地铁施工引起邻近建构筑物危害及其保护

地铁施工引起邻近建构筑物危害及其保护

1地铁施工邻近桥梁风险管理目前，中国正处于城市地铁建设的高峰，是世界上最大的城市地铁建设市场。城市地铁的修建一般都选取在城市主干道或各环线道路之下,这样可以尽量避开地面荷载降低风险。但主干道、环线道路上桥梁众多,经常存在地铁施工靠近甚至穿越现有天桥、高架桥、轻轨桥等桥梁的情况。地铁施工容易引起周围土体应力场的变化(ChungsikYoo),极易对周围邻近桥梁桩基造成不良影响。因此,探讨地铁施工邻近桥梁安全风险管理具有重大实践意义。地铁施工与邻近桥梁之间的相互作用是一个复杂的土与结构的动态相互作用问题,目前已有文献主要从工程实例、试验分析、数值模拟和理论分析四个方面论述地铁施工对邻近桥梁的影响机理及受力变形等,涉及风险管理方面的研究较少,没有形成系统化、模式化的风险管理体系,并且对于邻近桥梁在地铁施工过程中还能承受多大的剩余变形(即邻近桥梁的现状调查与评估),基本没有涉及。针对上述问题,本文根据所承担的武汉、沈阳、郑州等地铁施工安全管理实践经验,研究地铁施工周围桥梁邻近等级划分以及邻近桥梁现状调查与评估,在此基础上提出邻近桥梁安全风险等级评价标准与风险应对措施,并以武汉地铁2号线为例进行实证分析研究。2地铁沿线桥梁的安全风险管理2.1地铁施工影响下邻近桥梁风险等级及应对措施地铁施工引起邻近桥梁安全风险的大小与桥梁跟地铁结构的空间位置、桥梁现状情况及地铁工程条件等因素有关。邻近桥梁安全风险管理流程如下:(1)根据邻近桥梁与地铁结构的空间位置关系与基础型式,划分出地铁与桥梁的邻近等级;(2)根据桥梁的邻近等级、重要性与使用年限,确定是否对桥梁结构进行评估及其评估深度;(3)对邻近桥梁的现状、邻近桥梁抵抗附加沉降和附加荷载的能力进行评估;(4)根据桥梁的邻近等级及其现状调查与评估结论,确定地铁施工对邻近桥梁影响的风险等级;同时综合考虑地铁结构的跨度与施工方法、工程地质、水文地质条件等因素对邻近桥梁的风险等级进行修正;(5)根据邻近桥梁不同的风险等级,确定相应的沉降控制标准;(6)提出地铁工程施工对策与邻近桥梁防护加固措施。其中,地铁施工影响下邻近桥梁的安全风险管理的关键问题表现为以下三个方面:一是邻近等级划分;二是邻近桥梁现状调查与评估;三是邻近桥梁风险等级划分与应对。下面针对这三个关键问题进行研究。2.2邻近桥梁安全性评价地铁施工周围桥梁的邻近等级是桥梁与地铁结构的空间邻近关系的定性描述,是评价邻近桥梁安全性的基础。在划分桥梁的邻近等级时,重点考虑桥梁基础的型式、深度及桥桩与地铁结构的空间位置关系等因素,将桥梁邻近等级划分为“极邻近、非常邻近、较邻近、邻近、不邻近”五个等级,如表1所示。2.3地铁施工邻近桥梁风险评估的一般处理为了确保桥梁在地铁施工期间的结构安全和正常使用,应首先了解和确定地铁施工引起的可能破坏范围,影响范围内邻近桥梁的基本情况及其影响程度;同时根据有关规范,对桥梁下部和上部结构的现状外观、工作状态以及动力特性等进行检测和诊断。对于邻近等级为“不邻近”的桥梁,一般可以“只调查,不评估”。对于邻近等级为“较邻近”的桥梁,可进行“一般评估”。对于邻近等级为“邻近”以上的桥梁,必须进行详细评估。结构安全现状评估是邻近桥梁安全风险管理的关键,应根据桥梁的具体情况采用合适的方法进行评估,可采用理论研究、数值模拟、模型试验等多种方法进行地铁施工引起桥梁沉降分析与预测。根据桥梁结构现状评估、桥基工后沉降评估、桩基承载状态与安全度评估、桥梁结构承载能力及变形能力评估等,了解桥梁目前承载能力状况及其抵抗附加变形和附加荷载的能力,以期为地铁施工邻近桥梁风险等级的划分以及需要采取的安全防护措施提供依据。这部分工作将在后文的案例中得到体现。2.4辅助决策支持地铁施工邻近桥梁风险等级划分目的是为制定邻近桥梁沉降控制标准、防护与加固措施提供参考依据,同时也为地铁线路选择、地铁结构型式选择、施工方案选择等提供辅助决策支持。为满足工程需要,基于桥梁与地铁结构的邻近等级划分、桥梁现状评估等因素,将地铁施工对桥梁影响的风险划分为“很大、大、一般、很小”4个等级,分别用“Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ”表示。地铁施工邻近桥梁风险等级划分及应对措施如表2所示。邻近桥梁风险等级划分还应综合考虑隧道跨度、施工方法、地质条件等因素,在基本分级的基础上加以修正。如对于风险等级为“风险很大、风险大或风险一般”的邻近桥梁,如果地铁隧道采用盾构法施工,风险等级可降低一级。3地铁与地铁之间的约束副施工关系武汉地铁2号线某车站位于汉口解放大道与京汉大道之间的江汉路,邻近已经建成并在运营中的轻轨1号线。该车站为标准地下两层车站,地下一层为站厅层,地下二层为站台层,总长183.114m,标准段外包30.5m,底板埋深20.5m,基坑底位于粉砂层和粉细砂层上,地下水位在地面以下0.5~2.0m。该车站基坑施工距离运营中的武汉轻轨1号线Q2桥墩1.25m,距离Q3桥墩2.38m,Q2、Q3桥墩截面3.8m×4.2m,下部4根48m摩擦桩,桩径1.2m。基坑围护结构采用地下连续墙,地下连续墙入岩(深度48.5~52.5m左右);基坑端头部分支护结构设置5道支撑,其中第一道采用钢筋混凝土支撑,2~5道采用钢支撑;基坑中部盖挖段设5道支撑,第一道采用钢桁架,其他均采用钢支撑,钢支撑均采用直径609mm、壁厚16mm的钢管。该地铁车站盖挖段平面位置如图1所示。桥桩与地铁结构水平距离小于3m,桥桩底埋深小于地铁施工深度,且桥桩基础为摩擦桩,桥桩与地铁的邻近关系为“极邻近”,地铁施工对桥梁影响的风险等级为“Ⅳ”,即“风险很大”。为了分析该车站施工对轻轨的影响,确保轻轨安全运营,分别进行了地铁车站基坑施工(包括隔离桩施工、地下连续墙施工、基坑降水开挖施工)对轻轨桥墩位移变形影响和轻轨桥变形对轻轨运营影响数值仿真分析,并提出轻轨运营安全控制标准以及施工安全控制优化措施。3.1在地铁站建设中，对轻轨桥的影响值的模拟分析3.1.1数值仿真分析在隔离桩施工、地下连续墙施工、基坑降水开挖施工对轻轨桥墩位移变形影响分析中,采用了针对岩土工程的有限差分软件———FLAC3D来实现。基于该车站施工方案,按照隔离桩施工、地连墙施工、基坑降水开挖施工的顺序,对地铁车站的隔离桩、地连墙、基坑降水开挖分别进行数值仿真计算,分析水平与竖直位移及应力变化,深入研究隔离桩施工、地下连续墙施工、基坑降水开挖施工对邻近桥梁的影响。本例计算中选取的坐标系:桥墩竖直向上方向为Z轴,桥梁长度方向为Y轴,桥梁宽度方向为X轴。对隔离桩施工引起Q2桥墩和Q3桥墩Z向位移进行数值仿真分析。表3为隔离桩、地连墙、基坑降水开挖施工分别对轻轨桥墩的影响。根据仿真对隔离桩、地连墙、基坑降水开挖施工对轻轨桥墩的影响程度进行全面评估,得到以下结论:隔离桩、地连墙、基坑降水开挖施工对轻轨桥墩沉降(Z方向)、水平位移(Y方向)的影响较大,并且这三个施工过程对变形的影响基本各占1/3,因此应采取有效措施减小隔离桩、地连墙、基坑降水开挖引起轻轨桥墩Z、Y方向的变形。3.1.2考虑桥墩变形的考虑应用有限元软件ANSYS建立轻轨桥梁的数值模型,研究施工对轻轨运营的影响。对于运营轻轨桥梁,基于设计图纸和地质报告,输入桥墩变形数据计算其对运营轻轨轨道的影响,对桥墩差异沉降引起的轻轨桥梁位移进行数值仿真分析,计算表明桥墩Z方向不均匀沉降和桥墩X方向水平位移对轨道变形影响较大,应该加强对其进行监控。通过计算分析,同时结合相关规范,提出轻轨桥墩变形控制标准如表4所示。3.2地铁要抓好7个月内桥墩基础施工基于对该车站隔离桩、地连墙、标准段基坑施工以及运营轻轨桥梁的仿真分析可知,采取合理的施工方案,轻轨桥墩沉降变形对轻轨桥梁结构体影响是可控的。基坑开挖过程是影响桥梁结构安全、运营安全的重要因素,应采取有效控制防范措施。第一,加强隔离桩、地连墙、基坑降水开挖施工全过程控制,在轻轨桥墩处沿X方向对称进行隔离桩、地连墙、基坑降水开挖施工,尽量减少轻轨桥墩处土体开挖暴露时间,以有效控制轻轨桥墩变形。第二,隔离桩施工中,采用“跳三作一”的施工顺序,即跳跃间隔3根桩施工1根;严格控制泥浆质量确保桩孔不出现颈缩和坍孔;控制好桩孔垂直度,确保桩孔不出现偏向轻轨桥墩方向扰动桥墩地基。第三,地下连续墙施工时合理划分槽段,左右两侧地连墙采用跳作,加快沉槽速度,减少暴露时间。确保在地下连续墙完全封闭后再进行基坑降水开挖施工,以减少地下水流失引起的轻轨桥墩变形。按照开挖区段采用分区降水,随着土方开挖,降水只降到每层开挖土方以下1~1.2m,尤其是严格控制桥墩附近的降水,保证降到每层开挖土方以下。第四,为减少土体变形的时空效应,基坑施工采取分段开挖,增加分段数量,特别是减少轻轨桥墩附近土方开挖的平面分段尺寸,并及时支护,做到“分层、分步、对称、平衡、限时”五个要点,并遵循“先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的施工原则。第五,合理确定桥墩位移变形控制标准。由仿真计算分析得知桥墩不均匀沉降(Z方向)和桥墩水平位移(X方向)对轨道变形影响较大。根据相关规范规定,对于简支梁无道砟轻轨桥,轻轨桥墩沉降最大值控制在40mm内,桥墩差异沉降最大控制值在20mm内,水平位移最大控制值在20mm内,可满足轻轨1号线运营要求,施工中可取桥墩位移变形最大控制值的80%作为预警值。第六,加强轻轨轨面监测工作。对于轻轨轨面的监测应重点关注轻轨轨道变形,当超过变形标准时,应及时进行局部调整,满足运营安全的要求。同时提请运营公司根据桥墩变形对轨道的影响程度,做好集中调轨的准备。基于仿真分析提出的合理化建议,在施工中通过采取有效措施,该地铁车站在复杂环境下关键区段施工能够顺利进行,基坑工程施工于2010年3月8日完工。在基坑施工过程中,基坑邻近桥墩Q1、Q2、Q3、Q4的沉降及差异沉降如图2所示,沉降趋于稳定,轻轨桥墩位移变形均处于控制范围内,实现了轻轨1号线的安全运营,没有一天停运。4地铁桥梁安全邻近等级评估城市地铁工程的施工对邻近桥梁造成的影响是人们关注的