北京地铁奥运支线折返线区间下穿健安桥、小月河综合施工技术

北京地铁奥运支线折返线区间下穿健安桥、小月河综合施工技
术
吴建伟;龚英杰
【摘要】健安桥处于北京市中轴路上,是北京南北交通要道,车流量非常大,在隧道开挖引起的桥墩下沉过程中,同时在遭受车辆动载的情况下很容易加快桥梁的变形破坏,一旦出现危险必然导致交通瘫痪.因此.通过对洞内、洞外加固技术方案的对比和方案论证,保证桥梁的不均匀沉降和均匀沉降在允许范围内是桥梁能否安全运营的关键,也是施工过程中控制的重要依据和指标.施工中采用超前大管棚、WSS注浆等工艺,保证了施工质量,加快了施工进度,为同类城市地铁下穿桥梁、河流施工积累了经验.
【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2008(000)012
【总页数】5页(P254-258)
【关键词】地铁;沉降控制;方案比选;管棚;WSS注浆;施工
【作者】吴建伟;龚英杰
【作者单位】中铁一局集团有限公司,西安,710054;中铁一局集团有限公司,西安,710054
【正文语种】中文
【中图分类】U231
1 工程概况
健安桥1985年竣工，跨越小月河，为3跨简支梁桥，全桥宽48 m，中跨桥长
15 m，边跨桥长7.5 m，桥两端设桥头搭板7 m，全桥长44.585 m。

桥梁基础
为C20素混凝土，桥墩、桥台采用M10浆砌块石，桥墩42.50 m高程以上部分
采用M10浆砌条石，盖梁采用C25钢筋混凝土，梁为宽腹T梁。

根据桥梁现状
及桥通所提供的桥梁检测报告，此桥为城市C级桥梁，且在桥墩上发现有多处宽
度2～3 mm的竖向贯通裂缝。

桥梁自身安全性能差。

小月河为人工河流，全长4.8 km，水深1.5 m，河底虽经防渗处理，但仍对周围
地层有补给。

在健安桥处隧道穿越的土层主要为粉、细砂④3层、粉质黏土⑥层、粉、细砂⑦2层等土层，桥基至隧道上方的土层为：粉土填土①层、房渣土①1层、粉质黏土③1层、粉质黏土④层、黏土④1层等土层。

奥支折返线区间沿鼓楼外大街方向向北下穿健安桥及小月河，隧道拱顶距健安桥基础为7.805 m。

区间隧道与健安桥的平面关系见图1，剖面见图2、图3。

图1 区间隧道与健安桥的平面关系(单位：mm)
图2 区间隧道与健安桥的立面关系(单位：cm)
图3 区间隧道与健安桥纵断面(单位：cm)
2 工程难点及控制指标
2.1 工程难点
(1)隧道拱顶及仰拱均位于粉、细砂层，从以前的施工来看，洞内在地层交界处有
层间水流出，流量较大，此层间水由降水井疏干较为困难。

隧道施工所处的地层差，带水作业难度较大。

(2) 按照隧道开挖沉降槽的理论，健安桥完全在隧道开挖引起的沉降槽之内，在已
经施工的地段，在相同的地质条件下，地表沉降都在25～30 mm，土质疏松地段更是达到70～80 mm，要在这样一个地质条件较差，又有地下水作用的地层里施工，又要穿越本身条件就很差的健安桥(桥上还有动载)难度很大。

2.2 控制指标
设计要求桥面沉降≤15 mm;不均匀沉降<10 mm。

北京市桥通所要求沉降：基础竖向沉降值控制在20 mm内，同一基础差异沉降控制在5 mm内；沉降速率控制在0.5 mm/d内；
取两者最小值作为本次施工的控制指标：即桥梁基础沉降≤15 mm，同一基础差异沉降≤5 mm内；沉降速率≤0.5 mm/d。

3 下穿施工技术措施
3.1 方案确定原则
(1)本桥是条形基础，浆砌片石墩身，桥梁整体抗变形能力差，尤其是对不均匀沉降极为敏感。

因此必须采取措施控制不均匀沉降。

(2)根据桥梁检测报告，此桥桥墩上有多处宽度2～3 mm的竖向贯通裂缝，桥梁自身安全性能差。

必须采取措施尽量减少对桥梁的扰动，或者增加桥基周围土体抵抗扰动的能力。

(3)根据目前已施工地段的地表沉降来看，从K0+240～K0+350范围内，普通断面施工段的地表沉降最大达100 mm，最小35 mm，平均都在50～60 mm。

要保证施工过程中保证桥梁的桥面沉降≤15 mm，不均匀沉降≤5 mm，从此处的地质情况及以前的施工经验上来看很难办到。

必须采取强有力的支护措施，尽量减少土方无支护的时间。

(4)鼓楼外大街车流量较大，在隧道开挖引起的桥墩下沉过程中在遭受车辆动载的情况下很容易加快桥梁的变形破坏。

(5)地铁5号线在下穿樱花西桥(区间及桥梁形式与本工程完全相同)时在封闭路面
交通的情况下穿桥梁，施工完毕后经检测，桥梁沉降过大不符合使用要求。

综上所述，如何保证桥梁的不均匀沉降和均匀沉降在允许范围内是施工方案确定的重要依据。

3.2 方案比选
3.2.1 加强洞外桥梁加固的方案
依据确定后，针对如何保证浆砌片石的墩身在隧道开挖时不至于松散开裂以及改善桥基周围土体方面制定了许多方案，确定了以桥基加固为主要思想，方案如下：(1)采用导管在桥梁范围内进行交叉注浆，改善桥基周围土层性质，使之与周围土
体之间成为一个整体，增加桥梁抗变形能力，减少桥梁沉降；
(2)为保证隧道施工时桥梁基础由于不均匀沉降造成桥墩开裂，对桥基进行捆绑加固；
(3)洞内增加临时仰拱，及时封闭初期支护格栅。

具体方案如图4所示。

图4 健安桥加固示意(单位：cm)
此种方法能从根本上保证隧道施工时桥梁的安全，但是现场实施有一定难度，主要表现在以下几个方面。

(1)桥基周围交叉注浆需要占用元大都遗址公园的绿地及通道，需要小月河截流、
破坏河床，这些在现场是很难办到的，元大都是文物保护单位、小月河是北京北部城区的主要防汛渠道，占用或者截留需要做的工作非常多。

(2)注浆需要中断中轴路交通，中轴路是北京南北主干道，单向车流量4 000辆/h，交管部门审批时间很长。

(3)桥墩的捆绑加固需要挖除桥基周围土体，挖除土体之后桥基暴露，本身就要引
起桥梁下沉，况且桥墩土体挖除以后造成桥台部分悬空，不利于桥梁的稳定。

此方案虽然在技术上可行，但是在特殊的环境中，实现的程序复杂，时间很长。

因
此只能改变施工策略，增加洞内初期支护措施，加强洞内措施减少施工沉降量，以求安全通过桥梁。

3.2.2 加强洞内加固的方案
由于洞外桥梁加固没有条件，故考虑从源头上解决问题，即：减少施工引起的沉降，以求以最小的沉降量通过桥梁，保证桥梁安全使用。

洞内施工严格遵循浅埋暗挖“十八字”方针，将隧道施工安全及控制沉降作为施工的重点。

(1)考虑健安桥为条形基础，对不均匀沉降很敏感，采用φ159 mm管棚对前方地
层进行超前预支护，间距0.3 m，长56 m，管棚一次施工完成。

通过棚架效应，有效抑制不均匀沉降，并保证隧道开挖时不至于在桥下产生大面积坍塌，产生灾难性后果。

(2)针对隧道上方有健安桥及小月河的特殊性，为保证构筑物的安全及保证隧道施
工时不受地下水及砂层的影响，开挖前采用二重管无收缩注浆技术(WSS工法)对
穿越健安桥的施工段进行注浆加固，改善桥梁下开挖面土层性质。

加固范围为：隧道拱顶及边墙开挖轮廓线外3 m内，底板2 m内范围，施工步距15 m，总共加
固长度45 m。

如图5所示。

图5 加强洞内措施示意(单位：m)
(3)为及时封闭初期支护格栅，在过桥段增加临时仰拱，减少土体暴露时间，以及
由初期支护不封闭造成的沉降。

(4)缩短开挖步距，过桥段格栅间距50 cm，及时施作锁脚锚管，增大格栅受力面积，及时进行初期支护背后回填注浆，控制结构沉降。

(5)针对管井降水对周围地层产生的沉降较大，采用辐射井对隧道施工范围进行降水。

4 主要施工工艺
4.1 管棚施工工艺
由于健安桥要求沉降量很小，故管棚施工要求必须为零沉降，根据现场条件，管
棚长度56 m，为避免传统管棚施工方法在健安桥下设置管棚工作室所必须的断面挑高带来的风险，故管棚施工采用“有线仪器定向，一次性跟管钻进法”，即56 m成孔和埋设管棚一次完成，施钻前期通过调整钻头角度直至到达设计高度，中
间不设置管棚工作室。

施作过程中及完成后通过对桥梁的监测，达到上述要求，管棚施工没有引起桥梁的沉降变形。

管棚主要施工程序如下。

(1)开孔
用专用开孔钻机开出长约800 mm的φ220 mm孔位，然后预埋φ220 mm的孔口管。

(2)管棚施工
用φ159 mm×8 mm钢管做钻具，前端装有导向探头的导向专用钻头，采用泥浆护壁，利用有线导向仪监控，随钻进加尺(方位、角度发生变化时，随时进行修正)，将棚管依次打入。

每节管棚长度3 m，采用内丝扣连接，同时将钢管接口焊接严密，直至达到设计长度，然后注浆充填管棚。

(3)水平定向原理
定向钻进方法能在钻进过程中准确测定钻头在地下的位置和方向。

其原理是根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的钻头(一
般为楔形钻头)改变钻头的钻进方向，从而按设计要求完成各种管线的铺设。

钻头
内装有特制的传感器，传感器直接由15 V直流供电。

显示屏显示钻头的倾角(水平角度)、面向角(导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面)。

打设角度如果偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大。

受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。

同理在6点纠偏可以使
钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。

如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。

所以导向钻头是上下纠偏的关键。

至于左
右偏差根据传感器尾端的发光装置来定，通过仪器测量参数纠偏。

(4)工艺流程
铺设“H”钢轨道→设备组装调试→埋设孔口管→调试钻机(方位、倾角)→钻具组
装进孔→冲洗液循环→导向钻进→回次加尺(接线、接口补焊)→孔斜测量→导向钻进→直至设计深度终孔→回取探头盒→管内及环状间隙注浆→移至下一孔位。

钻进时，泵压应控制在0.6～1.0 MPa，泵量为10～30 L/min为宜。

保持中低压力，匀速中速钻进。

(5)控制要点
①用先进的导向定位仪器随钻定位钻头的倾角，利用泥浆护壁循环钻进(砂层可加
润滑剂减小摩擦力)。

如特殊需要在孔口安装法兰、节门，控制出浆，保持孔内压力，在终孔后立即注浆，防止沉降。

②开始钻进时，如果钻机上方无操作空间可以将钻机向下调整安装并设打设初始角，初始角为3%左右，向前打设约10 m左右后逐渐调平。

③要严格保证注浆效果，保证每终孔一个立即注浆，在钻进过程中密切注视返浆情况，如有涌水涌沙现象，要尽快采取相应措施。

4.2 WSS注浆施工工艺
二重管无收缩WSS工法注浆工艺是从日本引进的具有国际先进水平的地质改良新技术，它能够100%将不同地质情况土体填充密实，改变原土体和物理性质，增加土体的密度，提高其抗压强度，达到土体的止水效果及加固效果，能够一次性完成一个注浆区域的土体加固施工。

WSS注浆工艺就是采用特殊配比的某种浆液，在钻进成孔后，钻杆回抽时对周围
土体进行充填、挤密注浆并形成浆脉的一种土体加固方法。

注浆前必须封闭掌子面，其施工工艺如下。

(1)定孔位：依据隧道结构尺寸及注浆范围，严格进行测量放线定位。

(2)钻机就位：对孔位时，应在测量人员控制下进行，钻机按指定位置就位，调整
钻杆的所需角度。

(3)钻进成孔：第一个孔施工时，要慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，以确
定在该地层条件下的钻进参数。

密切观察钻时尺寸，出现异常情况时，应立即停钻，分析原因再进行施工。

(4)回抽钻杆：严格控制回抽幅度，每步不大于20 cm，匀速回抽，注意钻机参数
变化。

(5)浆液配比：采用准确的计量工具，按照设计配方配料。

(6)旋喷：严格控制旋喷压力，同时密切关注注浆量，当压力突然上升时，应立即
停止注浆，查明原因后采取调整注浆设计参数或移位等措施重新注浆。

注浆参数如下。

孔径：42 mm；孔间距：0.85～1.0 m;
根据扩散半径及地质情况，设计注浆加固范围为3.0 m．
注浆压力：预注浆加固地层0.8～1.0 MPa；注入率：45%；
凝结时间：60～100 s (根据地质条件可做适当调整) ；
加固后土层水泥含量：18%～20%；
注浆加固长度：45 m；注浆加固范围: 隧道外扩3 m范围。

浆液配合比见表1。

表1 浆液配合比注:A、B液组成在WSS工法中称为溶液型；A、C液组成在WSS工法中称为悬浊液型。

A液/kgB液/kgC液/kgA、C硅酸钠250 5A、B
硅酸钠548Gs剂：21 8P剂：26 44DHP剂：37 5GBX剂：38 16水泥：198DHP剂：32 1GOX剂：19 61XPM剂：20
4.3 监控量测
为保证地面行车安全及工程本身的安全，采取监控量测的方法对健安桥及隧道进行
监测并根据监控量测结果，及时调整支护参数、施工方法及桥梁抢险措施。

根据相关规范要求，并结合本工程的实际情况，健安桥监测重点为地表沉降、桥基础沉降。

监测内容：隧道净空收敛、拱顶沉降、钢筋应力、初期支护后土压力、地表沉降、桥墩沉降、桥面沉降，每天1～2次。

健安桥车流量很大，在隧道施工干扰和车流动载的联合作用下，很容易对桥梁产生破坏，因此，在隧道施工到健安桥前后20 m范围内时加强对隧道拱顶沉降、隧道净空收敛的观测及地面沉降点的观测。

桥沉降点布点原则：沉降观测点的埋设位置经充分考虑，尽可能反映健安桥各部分的不均匀沉降。

观测点初始值应在开挖面距离桥30 m范围之前采集完成。

建立三级预警机制及位移、速度双控指标。

桥梁沉降布设图如图6所示。

图6 健安桥监测点纵断面(单位：cm)
5 量测分析(图7)
从图7中可以看出桥梁沉降稳定，桥梁处于安全状态。

各点的模拟曲线随着时间
的延长逐渐变缓，说明健安桥沉降逐渐趋于稳定，沉降均在4 mm以内，满足设
计及桥梁要求。

图7 健安桥沉降分析对比曲线
通过对管棚顶进、WSS注浆、开挖等各施工工序进行工况分析结合监测数据，得
出健安桥沉降量与各工序关系如下：
(1)管棚顶进施工前的准备阶段(开挖管棚工作室、封闭掌子面)，健安桥南侧靠近开挖面处观测点有小量沉降；
(2)管棚钻进过程中，桥梁布设的沉降点均发生了沉降，其中点1、点2的曲线变
化幅度大于点3、点4，说明隧道偏西，西半幅桥梁受到隧道开挖的影响大于东半幅。

此外，南侧靠近管棚工作室位置比桥北侧沉降大些，说明除管棚钻进过程中对
地层有一定的扰动外，循环膨润土护壁泥浆对孔口的冲击并捎带出少量泥沙也是一个重要因素；
(3)管棚填充注浆完成后沉降基本趋于稳定，未见扩大的趋势，说明管棚四周孔隙
基本填充饱满；
(4)受隧道内5月17～5月27日左右线分别对洞内进行WSS注浆的影响，桥梁基础有被较大的注浆压力抬高的趋势，注浆时间范围内1号墩升高2.1 mm，2号墩升高1.3 mm，说明WSS劈裂注浆挤压土体产生水平和向上的压力足以使得浆液
充填土体间的缝隙，从而改良土体的物理指标；
(5)隧道在注浆后进行的开挖过程中，桥梁基础又出现沉降，随着初期支护封闭成环，沉降量趋于稳定。

6 结语
通过采用加强洞内措施，以减少隧道开挖引起的沉降为目的，以监控量测为判断依据成功地完成了暗挖区间下穿健安桥的施工任务，截至2006年7月29日，折返线区间左、右线均已顺利通过健安桥，监测结果显示桥梁墩身累计沉降最大为
3.25 mm，最小为1.31 mm，差异沉降及最大沉降远远小于限值。

本次下穿是在交通正常通行、河流不截流的情况下进行的，且穿越后桥梁各项指标与穿越前基本没有变化。

健安桥的成功下穿不但有效地避免了交通导改、河道占用以及桥梁拆除重建给社会带来的影响，也节省了相关协调及拆除重建的巨大费用，积累了城市地铁下穿桥梁、河流方面的宝贵数据和施工经验。

参考文献：
[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004．
[2]夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2001．
[3]韩瑞庚.地下工程新奥法[M].北京：科学出版社，1987．
[4]戴玉超.地铁施工中既有桥梁的综合保护技术[J].铁道标准设计，2007(11)：87-
92．。