高架橋受基坑工程施工影響的監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)

謝錫康，賀躍光，高久平，吳盛才

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410114;2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015;3.中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)公司中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410014)

地鐵基坑工程施工期間，其周邊建筑物安全處于受控狀態(tài)［1］。當(dāng)存在不安全因素時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)掌握其變形演變過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì)［2］，了解地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，把握施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，采取工程措施控制周邊地表下沉。在排險(xiǎn)搶險(xiǎn)工作中，監(jiān)測(cè)信息還可驗(yàn)證方案的有效性，因此對(duì)建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)是最有效方法［3，4］。而根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鄰近基坑高架橋進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，是保證基坑施工安全，也是保證高架橋安全的重要手段［5］。

1 高架橋監(jiān)測(cè)

某地鐵基坑北側(cè)高架橋?qū)?0m，雙向4車(chē)道，車(chē)流量大。該基坑標(biāo)準(zhǔn)段總寬18.5m，站總長(zhǎng)267m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約16m，端頭井部分基坑深約18m?；釉O(shè)計(jì)變形控制保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，采用明挖順筑法施工。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置3道φ609鋼支撐，軌排井段設(shè)置4道鋼支撐;車(chē)站北端離高架橋橋基較近，為降低基坑開(kāi)挖對(duì)高架橋的影響，采用3道鋼筋混凝土斜撐。為反饋基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響，對(duì)高架橋設(shè)計(jì)專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案。

1.1 沉降監(jiān)測(cè)

1.1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

沉降監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)成組埋設(shè)，設(shè)在離基坑100m外，或3倍基坑深度外，埋設(shè)3個(gè)，以檢核其穩(wěn)定性。高架橋沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)鉆孔埋設(shè)≥φ14mm的“L”型標(biāo)志，并用水泥砂漿固定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)離地面20～50cm，監(jiān)測(cè)布點(diǎn)如圖1。

1.1.2 監(jiān)測(cè)方法

采用徠卡DNA03型水準(zhǔn)儀按二級(jí)沉降要求閉合水準(zhǔn)形式測(cè)定沉降值。首級(jí)網(wǎng)觀測(cè)控制點(diǎn)高程，二級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)各沉降點(diǎn)高程。滿足變形監(jiān)測(cè)“三定”要求觀測(cè)，閉合或附合水準(zhǔn)測(cè)站數(shù)限制在50站內(nèi)，支線水準(zhǔn)進(jìn)行往返觀測(cè)或單程雙測(cè)且不超過(guò)5站。每公里偶然中誤差0.3mm，設(shè)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度為1km，測(cè)站數(shù):

測(cè)站中誤差:

線路中最弱點(diǎn)將是5站，高程中誤差為:

m單=m最弱點(diǎn)(一次觀測(cè)的最弱點(diǎn)高程中誤差)

采用往返測(cè)或兩次觀測(cè)時(shí)，最弱點(diǎn)高程中誤差:

圖1 橋梁監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖

觀測(cè)數(shù)據(jù)用自帶軟件LEICAGeoOffice檢查和平差，數(shù)據(jù)庫(kù)保存原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算處理數(shù)據(jù)。軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正、平差、生成報(bào)表和變形過(guò)程曲線圖、計(jì)算各點(diǎn)高程及沉降量、累積沉降量。

1.1.3 傾斜觀測(cè)

通過(guò)測(cè)量高架橋基礎(chǔ)相對(duì)沉降確定高架橋傾斜:

式中:si為高架橋某橋墩沉降值，mm;sj為高架橋相鄰橋墩沉降值，mm;L為高架橋兩橋墩沉降點(diǎn)間距離，m。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制時(shí)間傾斜值曲線圖，并結(jié)合基坑施工情況對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 變形分析

基坑北端開(kāi)挖至地板澆注，以3d為一周期，共進(jìn)行7次監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1，兩橋墩沉降差結(jié)果如表2，傾斜值結(jié)果表3。

由表1可知，高架橋橋墩沉降值均較小。AG001點(diǎn)累計(jì)沉降4.6mm，最大沉降值發(fā)生在第4期，沉降2.5mm;AG002點(diǎn)累計(jì)沉降5.6mm，最大沉降值發(fā)生在第7期，沉降2.1mm;AG003點(diǎn)累計(jì)沉降 1.8mm，最大沉降值發(fā)生在第 2期，沉降1mm;AG004點(diǎn)累計(jì)沉降1.7mm，最大沉降值發(fā)生在第2期，沉降1.4mm;AG005點(diǎn)累計(jì)沉降1mm，最大沉降值發(fā)生在第2期，沉降0.6mm;AG006點(diǎn)累計(jì)沉降1.7mm，最大沉降值發(fā)生在第2期，沉降2mm;AG007點(diǎn)累計(jì)沉降4.2mm，最大沉降值發(fā)生在第4期，沉降1.3mm;AG008點(diǎn)累計(jì)沉降4.2 mm，最大沉降值發(fā)生在第4期，沉降1.6mm;左右兩個(gè)橋墩最大沉降值基本同時(shí)達(dá)到最大值，且每期最大沉降值處于1～2mm間。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mm

從整個(gè)觀測(cè)周期分析，除了第3期絕大部分?jǐn)?shù)值呈現(xiàn)整體抬升外，其余周期內(nèi)大部分均為下沉，因此可知，地鐵施工對(duì)高架橋存在一定的影響，會(huì)導(dǎo)致橋墩下沉;從觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，呈現(xiàn)抬升的數(shù)值均較小，由于觀測(cè)儀器存在一定的系統(tǒng)誤差，且觀測(cè)過(guò)程中存在一定的偶然誤差，橋墩本身的變形值相對(duì)系統(tǒng)誤差和偶爾誤差的疊加值來(lái)說(shuō)較小，導(dǎo)致誤差數(shù)字大于變形值，從而掩飾了其本身的變形規(guī)律，對(duì)此可采用相關(guān)的模型對(duì)其進(jìn)行處理，消除部分誤差;從變形速率分析，由于各期沉降值均相對(duì)較小，整體來(lái)說(shuō)，各橋墩沉降趨勢(shì)基本一致，沉降速率均較小。

表2 兩橋墩沉降差值 mm

表3 兩橋墩傾斜值 (mm·m－1)

由表2和表3知，高架橋橋墩相對(duì)沉降值均較小。AG001－AG002點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差－1mm，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第4期，沉降差1.9mm，累計(jì)傾斜 －0.07mm/m，最大傾斜值 0.13mm/m;AG003－AG004點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差0.1mm，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第2、4期，沉降差0.4mm，累計(jì)傾斜0.01mm/m，最大傾斜 0.03mm/m;AG005 －AG006點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差為－0.7mm，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第2期，沉降差－1.4mm，累計(jì)傾斜－0.05mm/m，最大傾斜值 0.09mm/m;AG007 －AG008點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差0，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第2期，沉降差0.7mm，累計(jì)傾斜0，最大傾斜0.05mm/m;AG001－AG003點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差2.8mm，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第4期，沉降差1.9mm，累計(jì)傾斜 0.09mm/m，最大傾斜 0.06mm/m;AG002－AG004點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差3.9mm，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第3期，沉降差值1.3mm，累計(jì)傾斜 0.13mm/m，最大傾斜 0.04mm/m;AG003－AG005點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差0.8mm，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第2、4期，沉降差0.4mm，累計(jì)傾斜0.03mm/m，最大傾斜 0.01mm/m;AG004 －AG006點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差0mm，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第2期，沉降差－0.6mm，累計(jì)傾斜為0，最大傾斜0.02mm/m;AG005－AG007點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差－3.2mm，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第4期，沉降差 －1.1mm，累計(jì)傾斜為 0，最大傾斜 0.02 mm/m;AG006－AG008點(diǎn)間累計(jì)相對(duì)沉降差 －2.5mm，最大相對(duì)沉降差發(fā)生在第7期，沉降差－1.3mm，累計(jì)傾斜 －0.11mm/m，最大傾斜 －0.04 mm/m。

由表2和表3知，除了第2期沉降差與傾斜值絕大部分為負(fù)值外，其余期大部分均為正，且整體數(shù)值均較小;從各周期內(nèi)各指標(biāo)分析，第4期變形值相對(duì)于其它周期內(nèi)稍大，其余周期均相對(duì)較小;變形速率從整體上看，各指標(biāo)的變形速率均較小，整體的變形速率一致，且差異性較小，該處8個(gè)橋墩處于整體變形。

2 安全評(píng)估

2.1 評(píng)估閾值

目前，大型基坑工程施工對(duì)周邊房屋、橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基本采用半定性評(píng)估方法，如基于層次模型的模糊評(píng)估方法［6，7］。由于各類(lèi)型建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)不同，抵抗地面變形能力各異，移動(dòng)變形劃分標(biāo)準(zhǔn)如表 4［8］。

1)作為建(構(gòu))筑物的保護(hù)等級(jí)。I級(jí)表示最重要建筑物，其損壞可能帶來(lái)嚴(yán)重后果，因此損壞程度很小;II級(jí)表示一般性工廠、水塔、火車(chē)站、大型學(xué)校、大型水池、較大河床、主要鐵路隧道等;III級(jí)表示不大住宅，二級(jí)鐵路，較小河床，中小水池或蓄水池;IV表示錨固的磚結(jié)構(gòu)房屋、不太重要的金屬結(jié)構(gòu)，無(wú)客運(yùn)的次級(jí)鐵路公路。

2)作為建(構(gòu))筑物的損害程度的分級(jí)。I級(jí)表示損害很小;II級(jí)表示容易修復(fù)的損害;III級(jí)表示嚴(yán)重的開(kāi)采損害，但不致使建筑物有毀壞或中斷使用的危險(xiǎn);IV級(jí)表示建筑物需要加強(qiáng)，或者采取預(yù)防措施。

表4 地表移動(dòng)與變形劃分標(biāo)準(zhǔn)

上海基坑監(jiān)測(cè)規(guī)范規(guī)定:一級(jí)基坑變化速率2～3mm/d，累計(jì)值25～30mm;二級(jí)基坑變化速率3～5mm/d，累計(jì)值50～60mm。一級(jí)基坑在H范圍內(nèi)地表最大沉降值小于0.2%H，二級(jí)基坑地表最大沉降值小于0.5%H。

國(guó)家建筑基坑規(guī)范規(guī)定:一級(jí)基坑累計(jì)值30mm;二級(jí)基坑累計(jì)值60mm;建筑整體傾斜度累計(jì)值達(dá)到2/1000或傾斜速率連續(xù)3d大于0.0001H/d時(shí)應(yīng)報(bào)警?；又苓叺乇碡Q向位移:一級(jí)基坑25～35mm，變化速率2～3mm/d，二級(jí)基坑50～60mm，變化速率4～6mm/d。相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為:地表下沉值小于200mm，傾斜小于3mm，靜定結(jié)構(gòu)不均勻沉降不允許超過(guò) 1.5cm［9－11］，簡(jiǎn)支梁橋墩臺(tái)均勻沉降(不包括施工中的沉降)小于或等于2mm，相鄰墩臺(tái)不均勻沉降差值小于或等于mm(L為相鄰墩臺(tái)最小跨徑長(zhǎng)度，小于25m按25m計(jì)算)，特大橋、大橋連續(xù)超靜定結(jié)構(gòu)墩臺(tái)間不均勻沉降不超過(guò)1.5cm，對(duì)于外靜體系的橋梁，相鄰墩臺(tái)間均勻沉降差不應(yīng)使橋面大于2/1000的坡度［12］。

由于基坑開(kāi)挖引起地表變形過(guò)大可能導(dǎo)致基坑垮塌，從而引發(fā)高架橋垮塌，因此高架橋安全閾值必須控制在一定范圍內(nèi)。

綜上所述，由于高架橋地處繁華城市，因此為安全起見(jiàn)，規(guī)定橋墩沉降值30mm，相鄰墩臺(tái)不均勻沉降差值≤mm，傾斜值≤2/1000。該高架橋橫向兩橋墩長(zhǎng)15m，縱向長(zhǎng)30m，因此，該高架橋安全閾值如下:橋墩累計(jì)沉降值為30mm，墩臺(tái)縱向累計(jì)不均勻沉降差值5.5mm，墩臺(tái)橫向累計(jì)不均勻沉降差值3.9mm，傾斜值小于2mm/m。

2.2 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

從表1、表2、表3可知，高架橋橋墩沉降值較小，沉降點(diǎn)最大累計(jì)沉降值5.6mm，最大沉降值2.1mm，兩橋墩相對(duì)沉降差縱向累計(jì)最大值3.9mm，橫向累計(jì)最大值1.9mm;高架橋累計(jì)傾斜最大0.13mm/m。根據(jù)高架橋安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，地表沉降累計(jì)值安全閾值30mm，實(shí)測(cè)最大累計(jì)沉降值5.6mm;兩橋墩相對(duì)沉降差累計(jì)安全閾值5.5mm，實(shí)測(cè)3.9mm;高架橋累計(jì)傾斜值安全閾值為2mm/m，實(shí)測(cè)值0.13mm/m。

綜合評(píng)價(jià):該高架橋橋墩沉降、兩橋墩沉降差、傾斜值均在高架橋安全評(píng)價(jià)閾值范圍內(nèi)，表明基坑工程開(kāi)挖對(duì)該高架橋影響較小，高架橋整體安全。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵基坑工程施工對(duì)鄰近高架橋的安全造成影響。通過(guò)設(shè)計(jì)專項(xiàng)高架橋監(jiān)測(cè)方案，綜合分析高架橋的安全控制閾值，并對(duì)某鄰近基坑的高架橋進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得到該高架橋橋墩沉降、兩橋墩沉降差、傾斜值均在高架橋安全評(píng)價(jià)閾值范圍內(nèi)，基坑工程開(kāi)挖對(duì)該高架橋影響較小，高架橋整體安全的結(jié)論。

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