地鐵暗挖通道施工對既有橋樁的變形特性分析及施工處理措施

趙 瑜，呂海英，熊 健，2

(1.中交鐵道設計研究總院有限公司， 北京 100000；2.東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

地鐵暗挖通道施工對既有橋樁的變形特性分析及施工處理措施

趙 瑜1，呂海英1，熊 健1，2

(1.中交鐵道設計研究總院有限公司， 北京 100000；2.東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

以沈陽地鐵4號線觀泉路站為背景，對暗挖隧道施工中的一級風險源——隧道側(cè)穿高架橋的施工過程進行了仿真數(shù)值模擬。 按照國家相關(guān)規(guī)范標準，橋樁間的差異沉降不得大于5 mm，這對暗挖側(cè)穿段的施工提出了較高要求。數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，暗挖隧道側(cè)穿橋墩，橋面沉降呈現(xiàn)雙沉降槽形式，沉降槽位于橋墩內(nèi)側(cè)1/6跨度處，沉降反彎點位于橋墩1/6跨度處。通過對側(cè)穿段的土體進行注漿加固，可以有效控制暗挖隧道施工引起的橋樁沉降及不均勻沉降，從而保證既有高架橋的運營。

暗挖隧道；側(cè)穿高架橋樁；沉降控制；注漿加固

隨著城市地鐵工程在國內(nèi)的大規(guī)模修建，地鐵線路對近鄰橋梁基礎的影響問題已越來越多，如何在施工過程中保障周圍橋梁的安全，已成為亟待解決的現(xiàn)實難題[1-3]。

地鐵暗挖隧道穿越橋梁基礎施工時，在不做任何加固處理的情況下，不可避免地擾動周圍土體，引起周圍地層損失及橋墩沉降，造成橋墩的不均勻沉降, 影響橋梁的運營安全。

針對地鐵車站暗挖的設計與施工，李強等[4]運用有限差分方法，論證了施工過程中，暗挖隧道附近既有建(構(gòu))筑物樁基受力特性及位移變化規(guī)律，提出了合理的施工步序和有效的加固措施。李兆平等[5]通過工程類比和有限元數(shù)值分析，選擇對鄰近橋樁保護最為有利的洞樁法(PBA)方案。根據(jù)鄰近橋樁與地鐵空間位置關(guān)系，將鄰近橋樁劃分不同的風險等級，采取相應的控制措施[6]。

以上學者在暗挖隧道對既有橋基的影響規(guī)律方面得到了有益的結(jié)論，然而對于加固地層、指導施工方面尚不系統(tǒng)。鑒于此，對沈陽地鐵4號線觀泉路車站隧道施工進行了數(shù)值模擬分析，以解決設計和施工中存在的問題。觀泉路站基坑位于北大營街與觀泉路交叉路口北側(cè)，觀泉路上方為二環(huán)高架橋。車站西側(cè)為福居社區(qū)(主樓6～7層，裙房1層)，東側(cè)為望花新村(主樓6～7層，裙房1層)，南側(cè)為觀泉路及高架橋。

車站主體結(jié)構(gòu)為二層三跨島式站臺車站，有效站臺寬12 m。本站共設2個風道、4個出入口及1個安全出口。剖面圖見圖1，其中C2出入口下穿二環(huán)高架橋及側(cè)穿橋樁，C2出入口為暗挖通道，覆土5 m，開挖斷面高5.2 m，寬6.6 m，與橋樁水平距離5.4 m。

二環(huán)高架橋上部結(jié)構(gòu)分預應力混凝土連續(xù)箱梁，橋?qū)挒?3.5 m，標準跨徑為30 m。橋墩橫橋向呈Y型，上寬下窄，側(cè)面以曲線過渡，立面呈花瓶形狀,。中間墩順橋向為等厚度，厚度為1.6 m；過渡墩頂端通過曲線由1.6 m變厚至2.5 m。橋臺均為鋼筋混凝土一字式橋臺，在橋臺外側(cè)設置翼墻。臺后填砂性土。橋墩基礎為鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.5 m。樁基均設聲測管。橋臺承臺厚度為1.5 m，橋墩承臺厚度為2 m。承臺底面均設置10 cm厚的C15素混凝土墊層，墊層平面尺寸自承臺邊緣起每側(cè)各加大10 cm。

圖1 暗挖通道側(cè)穿橋樁剖面圖

1 計算情況

1.1 施工過程模擬

隧道施工先開挖中隔壁左側(cè)，后開挖中隔壁右側(cè)，左右側(cè)開挖也分上下臺階，依次進行，邊開挖邊施作臨時格柵及初期支護。待初期支護全部施工完畢后，拆除格柵，施作二襯[7-8]。具體施工順序如圖2所示。

圖2 計算模型

1.2 計算參數(shù)

沈陽地鐵4號線場地地層自上而下依次為人工填土、第四系全新統(tǒng)渾河新扇沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)渾河老扇沖洪積層的中粗砂、礫砂層。支護結(jié)構(gòu)的主要物理力學參數(shù)參閱相應的規(guī)范，并結(jié)合地勘資料進行取值[9]。超前小導管與系統(tǒng)錨桿通過提高所處圍巖物理力學指標來等效處理[10]。材料物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)

1.3 控制標準的確定

根據(jù)標準[11]確定橋梁變形控制指標見表2。

表2 橋梁變形控制指標參考數(shù)值[11]

2 橋面沉降數(shù)值模擬計算

2.1 計算模型

地層采用實體單元、Mohr-Coulomb 材料模擬；橋樁采用實體單元，用彈性材料模擬；采用Mohr-Coulomb 屈服準則；模型上表面采用自由邊，其他邊界采用彈簧約束。

對整個模型設置如下邊界條件：模型底面僅約束y方向的豎向位移，左右兩個側(cè)面(長度方向)僅約束x方向的水平位移。

施工荷載均為靜荷載，包括模型各部分材料的自重及由路面車輛產(chǎn)生的均布超載20 kPa。

2.2 模擬計算

D2出入口隧道埋深5 m，與橋樁基水平凈距約5.4 m。D2出入口與橋樁的位置關(guān)系見圖1。整個模型按照實際尺寸進行1∶1的比例建模，如圖2所示。模型高度為52.5 m，模型長度為256 m，橋樁跨度30 m。

2.3 橋樁位移分析

模擬計算結(jié)果表明，在不采取加固措施情況下，橋面最大豎向位移為9.64 mm，相鄰墩臺差異沉降5.21 mm，超過控制標準要求的5 mm。橋墩傾斜0.0017，超過控制標準的0.001。

從圖3中可以看出，橋面沉降呈現(xiàn)雙沉降槽。在未加固情況下，大沉降槽出現(xiàn)在距離隧道較近的橋墩處，最大沉降位于鄰近隧道側(cè)橋樁左側(cè)5 m位置，雙沉降槽分別位于兩橋墩1/6跨度處。反彎點出現(xiàn)在橋墩外側(cè)5 m位置，約為1/6跨度處。

圖3 未加固情況下豎向變形云圖及橋面沉降槽示意

隧道開挖工況1對地層擾動較大，橋墩最大沉降發(fā)生在工況4，之后沉降趨于收斂，拆撐時沉降也有所增加隧道開挖工況1對地層擾動較大，橋墩最大沉降發(fā)生在工況4，之后沉降趨于收斂，拆撐時沉降也有所增加。

由于不采取加固措施時，橋梁變形超出標準，為了保證高架橋結(jié)構(gòu)的安全，在近橋樁側(cè)上下導洞拱部、側(cè)墻采用深孔注漿預加固，加固厚度1 m。加固后沉降情況見圖4。

圖4 加固情況下高架橋豎向變形云圖及橋面沉降槽示意

從圖4中可以看出，加固后，鄰近隧道的橋墩沉降減小，最大豎向位移為3.567 mm，相鄰墩臺差異沉降0.36 mm，橋墩傾斜0.0006，各項主要控制指標均滿足標準要求，經(jīng)加固后橋樁的安全性可以得到保證。

橋面沉降仍呈現(xiàn)雙沉降槽，分別位于兩橋墩1/6跨度處。大沉降槽出現(xiàn)在離隧道稍遠的橋墩處，承臺頂沉降3.04 mm，橋面最大沉降3.56 mm。反彎點位置未發(fā)生變化，仍出現(xiàn)在橋墩外側(cè)5 m位置，約為1/6跨度處，只是變形量減小了。說明采取的加固措施是有效的。

3 暗挖施工處理措施

暗挖隧道側(cè)穿橋樁，對橋梁的影響一直持續(xù)到施工完成，甚至到運營期間也一直存在。橋梁變形過大可能導致橋梁開裂破壞或危及行車安全，甚至橋梁倒塌。

開挖施工前，對開挖影響范圍內(nèi)的橋梁、樁基基礎的結(jié)構(gòu)型式及空間位置關(guān)系進行普查，必要時，對橋梁進行安全評估，若橋梁基礎承載力較差，可對周邊土體進行加固處理，若樁基摩阻力較小，可采取樁基隔離措施。

施工過程中，對隧道通過或鄰近地段，采取超前加固、分層分段開挖、加強初支及二初強度、回填注降等措施。

加強拱頂沉降、收斂、地表沉降、橋梁沉降和差異沉降等監(jiān)控量測工作。若沉降或收斂出現(xiàn)異常，應立即停止開挖，同時根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果，通過整理和分析以指導和修正施工參數(shù)，并采取相應措施。

4 結(jié) 論

(1) 橋面沉降呈現(xiàn)雙沉降槽形式，最大沉降發(fā)生在離隧道較近的橋樁右側(cè)5 m位置處，雙沉降槽位置分別為1/6跨度處，沉降反彎點位于橋墩外側(cè)5 m位置，約為1/6跨度處。

(2) 隧道開挖對橋面的影響主要集中在兩沉降槽之間范圍，當超過反彎點后，橋面沉降影響逐漸減小。

(3) 隧道開挖工況一對地層擾動較大，橋墩最大沉降發(fā)生在工況四，之后沉降趨于收斂，拆撐時沉降也有所增加，因此需要對危險工況加強監(jiān)測，及時跟蹤注漿。

(4) 暗挖施工目前技術(shù)成熟，暗挖側(cè)穿橋樁風險可控，只要采取適當措施，即可保證施工安全。

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Analysis of Bridge Piles Deformation and Construction Measures of Subway Underground Excavation

ZHAO Yu1, LV Haiying1, XIONG Jian1,2

(1.CCCCRailwayDesignInstituteCo.,Ltd.,Beijing100000,China；2.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning110819,China)

By taking Guanquan Road station of Shenyang subway line 4 as an example, this paper carried out the simulation numerical simulation of the primary risk source of underground tunnel construction-tunnel across viaduct from the side. According to the relevant national standards, differential settlement between bridge pier should not be greater than 5 mm, which put forward higher requirements to underground side wear period of construction. Numerical simulation results show that, when tunnel across viaduct from the side, bridge deck subsidence takes the form of double settling tank. Settling tank is located in the medial 1/6 span bridge piers and settlement of inflection point is located at pier 1/6 span. Through the side wear period of soil grouting reinforcement, we can effectively control the underground tunnel construction of bridge pier settlement and uneven settlement and ensure the operation of the constructed viaduct.

underground tunnel; acrossing viaduct from the side; settlement control; grouting reinforcement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.040

2016-12-29

2017-02-06

趙 瑜(1989—)，女，遼寧大連人，碩士，助理工程師，主要從事地鐵結(jié)構(gòu)設計工作。E-mail:zhaoyu890224@163.com

TU473

A

1672—1144(2017)02—0210—03