明挖車站施工對(duì)臨近橋臺(tái)影響的數(shù)值分析

孫榮波，韋良文,2

(1. 重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074)

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明挖車站施工對(duì)臨近橋臺(tái)影響的數(shù)值分析

孫榮波1，韋良文1,2

(1. 重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶 400074)

以重慶軌道環(huán)線某車站明挖法修建為例，建立了車站及橋臺(tái)的三維數(shù)值模擬，通過模擬計(jì)算，得到了車站開挖對(duì)臨近橋臺(tái)的影響，并結(jié)合不同施工步序下車站開挖對(duì)橋臺(tái)的應(yīng)力及位移進(jìn)行了分析。相應(yīng)的結(jié)果可為此類工程的施工、設(shè)計(jì)提供技術(shù)借鑒及參考。

明挖隧道；橋臺(tái)；位移；數(shù)值模擬

1　引言

隨著我國城市交通的不斷發(fā)展，明挖法施工由于其自身突出的優(yōu)勢，在城市地鐵隧道施工建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，地鐵車站施工技術(shù)也在不斷進(jìn)步，但是受到既有城市環(huán)境的約束，臨近橋梁進(jìn)行的地鐵施工的工程也越來越多[1]，車站開挖對(duì)臨近橋臺(tái)的影響主要體現(xiàn)在橋臺(tái)的位移和應(yīng)力的變化上，因此討論車站開挖對(duì)臨近橋臺(tái)的影響對(duì)實(shí)際工程指導(dǎo)具有一定的指導(dǎo)意義。

國內(nèi)就車站開挖對(duì)臨近橋臺(tái)的研究成果有：馮志[2]分析了地鐵車站施工對(duì)臨近橋臺(tái)的影響，對(duì)地鐵施工可能引起的既有橋基變形和應(yīng)力變化進(jìn)行預(yù)測，明確地鐵施工對(duì)既有橋基影響的大小、范圍；殷順浪等[3]針對(duì)某城市臨近既有橋樁的地鐵車站工程，利用 FLAC3D 軟件對(duì)施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，得出明挖施工對(duì)既有橋樁變形和應(yīng)力的影響；梁子軒，王健等[4]，以北京市知春橋排水隧道近接橋梁樁基施工為例，應(yīng)用三維有限元分析方法，研究了明挖法施工對(duì)近接橋樁變形的影響。

2　工程概況

2.1位置關(guān)系

重慶某跨江大橋?yàn)槿邕B續(xù)中承式鋼桁系桿拱橋。大橋?yàn)殡p層公軌兩用橋，上層為“汽車道+人行道”雙向六車道、下層為“汽車道+軌道線”的“雙層通行”模式，軌道交通環(huán)線通過橋腹過江?？缃髽虻腁22號(hào)橋臺(tái)是大橋東引橋橋臺(tái)，呈南-北向設(shè)置。橋臺(tái)基礎(chǔ)位于原地面線以下1～2 m，并分為1、2、3、4號(hào)臺(tái)身，各臺(tái)身段設(shè)置2 cm沉降縫。A22橋臺(tái)寬4.6 m，預(yù)留輕軌通道拱涵位于橋臺(tái)跨中位置，拱涵基礎(chǔ)低于地平面6.8 m?？紤]后續(xù)軌道線修建的影響，A22號(hào)橋臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。車站基坑開挖場地位于A22號(hào)橋臺(tái)東側(cè)，軌道基礎(chǔ)延伸開挖并穿越A22號(hào)橋臺(tái)預(yù)留的輕軌通道拱，預(yù)留的輕軌通道拱底寬8.6 m，拱高6.5m。車站距A22號(hào)橋臺(tái)臺(tái)背為40.923 m，車站距離A22號(hào)橋臺(tái)預(yù)留區(qū)間隧道為29.103 m。A22號(hào)橋臺(tái)基地標(biāo)高為243.600(黃海高程系，下同)，南橋臺(tái)預(yù)留隧道與車站連接段區(qū)間和車站的最大開挖深度高程為245.181 m，臺(tái)背至區(qū)間接口段采用2級(jí)分別為1∶1和1∶0.75放坡處理。如圖1所示。

圖1　局部關(guān)系平面圖

2.2連接區(qū)間及車站近接橋臺(tái)端的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

該區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

(1)冠梁以上土體放坡掛網(wǎng)噴錨，噴錨參數(shù)：100厚C20噴射混凝土，單層鋼筋網(wǎng)片Φ8@200×200。

(2)一期基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)：采用鉆孔灌注樁(A型樁)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，樁直徑1.2 m，樁中心距2.0 m，嵌固深度2.5 m，豎向采用三道支撐， 鋼管厚度t=16 mm。

(3)二期基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)：采用鉆孔灌注樁(C型樁)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，樁直徑1.0 m，樁中心距2.0 m，嵌固深度6.0(8.0) m。

(4)連接區(qū)間：連接區(qū)間圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁，直徑1.2 m，間距0.8 m，同時(shí)采用三道609鋼管支撐，詳見圖2所示。

2.3工程地質(zhì)條件

通過對(duì)場地的地面地質(zhì)調(diào)繪，結(jié)合工程地質(zhì)鉆探并綜合分析已有區(qū)域地質(zhì)成果，沿線出露的地層主要有第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、殘坡積層(Q4el+dl)和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)沉積巖層。

圖2　A22#橋臺(tái)至車站間區(qū)間隧道明挖段圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖

3　明挖車站施工的數(shù)值模擬

3.1有限元模型的建立

計(jì)算模型采用MIDAS/GTS有限元軟件，程序采用“激活和鈍化”單元的方法模擬車站基坑的開挖和支護(hù)。巖土體材料的屈服準(zhǔn)則采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。型參數(shù)的選取根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表，結(jié)合重慶地區(qū)的巖土性質(zhì)，取值如表1所示。

表1　有限元計(jì)算參數(shù)表

建模過程中，圍巖采用六面體實(shí)體單元， A22號(hào)橋臺(tái)采用四面體實(shí)體單元，灌注樁和圍護(hù)樁采用梁單元，支撐、格構(gòu)柱、連系梁以及冠梁采用梁單元，噴射混凝土采用面單元。

計(jì)算模型中模型邊界到基坑邊界取值如下：沿橋跨方向邊界取基坑寬度的4倍，垂直于橋跨方向長度取基坑寬度的4倍，模型的高度取基坑深度的5倍。模型三維尺寸為：330 m×220 m×100 m。

計(jì)算模型的底面約束豎直方向的自由度，前后左右約束水平自由度，地表為自由面。模型網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

3.2施工步的確定

施工步的確定根據(jù)“分層、分段”的原則進(jìn)行確定，整個(gè)計(jì)算采用12個(gè)施工部對(duì)施工過程進(jìn)行模擬：

施工步1:模擬初始圍巖在自重下的應(yīng)力狀態(tài)；

施工步2:模擬連接段排樁、冠梁和連接段第一道支撐的施工，模擬一期灌注樁、排樁、冠梁的施工；

施工步3:模擬連接段第一層土體開挖，模擬連接段第二道支撐的施工，一期第一道斜撐、第二道支撐、格構(gòu)柱及連系梁的施工；

圖3　模型網(wǎng)格劃分圖

施工步4:模擬連接段第二層土體開挖，模擬一期第一段第一層土體開挖，模擬連接段第三道支撐的施工；

施工步5:模擬連接段第三層土體開挖，模擬一期第一段第二層、第二段第一層土體開挖，模擬一期第二道斜撐、第二道支撐、第二道連系梁的施工，連接段開挖至基坑底部；

施工步6:模擬一期第一段第三層、第二段第二層、第三段第一層土體開挖，第一段開挖至基坑底部，模擬第三道斜撐、第三道支撐、第三道連系梁的施工；

施工步7:模擬一期第二段第三層、第三段第二層土體開挖，第二段開挖至基坑底部；

施工步8:模擬一期第三段第三層土體開挖，第三段開挖至基坑底部；

施工步9:模擬二期灌注樁、排樁的施工；

施工步10:模擬二期第一段第一層土體的開挖；

施工步11:模擬二期第一段第二層、第二段第一層土體的開挖，第一段開挖完成；

施工步12：模擬第二段第二層土體開挖，基坑開挖完成。

4　數(shù)值分析結(jié)果

4.1A22號(hào)橋臺(tái)位移分析

在計(jì)算結(jié)果中提取出了A22橋臺(tái)從第2施工步及最后第12施工步所對(duì)應(yīng)的位移圖形數(shù)據(jù)，包括A22臺(tái)各施工步的橋跨縱向(X)方向和豎直(Z)方向的位移云圖，見圖4和圖5。

對(duì)A22號(hào)橋臺(tái)構(gòu)件取A、B、C、D、E、F六處觀察點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果數(shù)據(jù)體現(xiàn)在位移變化折線圖中，見圖6～8所示。

圖4　第12施工步X方向位移云圖

圖5　第12施工步Z方向位移云圖

圖6　A22號(hào)橋臺(tái)位移分析取點(diǎn)位置

圖7　A22號(hào)橋臺(tái)X方向位移變化圖( mm)

圖8 A22號(hào)橋臺(tái)Z方向位移變化圖( mm)

由圖6～8可以看出以下幾點(diǎn)。

(1) A22號(hào)橋臺(tái)由于與施工基坑較近，橫斷面方向水平位移變化較小，各控制點(diǎn)均未超過1 mm。

(2) 豎向位移變化各控制點(diǎn)不規(guī)律，主要體現(xiàn)在預(yù)留拱底(A和B點(diǎn))均勻向上隆起，最大隆起值為1.43 mm；C、E點(diǎn)處的橋臺(tái)兩端為均勻隆起，其值較小，分別為0.77 mm和0.79 mm。橋臺(tái)中部預(yù)留隧道拱頂D點(diǎn)為豎向下沉，雖數(shù)值很小，為0.02 mm。由于C、E點(diǎn)和A、B、D、F點(diǎn)之間的最大位移差為1.45 mm，由此可能引起混凝土結(jié)構(gòu)在不均勻沉降作用下產(chǎn)生裂縫，可由應(yīng)力進(jìn)行分析。

(3) 橋臺(tái)中部預(yù)留隧道線路縱線方向拱腳的豎向上隆位移A和B點(diǎn)分別為1.43 mm，G和H點(diǎn)最大豎向隆起位移0.72 mm，其差值為0.71 mm，橋臺(tái)不存在橋跨縱線方向的傾覆穩(wěn)定性危險(xiǎn)。

4.2橋臺(tái)應(yīng)力分析

提取第12施工步的沿橋橫斷面方向(X)和豎直方向(Z)方向的應(yīng)力云圖，如圖9和圖10所示。

選取計(jì)算結(jié)果中對(duì)A22號(hào)橋臺(tái)構(gòu)件中的A、B、C、D、E、F六處觀察點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，具體數(shù)據(jù)變化見圖11、12。

由橋臺(tái)在不同施工步時(shí)的橫斷面方向(X)、豎直方向(Z)應(yīng)力變化折線圖可知，在A、B兩點(diǎn)(預(yù)留拱腳)處的壓應(yīng)力最大變化值為0.41 MPa；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在F點(diǎn)，其值為0.024 MPa。

圖9　第12施工步X方向應(yīng)力云圖

圖10　第12施工步Z方向應(yīng)力云圖

圖11A22號(hào)橋臺(tái)X方向應(yīng)力變化圖

5　結(jié)語

(1)由于基坑開挖使圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致橋臺(tái)產(chǎn)生一系列的位移和應(yīng)力。基坑開挖與臺(tái)背放坡卸荷時(shí)，預(yù)留隧道拱涵產(chǎn)生向上的位移，出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

圖12A22號(hào)橋臺(tái)Z方向應(yīng)力變化圖

(2)橋臺(tái)中部F點(diǎn)和橋臺(tái)邊緣C、E點(diǎn)之間的最大位移差為1.45 mm，由此引起的混凝土結(jié)構(gòu)附加壓應(yīng)力最大變化值為0.41MPa，附加拉應(yīng)力變化值為0.024 MPa，且在整個(gè)施工過程中變化較小。

(3)橋臺(tái)中部預(yù)留隧道線路縱線方向拱腳的豎向上隆位移(A、B點(diǎn))與G、H點(diǎn)最大豎向隆起位移差值為0.71 mm，橋臺(tái)不存在橋跨縱線方向的傾覆。

[1]施仲衡，張彌，王新杰，等。地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997：155～156.

[2]馮志.地鐵車站施工對(duì)臨近橋樁的影響[J].隧道與地下工程,2012,30(6):77～82.

[3]殷順浪,韋良文.地鐵明挖區(qū)間施工對(duì)臨近高架橋墩臺(tái)的影響分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2014:102～104.

[4]梁子軒，王健，等，明挖法隧道施工對(duì)近接橋梁樁基的影響[J].隧道與地下工程,2011,29(2):84～86.

Numerical Analysis of the Influenceon Nearby Abutment Caused by Cut-and-coverStation Construction

Sun Rongbo1，Wei Liangwen1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,P.R.China2.StateKeyLaboratoryBreedingBaseofMountainBridgeandTunnelEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,P.R.China; )

By taking the example of a station which employed cut-and-cover method in Chongqing rail loop,this paper would establish three-dimensional digital model of this station and abutment. Then, the paper would analyze the influence on nearby abutments and their stresses and displacements under different construction steps. Moreover,this research conclusion would provide

for the construction and design of this kind of project.

cut-and-cover method;abutment;displacement;digital model

2016-05-16

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：KJ09049)

孫榮波(1990—)，男，碩士，主要從事隧道與地下結(jié)構(gòu)工程、巖土工程研究工作。

U455.53

A

1674-9944(2016)14-0202-04