進行實證分析研究。2地鐵沿線橋梁的安全風(fēng)險管理2.1地鐵施工影響下鄰近橋梁風(fēng)險等級及應(yīng)對措施地鐵施工引起鄰近橋梁安全風(fēng)險的大小與橋梁跟地鐵結(jié)構(gòu)的空間位置、橋梁現(xiàn)狀情況及地鐵工程條件等因素有關(guān)。鄰近橋梁安全風(fēng)險管理流程如下:(1)根據(jù)鄰近橋梁與地鐵結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系與基礎(chǔ)型式,劃分出地鐵與橋梁的鄰近等級;(2)根據(jù)橋梁的鄰近等級、重要性與使用年限,確定是否對橋梁結(jié)構(gòu)進行評估及其評估深度;(3)對鄰近橋梁的現(xiàn)狀、鄰近橋梁抵抗附加沉降和附加荷載的能力進行評估;(4)根據(jù)橋梁的鄰近等級及其現(xiàn)狀調(diào)查與評估結(jié)論,確定地鐵施工對鄰近橋梁影響的風(fēng)險等級;同時綜合考慮地鐵結(jié)構(gòu)的跨度與施工方法、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等因素對鄰近橋梁的風(fēng)險等級進行修正;(5)根據(jù)鄰近橋梁不同的風(fēng)險等級,確定相應(yīng)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn);(6)提出地鐵工程施工對策與鄰近橋梁防護加固措施。其中,地鐵施工影響下鄰近橋梁的安全風(fēng)險管理的關(guān)鍵問題表現(xiàn)為以下三個方面:一是鄰近等級劃分;二是鄰近橋梁現(xiàn)狀調(diào)查與評估;三是鄰近橋梁風(fēng)險等級劃分與應(yīng)對。下面針對這三個關(guān)鍵問題進行研究。2.2鄰近橋梁安全性評價地鐵施工周圍橋梁的鄰近等級是橋梁與地鐵結(jié)構(gòu)的空間鄰近關(guān)系的定性描述,是評價鄰近橋梁安全性的基礎(chǔ)。在劃分橋梁的鄰近等級時,重點考慮橋梁基礎(chǔ)的型式、深度及橋樁與地鐵結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系等因素,將橋梁鄰近等級劃分為“極鄰近、非常鄰近、較鄰近、鄰近、不鄰近”五個等級,如表1所示。2.3地鐵施工鄰近橋梁風(fēng)險評估的一般處理為了確保橋梁在地鐵施工期間的結(jié)構(gòu)安全和正常使用,應(yīng)首先了解和確定地鐵施工引起的可能破壞范圍,影響范圍內(nèi)鄰近橋梁的基本情況及其影響程度;同時根據(jù)有關(guān)規(guī)范,對橋梁下部和上部結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀外觀、工作狀態(tài)以及動力特性等進行檢測和診斷。對于鄰近等級為“不鄰近”的橋梁,一般可以“只調(diào)查,不評估”。對于鄰近等級為“較鄰近”的橋梁,可進行“一般評估”。對于鄰近等級為“鄰近”以上的橋梁,必須進行詳細評估。結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀評估是鄰近橋梁安全風(fēng)險管理的關(guān)鍵,應(yīng)根據(jù)橋梁的具體情況采用合適的方法進行評估,可采用理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗等多種方法進行地鐵施工引起橋梁沉降分析與預(yù)測。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀評估、橋基工后沉降評估、樁基承載狀態(tài)與安全度評估、橋梁結(jié)構(gòu)承載能力及變形能力評估等,了解橋梁目前承載能力狀況及其抵抗附加變形和附加荷載的能力,以期為地鐵施工鄰近橋梁風(fēng)險等級的劃分以及需要采取的安全防護措施提供依據(jù)。這部分工作將在后文的案例中得到體現(xiàn)。2.4輔助決策支持地鐵施工鄰近橋梁風(fēng)險等級劃分目的是為制定鄰近橋梁沉降控制標(biāo)準(zhǔn)、防護與加固措施提供參考依據(jù),同時也為地鐵線路選擇、地鐵結(jié)構(gòu)型式選擇、施工方案選擇等提供輔助決策支持。為滿足工程需要,基于橋梁與地鐵結(jié)構(gòu)的鄰近等級劃分、橋梁現(xiàn)狀評估等因素,將地鐵施工對橋梁影響的風(fēng)險劃分為“很大、大、一般、很小”4個等級,分別用“Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ”表示。地鐵施工鄰近橋梁風(fēng)險等級劃分及應(yīng)對措施如表2所示。鄰近橋梁風(fēng)險等級劃分還應(yīng)綜合考慮隧道跨度、施工方法、地質(zhì)條件等因素,在基本分級的基礎(chǔ)上加以修正。如對于風(fēng)險等級為“風(fēng)險很大、風(fēng)險大或風(fēng)險一般”的鄰近橋梁,如果地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工,風(fēng)險等級可降低一級。3地鐵與地鐵之間的約束副施工關(guān)系武漢地鐵2號線某車站位于漢口解放大道與京漢大道之間的江漢路,鄰近已經(jīng)建成并在運營中的輕軌1號線。該車站為標(biāo)準(zhǔn)地下兩層車站,地下一層為站廳層,地下二層為站臺層,總長183.114m,標(biāo)準(zhǔn)段外包30.5m,底板埋深20.5m,基坑底位于粉砂層和粉細砂層上,地下水位在地面以下0.5~2.0m。該車站基坑施工距離運營中的武漢輕軌1號線Q2橋墩1.25m,距離Q3橋墩2.38m,Q2、Q3橋墩截面3.8m×4.2m,下部4根48m摩擦樁,樁徑1.2m。基坑圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻,地下連續(xù)墻入巖(深度48.5~52.5m左右);基坑端頭部分支護結(jié)構(gòu)設(shè)置5道支撐,其中第一道采用鋼筋混凝土支撐,2~5道采用鋼支撐;基坑中部蓋挖段設(shè)5道支撐,第一道采用鋼桁架,其他均采用鋼支撐,鋼支撐均采用直徑609mm、壁厚16mm的鋼管。該地鐵車站蓋挖段平面位置如圖1所示。橋樁與地鐵結(jié)構(gòu)水平距離小于3m,橋樁底埋深小于地鐵施工深度,且橋樁基礎(chǔ)為摩擦樁,橋樁與地鐵的鄰近關(guān)系為“極鄰近”,地鐵施工對橋梁影響的風(fēng)險等級為“Ⅳ”,即“風(fēng)險很大”。為了分析該車站施工對輕軌的影響,確保輕軌安全運營,分別進行了地鐵車站基坑施工(包括隔離樁施工、地下連續(xù)墻施工、基坑降水開挖施工)對輕軌橋墩位移變形影響和輕軌橋變形對輕軌運營影響數(shù)值仿真分析,并提出輕軌運營安全控制標(biāo)準(zhǔn)以及施工安全控制優(yōu)化措施。3.1在地鐵站建設(shè)中，對輕軌橋的影響值的模擬分析3.1.1數(shù)值仿真分析在隔離樁施工、地下連續(xù)墻施工、基坑降水開挖施工對輕軌橋墩位移變形影響分析中,采用了針對巖土工程的有限差分軟件———FLAC3D來實現(xiàn)。基于該車站施工方案,按照隔離樁施工、地連墻施工、基坑降水開挖施工的順序,對地鐵車站的隔離樁、地連墻、基坑降水開挖分別進行數(shù)值仿真計算,分析水平與豎直位移及應(yīng)力變化,深入研究隔離樁施工、地下連續(xù)墻施工、基坑降水開挖施工對鄰近橋梁的影響。本例計算中選取的坐標(biāo)系:橋墩豎直向上方向為Z軸,橋梁長度方向為Y軸,橋梁寬度方向為X軸。對隔離樁施工引起Q2橋墩和Q3橋墩Z向位移進行數(shù)值仿真分析。表3為隔離樁、地連墻、基坑降水開挖施工分別對輕軌橋墩的影響。根據(jù)仿真對隔離樁、地連墻、基坑降水開挖施工對輕軌橋墩的影響程度進行全面評估,得到以下結(jié)論:隔離樁、地連墻、基坑降水開挖施工對輕軌橋墩沉降(Z方向)、水平位移(Y方向)的影響較大,并且這三個施工過程對變形的影響基本各占1/3,因此應(yīng)采取有效措施減小隔離樁、地連墻、基坑降水開挖引起輕軌橋墩Z、Y方向的變形。3.1.2考慮橋墩變形的考慮應(yīng)用有限元軟件ANSYS建立輕軌橋梁的數(shù)值模型,研究施工對輕軌運營的影響。對于運營輕軌橋梁,基于設(shè)計圖紙和地質(zhì)報告,輸入橋墩變形數(shù)據(jù)計算其對運營輕軌軌道的影響,對橋墩差異沉降引起的輕軌橋梁位移進行數(shù)值仿真分析,計算表明橋墩Z方向不均勻沉降和橋墩X方向水平位移對軌道變形影響較大,應(yīng)該加強對其進行監(jiān)控。通過計算分析,同時結(jié)合相關(guān)規(guī)范,提出輕軌橋墩變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。3.2地鐵要抓好7個月內(nèi)橋墩基礎(chǔ)施工基于對該車站隔離樁、地連墻、標(biāo)準(zhǔn)段基坑施工以及運營輕軌橋梁的仿真分析可知,采取合理的施工方案,輕軌橋墩沉降變形對輕軌橋梁結(jié)構(gòu)體影響是可控的?；娱_挖過程是影響橋梁結(jié)構(gòu)安全、運營安全的重要因素,應(yīng)采取有效控制防范措施。第一,加強隔離樁、地連墻、基坑降水開挖施工全過程控制,在輕軌橋墩處沿X方向?qū)ΨQ進行隔離樁、地連墻、基坑降水開挖施工,盡量減少輕軌橋墩處土體開挖暴露時間,以有效控制輕軌橋墩變形。第二,隔離樁施工中,采用“跳三作一”的施工順序,即跳躍間隔3根樁施工1根;嚴(yán)格控制泥漿質(zhì)量確保樁孔不出現(xiàn)頸縮和坍孔;控制好樁孔垂直度,確保樁孔不出現(xiàn)偏向輕軌橋墩方向擾動橋墩地基。第三,地下連續(xù)墻施工時合理劃分槽段,左右兩側(cè)地連墻采用跳作,加快沉槽速度,減少暴露時間。確保在地下連續(xù)墻完全封閉后再進行基坑降水開挖施工,以減少地下水流失引起的輕軌橋墩變形。按照開挖區(qū)段采用分區(qū)降水,隨著土方開挖,降水只降到每層開挖土方以下1~1.2m,尤其是嚴(yán)格控制橋墩附近的降水,保證降到每層開挖土方以下。第四,為減少土體變形的時空效應(yīng),基坑施工采取分段開挖,增加分段數(shù)量,特別是減少輕軌橋墩附近土方開挖的平面分段尺寸,并及時支護,做到“分層、分步、對稱、平衡、限時”五個要點,并遵循“先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的施工原則。第五,合理確定橋墩位移變形控制標(biāo)準(zhǔn)。由仿真計算分析得知橋墩不均勻沉降(Z方向)和橋墩水平位移(X方向)對軌道變形影響較大。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定,對于簡支梁無道砟輕軌橋,輕軌橋墩沉降最大值控制在40mm內(nèi),橋墩差異沉降最大控制值在20mm內(nèi),水平位移最大控制值在20mm內(nèi),可滿足輕軌1號線運營要求,施工中可取橋墩位移變形最大控制值的80%作為預(yù)警值。第六,加強輕軌軌面監(jiān)測工作。對于輕軌軌面的監(jiān)測應(yīng)重點關(guān)注輕軌軌道變形,當(dāng)超過變形標(biāo)準(zhǔn)時,應(yīng)及時進行局部調(diào)整,滿足運營安全的要求。同時提請運營公司根據(jù)橋墩變形對軌道的影響程度,做好集中調(diào)軌的準(zhǔn)備?；诜抡娣治鎏岢龅暮侠砘ㄗh,在施工中通過采取有效措施,該地鐵車站在復(fù)雜環(huán)境下關(guān)鍵區(qū)段施工能夠順利進行,基坑工程施工于2010年3月8日完工。在基坑施工過程中,基坑鄰近橋墩Q1、Q2、Q3、Q4的沉降及差異沉降如圖2所示,沉降趨于穩(wěn)定,輕軌橋墩位移變形均處于控制范圍內(nèi),實現(xiàn)了輕軌1號線的安全運營,沒有一天停運。4地鐵橋梁安全鄰近等級評估城市地鐵工程的施工對鄰近橋梁造成的影響是人們關(guān)注的