摘  要： 城市地铁隧道下穿既有桥梁时，在穿越前采用数值模拟计算估算桥梁基础变形，进而推算梁体次应力，判断梁体安全状态，据此确定对桥梁的加固措施。 在地铁隧道穿越桥梁过程中，通过PLC桥梁同步升降系统主动、动态调整桥梁梁体形状，使梁体基本保持原设计状态，保证了既有桥梁的结构安全。

关键词： 地铁隧道；下穿；桥梁；同步顶升；动态主动保护；监测

 

      花园桥位于北京市西三环与车公庄大街交汇处，该桥已运营17年（图1）。花园桥主桥为三跨预应力混凝土连续箱梁桥，跨径为32m+37m+32m。 南、北引桥分别为5跨20m后张预应力混凝土简支梁。 全桥横桥向分为东西两幅桥，全桥宽为28.30m。 上部结构采用单箱双室结构， 纵向设置有粘结预应力束，3个腹板内各设预应力筋6束，共18束，其余短束均设置在边、中跨底板和中墩顶板处。花园桥下部结构采用柔性墩设计，主桥采用盆式固定支座。墩底采用桩基础，每墩设4根，桩径为1.2m，主桥主孔桩长20m（图2）。

      地铁6号线花园桥车站位于西三环花园桥主桥的下方，沿玲珑路穿越花园桥下，东西向布置。 车站西端采用明挖施工， 中部及东端采用浅埋暗挖法（PBA工法）进行施工。暗挖段长度为190 m，标准段宽度为19.7 m。 地铁6号线花园桥站与桥梁的位置关系如图3,4所示。

      新建地铁结构对既有桥梁结构安全性的影响采用有限差分的FLAC程序进行数值模拟计算和分析。 在模型中，初期支护均为结构单元，桥桩、临时支撑为结构单元，土体、结构、承台均为实体单元。 模型的边界条件：前、后、左、右及底部均施加法向约束，顶面（地表）为自由界面； 计算范围取至隧道开挖的显著影响区以外，即横向取至距隧道中心线40m。

      计算模型如图5,6所示。

      地表沉降随隧道开挖逐步发展，在结构拱部跨度全部开挖完成时，产生沉降量最大，并在随后的施工过程中有小范围的波动，车站结构施工完成后，地面最大沉降量为24.0mm，发生在拱顶跨中。 车站开挖引起花园桥承台中心沉降最大值为10 mm， 倾斜值为0.45‰，相邻承台差异沉降最大值为4.5 mm。

      评估结果已超出桥梁允许变形， 必须采取措施保证既有桥梁安全。

      地铁车站下穿花园桥主跨，7号、8号墩受地铁施工影响，为保证7号、8号墩支座处梁体不下沉，先对梁底进行预支顶，在隧道穿越桥梁施工过程中，根据监测情况当发现桥墩下沉量接近或达到控制值时， 及时进行梁体顶升作业，使桥梁梁体保持设计状态。首先预顶升梁体，使梁体升高5mm，放置在临时墩上，若后续施工沉降超过3 mm，继续顶升，待沉降稳定后进行支座复位（图7）。

      花园桥主桥是连续梁桥，超静定结构，仅调整某个支点的高程就会引起全桥内力的改变。 为使桥梁预调整效应均匀，减小支点反力增加对基础的影响，设计对7号、8号轴同时支顶调整。

      因桥梁周边条件限制， 临时墩只能设在原桥承台上。 具体构造为：临时墩采用4根覫800×10的钢管混凝土柱构成，临时墩与承台植筋连接。临时墩顶设混凝土横梁用以放置临时支座和千斤顶组。 为保证临时支座与梁和临时墩接触严密，在梁上设上垫石，在临时墩上设下垫石（图8）。

      设计梁体预调整值为5mm， 桥墩每下沉3mm应进行调整。 考虑到临时支座以及临时桥墩的弹性变形（4 mm）和施工误差（3 mm），设计千斤顶最大标称顶升位移为4+3+5=12（mm）。 由于千斤顶标称位移总比桥梁实际顶升位移大， 所以偏安全的按梁体位移12 mm计算梁体内力。经计算，梁体抗力可抵抗因支座变位而引起的次应力。

      施作临时桥墩→放松原支座下垫板螺栓→启动千斤顶，梁体顶升→插填钢板调整临时支座高度，卸载，梁体落到临时支座→调整永久支座高度， 恢复永久支座工作。

 

      地铁隧道下穿花园桥时采用PLC桥梁同步顶升系统主动、动态调整桥梁支点处位移，保持桥梁梁体线型和状态基本符合设计要求，从而保证桥梁安全。

      PLC控制液压同步系统主要由液压系统（泵站、千斤顶等）、监测传感器和电子计算机控制系统三部分组成。 液压同步系统的核心是采用电子计算机进行全自动完成同步位移控制，整个系统集机、电、液、传感器、电子计算机和控制技术于一体， 完全摆脱人工控制在操作过程中产生的偏差， 各千斤顶间不同步极限值为0.5 mm，在顶升方面具备先进水平，为桥梁同步顶升环节提供较高的技术保障。

      PLC控制液压同步系统具有系统配置灵活、 控制精度高、安全功能考虑完善、历史曲线记录功能、完备的系统自诊断功能、远程数据监视功能等特点。

      桥梁同步支顶施工分为施工前准备、 同步系统布置、同步顶升、卸载落梁四个步骤，施工工艺及顺序如图9所示。

      PLC系统设计的原则是保持上部结构横向同步 ，同步精度控制在1mm以内，而沿桥梁中心线（纵向）方向则根据结构形式不同有所区别。在此原则指导下，简支梁结构盖梁两侧主梁作为一个操作单元，同时升降；简支梁桥台部位则单独作为一个操作单元。 由于连续梁受力复杂，为保持结构受力合理，尽量减小次应力，要求上部结构在保持横向同步的情况下， 相关各跨也需根据差异沉降进行同步或异步升降， 将该连续梁作为同一个操作单元进行顶升作业。

     花园桥7号、8号墩设计支座反力为936t，每个桥墩设8个200 t千斤顶，总顶力为1 600 t，以保证顺桥向和横桥向位移同步（图10）。

      同时在花园桥7号、8号轴位置设置千斤顶（图11），采用同步顶升系统对桥梁进行支顶，使得梁体在7号、8号轴向上产生位移， 以消除地铁施工所引起桥墩沉降对梁体带来的不利影响。 首次顶升分4步进行：即第一步顶升2 mm，第二步顶升3 mm（总计5 mm），第三步顶升5 mm（总计10 mm），第四步顶升2 mm（总计12 mm），然后用临时支座承载梁体自重及荷载。 地铁车站施工过程中根据桥墩沉降情况随时调整梁体高度， 使得桥梁受力状态基本保持不变，保证桥梁安全。当地铁车站施工完成后通过填塞钢板等办法调整原桥支座高度，使原桥梁支座恢复工作。

      按顺序安装高压油管、位移传感线和压力传感线，用总线连接总控制台和分泵， 确定液压和电路已正确连接完毕后，按顺序进行如下工作。

      （1） 预顶紧。以快进模式使千斤顶柱上升，当橡胶板顶面顶到梁底且千斤顶压力达5×10⁵Pa之后，表示油缸已顶紧梁底，但尚未使梁体升起，此时完成预顶紧工作，将系统位移清零。

      （2） 正式顶升。输入位移值，观察相应点位移读数的变化，同时观察显示器上对应分组的状态提示。当显示器显示各点都“到位”后，表示各千斤顶均已上升到预定位置，此时停止顶升，并关闭各分泵。 顶升过程中分组监控千斤顶压力、梁位变化（包括结构变形）和承重架变形，随时测量梁体实际顶升数据，遇千斤顶压力异常变化、梁体变形等情况应立即关闭系统，排除故障后方可继续顶升。

      首次支顶2 mm可使桥梁支座反力转移到千斤顶上，观察此时总顶力是否与设计支座反力一致，再顶升3 mm后观察原支座下垫板是否与墩顶脱离，总顶力是否与设计计算一致。 随后的顶升应按计划步骤逐级顶升，以确保安全。

      隧道下穿桥梁过程中， 当发现桥梁基础下沉达到设计规定的3mm时， 按上述顶升基本步骤顶升梁体，填插临时支座上的钢板，以保持梁体形态。

     （1） 在保证桥墩基础稳定性的前提下，隧道施工前， 应先对连续梁梁体进行预支顶且支顶高度不大于12 mm，梁体在施工期间应放置于临时支撑之上，待沉降稳定后对支座进行复位。

      （2） 对7号、8号轴梁底进行预支顶，首先顶升梁体12 mm，调平钢板调整到位后放松千斤顶，将梁安放至临时墩上，此时梁体升高大约为5.000mm。 若后续施工沉降值超过3 mm，仍需继续顶升，但循环次数不应多于3次，承台的总沉降值不应多于10mm。

      （3） 第一次顶升前，用Q 235钢筋或钢条将支座四角上下垫板焊接牢固，使盆式支座上下部分连成整体，连接钢材可用ɸ 16钢筋或15mm×15mm方钢进行连接，同时将下垫板上的地脚螺栓拧松。

      （4） 顶升5 mm后停止千斤顶工作，观察下垫板是否已脱离墩柱顶部的混凝土，若尚未脱离，则用绳锯切割下垫板底部的混凝土，使下垫板与墩顶脱离，同时应保证地脚螺栓不受损。

      （5） 待支座复位完成后，解开连接上下垫板支座的连接钢材。

 

      通过对梁体变位、控制截面应力、裂缝及其他项目的严密监测、实时分析并反馈监测数据，指导顶升施工，避免了由于桥梁结构理论与实际的偏差、顶升设备的误差等原因， 导致梁体产生超过控制值的应力、位移以及裂缝急剧发展、激增等现象，保证了结构的安全。

      根据花园桥加固顶升施工的特点以及现场的情况， 施工监测的重点是在梁体顶升及复位施工过程中对主梁、墩柱的安全监测，主要包括：（1）梁底绝对高程变化监测；（2）承台绝对高程变化监测；（3）顶升相对位移监测；（4）桥墩压缩量监测；（5）主梁控制截面应力监测；（6） 墩柱应力监测；（7） 梁体裂缝监测（图12）。

      主要监测设备及精度要求如表1所示。

      如图13所示，8-1号桥墩周围4个临时钢管柱编号分别为8-1A，8-1B，8-1C，8-1D。7-1号墩、7-2号墩、8-2号墩与8-1号墩编号方式相同。

      顶升前先用精密水准仪、挂铟钢尺的方法对7号、8号轴梁底标高进行测量。7号、8号墩左、右幅共设4个监测点，测点编号分别为LD7-1，LD7-2，LD8-1，LD8-2。

      顶升前用精密水准仪对7号、8号轴承台高程进行测量。 7号、8号墩左、右幅共设4个监测点，测点编号分别为CJ7-1，CJ7-2，CJ8-1，CJ8-2。 本监测项目测量的意义是掌握桥梁基础绝对沉降值。

      在7号、8号墩每个桥墩及临时墩墩顶与梁体之间布置位移计，原墩每个布置2个测点，每个临时墩布置1个测点，测试顶升过程中梁体与桥墩之间的相对位移。位移计精度为0.01 mm，7号、8号墩左右两幅共16个位移计（图14）。

      在主墩及临时墩顶端粘贴锤球，墩底（锤球下）布置百分表，测试主墩及临时墩的压缩量。 每个主墩1个测点，计4个测点，临时墩对角布置（即B，D布置），计8个，7，8号墩左右两幅共布置12个位移计（图15）。

      通过监测梁体各主控截面（负弯矩、中跨跨中）应变分布规律，及时发现不均匀顶升对梁体造成的危害，确保应变变化幅值满足设计要求，梁体不出现损伤。

      共布置5个检测截面（图16）。主梁应力监测采用振弦式表面应变计， 灵敏度为1με。 在顶升前读取初始值，各级顶升后、顶升结束卸载稳定后读变化值，采用数据采集仪进行应变采集。

      利用墩柱底部监测点，测试桥墩应力变化。测点布置如图17所示，另外每个临时墩布置1个应变计。

      为保证桥梁结构在顶升过程中的受力安全， 读数安排如下：

      （1） 顶升前读取应变（位移）值；

      （2） 根据施工方案，在预定工序过程中，每级顶升完成后，数据稳定后读取各个控制点的相应数据值；

      （3） 稳定一段时间后读取各个控制点相应数据值，对比实测值与理论值之间的偏差，初步分析偏差产生的原因。

      （1） 顶升施工时，监测人员全程驻守在施工现场，监测数据并实时进行分析， 将测试数据及时提交给设计单位、业主及产权单位。

      （2） 当监测数据发生异常反应时，立即进行数据通报，暂停顶升施工，与设计、施工等单位共同查找、分析原因。异常情况包括：1）监测数据超出设计单位给出的各级控制值；2）监测数据回归呈非线性变化；3）监测数据有较大突变；4）裂缝宽度急剧增大，或突然出现多条新增裂缝；5）梁体突然发生异常变形、移位等。

      经过预支顶和正式支顶， 花园桥8号轴梁体顶升4.87 mm和5.62 mm，同步顶升施工取得圆满成功。 各项监测数据正常（表2，3），并与设计预控值基本相符。

      （1） 在以往很多穿越工程中，虽采取了诸如增设托换桩、既有桥梁基础加固等措施，但由于地下土层的复杂性，往往不能确保桥梁结构万无一失，有的隧道虽顺利通过桥梁， 却由于增加了托换桩等辅助措施而降低了桥梁的抗震性能。在花园桥成功运用的主动、动态保护桥梁综合施工技术， 通过对梁体的预判断、 预调整，可使梁体始终处于允许的变形和受力状态，从而有效解决保护桥梁的问题。

      （2） 隧道穿越既有桥梁主动、动态保护综合技术是集机、电、液、传感器、电子计算机和控制技术于一体，技术含量非常高，要在大量桥梁结构计算的基础上完成。桥梁顶升、降落每个步骤都是以理论计算为前提的，施工前要收集既有桥梁设计资料、施工资料、桥梁检测报告、隧道与桥梁临近关系等基础资料，编制周密的桥梁顶升设计文件。

      （3） 桥梁顶升实施过程中指挥系统要协调统一 、令行禁止，监测资料需真实可靠、传递畅通，顶升控制系统要状态良好、配件齐全，施工人员要经验丰富、听从指挥、随时报告现场情况。

      （4） 桥梁顶升设施基础须牢固，要经过设计与计算，以保证其不发生较大沉降和突变。

 

［1］ 张任杰.应用PLC液压同步控制技术解决桥梁顶升问题［J］.城市道桥与防洪,2008（8）：202-202.

［2］ 王梦恕.浅埋暗挖技术通论［M］.合肥：安徽教育出版社,2004.

［3］ 刘戈，崔华兵.基于GIS的地铁建设安全风险管理信息系统的分析与构建［J］.建筑技术, 2011, 42(6)：554-556.