臨近高架橋的地鐵施工分析與研究

蔡忠澤

(中鐵六局集團(tuán)石家莊鐵路建設(shè)有限公司,石家莊 050010)

近年來隨著城市交通的發(fā)展,地鐵的建設(shè)里程越來越多,由于城市中有很多高架橋,很多地鐵臨近城市的既有高架橋,這樣，地鐵的施工必然會對臨近高架橋造成一定的影響。為了保證地鐵施工的順利和高架橋的安全,對直徑線地鐵的受力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,得到的結(jié)論可以為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

白云路立交橋系北京西客站市政配套工程的一個(gè)組成部分,是市區(qū)通往西客站的重要干線上一座橋梁。該橋位于蓮花池東路與白云路相交處,跨越白云路。橋梁由北京市政設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),北京市政二公司施工,于1994年9月建成通車。橋梁全長173.68 m,全寬29.00 m,雙向6車道,中間設(shè)2.00 m寬隔離帶,兩側(cè)各設(shè)1.25 m寬的人行道和防護(hù)欄桿。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20、掛車-120。

高架上部結(jié)構(gòu)為7跨(20.70+3×21.04+27.00+2×21.04+20.70)m簡支梁,其中27 m跨為預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁,共12片,其余為普通鋼筋混凝土工字梁,共84片；下部結(jié)構(gòu)為挖孔灌注樁基礎(chǔ),雙柱式墩臺；橋面系：現(xiàn)澆整體連續(xù)橋面板、瀝青混凝土橋面、SYL-Ⅰ型齒型鋼板伸縮縫、鋼筋混凝土欄桿及防撞墩、馬口鐵排水管。

直徑線地鐵在白云路立交橋的區(qū)段內(nèi),從東向西在橋梁樁基的北側(cè)通過,埋深6.3 m,距離高架橋樁基的凈距不到8 m,地鐵采用淺埋暗挖法施工。由于地鐵距離高架橋樁基礎(chǔ)很近,為了確保高架橋的安全和地鐵施工的安全,需要考慮地鐵施工對白云路高架橋的影響,尤其是北半幅橋。地鐵橫斷面與橋梁的橫斷面位置關(guān)系見圖1。

圖1 地鐵橫斷面與高架橋位置關(guān)系(單位：m)

由于高架橋已經(jīng)運(yùn)營了十幾年,橋梁整體技術(shù)狀況的好壞將直接關(guān)系到隧道施工對既有橋梁影響程度,即：如果橋梁技術(shù)狀況較好,則影響就會小些,如果橋梁技術(shù)狀況較差,則影響將較大,可能會危及橋梁安全。經(jīng)過檢查,高架橋上部結(jié)構(gòu)第4跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁基本完好,跨中正彎矩區(qū)和支點(diǎn)剪力區(qū)未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力裂縫,也未見其他明顯病害；其余橋跨普通鋼筋混凝土工字形簡支梁普遍存在開裂現(xiàn)象,部分裂縫寬度超出規(guī)范限值要求。裂縫主要有2種,即支點(diǎn)附近斜裂縫和腹板棗核形裂縫?；诟呒軜虻倪@些裂縫病害情況,一方面在地鐵施工中之前必須嚴(yán)格根據(jù)地鐵具體的施工工藝對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算,較準(zhǔn)確地預(yù)判橋梁的內(nèi)力和位移；另一方面,在施工過程中要采取相對嚴(yán)格的位移控制標(biāo)準(zhǔn),盡可能降低地鐵施工引起的橋梁內(nèi)力增加值,確保高架橋的安全。

2 地鐵數(shù)值模擬分析

使用專業(yè)巖土工程計(jì)算分析軟件進(jìn)行地鐵施工的仿真模擬。根據(jù)地鐵施工方法的不同、地鐵斷面與橋基的位置關(guān)系、橋梁現(xiàn)狀的好壞等因素來選擇模擬斷面,地質(zhì)條件按勘察設(shè)計(jì)資料采用,地鐵開挖盡可能按地鐵的實(shí)際施工工藝進(jìn)行模擬。

地鐵采用交叉中隔壁法(CRD工法)施工,結(jié)構(gòu)寬度為11.552 m,結(jié)構(gòu)高度10.255 m,初期支護(hù)采用厚度為35 cm的格柵網(wǎng)噴C25混凝土,二次襯砌為50 cm厚C35防水鋼筋混凝土,地鐵襯砌結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 地鐵襯砌結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)地質(zhì)資料,模擬橋址處的土層從上至下依次為：(1)人工填土；(2)沖擊洪積層；(3)圓礫層；(4)粉土層；(5)圓礫層；(6)粉質(zhì)黏土等土層。高架橋的樁基礎(chǔ)是混凝土材料,所以在建立本構(gòu)模型時(shí)采用了莫爾-庫侖準(zhǔn)則,取用的應(yīng)力邊界條件為：豎直方向按土層自重應(yīng)力,水平垂直地鐵軸線方向?yàn)?.8倍自重應(yīng)力,水平平行地鐵軸線方向?yàn)?.2倍自重應(yīng)力。位移邊界條件為：模型頂面自由,四周約束各邊界面的法向位移,底面完全約束。

地鐵和橋基的數(shù)值模型以地鐵正上方的地表點(diǎn)為原點(diǎn),水平向右為X軸方向,沿地鐵軸向向內(nèi)為Y軸正方向,垂直向上為Z軸正方向。模型大小嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸建立,整個(gè)模型范圍大小為75 m×30 m×40 m,共劃分網(wǎng)格單元86 750個(gè),節(jié)點(diǎn)92 430個(gè),如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

地鐵施工后地鐵和高架橋的應(yīng)力場分布情況如圖4和圖5所示。

圖4 地鐵施工后縱斷面應(yīng)力場分布

圖5 地鐵施工后樁應(yīng)力場分布

從模擬分析地鐵施工完后垂直應(yīng)力場分布情況可以看出,地鐵襯砌中最大應(yīng)力集中在地鐵兩幫處,由于地鐵埋深不大,因此最大應(yīng)力值并不大,其值為1.0 MPa,位置在襯砌的兩幫附近；高架橋樁基的最大應(yīng)力值為0.96 MPa,最大應(yīng)力發(fā)生在中間2個(gè)橋墩頂下部1.5 m左右的位置。

地鐵施工后地鐵襯砌的水平位移場(x方向)和地鐵周圍土體的豎直位移場(z方向)分布如圖6和圖7所示。

圖6 地鐵施工后襯砌水平位移場

圖7 地鐵施工后土體豎向位移場

從圖6可以看出,地鐵砌頂水平方向的最大位移出現(xiàn)在襯砌的兩幫處,最大位移值為20.4 mm,從圖7可以看出,地鐵頂部的地表土體最大沉降38.5 mm。

高架橋樁的水平(x方向)和豎向(z方向)位移場如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出,樁基礎(chǔ)的最大水平位移為2.16 mm,發(fā)生在樁基礎(chǔ)的底部；最大豎向位移為11.9 mm,發(fā)生在樁基礎(chǔ)的頂部。

圖8 地鐵施工后樁水平位移場

圖9 地鐵施工后樁垂直位移場

為了獲取橋梁總體的位移變化情況,軟件計(jì)算出了地鐵施工中樁基礎(chǔ)特征點(diǎn)的位移曲線,這里給出了各個(gè)樁上部特征點(diǎn)的水平位移曲線和沉降曲線,如圖10和圖11所示；由于1號樁距離地鐵最近,因此其變形也最大,所以這里計(jì)算出了1號樁各個(gè)特征點(diǎn)的水平位移曲線和沉降曲線,如圖12和圖13所示。此外,地鐵施工后,計(jì)算得到的地鐵周圍土體塑性破壞區(qū)分布情況如圖14所示。

圖10 地鐵施工后各樁上部特征點(diǎn)水平位移曲線

圖11 地鐵施工后各樁上部特征點(diǎn)沉降曲線

圖12 地鐵施工后1號樁各特征點(diǎn)水平位移曲線

圖13 地鐵施工后1號樁各特征點(diǎn)沉降曲線

圖14 地鐵施工后塑性破壞區(qū)分布

從以上模擬分析地鐵施工完后樁基位移場分布情況和樁基特征點(diǎn)沉降曲線可以看出,1號樁最大沉降約為10.4 mm,2號樁的最大沉降約為5 mm,兩樁的差異沉降為5.4 mm。3號、4號樁的沉降量都在3 mm以內(nèi)。1號樁的最大水平方向位移為8.9 mm；2號樁最大水平位移約為7.5 mm,二者相差1.4 mm。此外,地鐵上方出現(xiàn)了塑性破壞區(qū)域,在拱頂兩側(cè)約成45°角擴(kuò)散至地面。

雖然上面基于假定采用專業(yè)軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析,但是,由于巖土工程的不確定性因素較多,如地質(zhì)資料、巖土物理力學(xué)性質(zhì)、施工工藝、施工質(zhì)量等等,將導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與工程實(shí)際情況存在一定的偏差。此外,以上數(shù)值分析中未考慮由于CRD施工工藝不完善、工人技術(shù)水平低、機(jī)械故障、注漿時(shí)間不妥、注漿量不足、施工降水等原因造成的影響。

3 地鐵施工分析與監(jiān)控

通過以上的模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,地鐵的施工會引起高架橋較大的變形和內(nèi)力,鑒于此,為了保證施工安全,在地鐵施工之前首先對橋梁周圍的地基土層進(jìn)行了注漿加固,同時(shí)由于模擬計(jì)算時(shí)地鐵上方出現(xiàn)了塑性破壞區(qū)域,因此在地鐵施工前預(yù)先布置了間距為25 cm的超前管棚,同時(shí)在隧道頂部的地面設(shè)置了沉降監(jiān)測點(diǎn)。另一方面,因地鐵施工對地層造成了擾動(dòng),且由于地鐵襯砌支護(hù)滯后,這必然會導(dǎo)致地鐵施工區(qū)域附近地層產(chǎn)生位移,這也必然會導(dǎo)致附近橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生位移。因此,在地鐵附近立交橋的蓋梁底部(蓋梁和橋墩結(jié)合部)布置了4個(gè)測點(diǎn),在隧道施工過程中采用全站儀測量其水平和豎向位移。

此外,由于地層的變形、蠕動(dòng)、地應(yīng)力的釋放傳遞需要一定的時(shí)間才會穩(wěn)定,地鐵施工對橋基的不利影響將會持續(xù)一段時(shí)間。因此,在施工過程中對橋梁基礎(chǔ)位移監(jiān)控一直延續(xù)至地鐵施工完成后12個(gè)月,在地鐵施工期間每天進(jìn)行早中晚3次測量,在施工完成后第一個(gè)月每隔3 d測量1次,以后測量頻率逐漸較少,直至每隔15 d測量1次。

鑒于臨近地鐵高架橋的普通鋼筋混凝土梁普遍存在開裂現(xiàn)象,支點(diǎn)附近存在著斜裂縫和腹板棗核形裂縫,其中支點(diǎn)斜裂縫為結(jié)構(gòu)受力裂縫,腹板棗核形裂縫為收縮裂縫。腹板收縮裂縫目前應(yīng)已穩(wěn)定,對結(jié)構(gòu)的承載能力影響不大；支點(diǎn)處斜裂縫則對結(jié)構(gòu)承載能力有一定影響,因此在地鐵施工時(shí)對典型的支點(diǎn)斜裂縫進(jìn)行了監(jiān)測,隨時(shí)關(guān)注裂縫是否仍在發(fā)展。

4 結(jié)論

地鐵采用CRD法施工模擬分析結(jié)果顯示,地鐵施工對樁基和地表土體均產(chǎn)生了較大的影響。一方面,施工引起的附加應(yīng)力達(dá)到了1 MPa；另一方面,樁基發(fā)生了水平位移和沉降,最大水平位移約為8.9 mm,最大沉降值約為10.4 mm,最大差異沉降值約為5.4 mm,地表最大沉降量達(dá)到了38.5 mm,且在地鐵上方出現(xiàn)了塑性破壞區(qū)域。

由于在地鐵施工中采取了注漿加固地基,并設(shè)置了加密的超前導(dǎo)管,在地鐵施工中,測得的橋基最大水平位移僅為2.6 mm,最大豎向位移為3.7 mm,均控制在了5 mm內(nèi)；同一蓋梁下兩樁基差異沉降僅為2.2 mm,亦控制在5 mm以內(nèi)。同時(shí),在施工期間梁體支點(diǎn)附近的斜裂縫保持穩(wěn)定,沒有擴(kuò)展,這表明地鐵施工對橋梁的內(nèi)力影響很小。

總之,對于臨近白云路高架橋的地鐵施工通過模擬計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果采取了一些措施,確保了地鐵施工過程的安全,最大程度地降低了對臨近高架橋的影響,為類似工程的施工提供了有益的借鑒。

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