超大斷面地鐵車站施工對(duì)臨近橋樁影響分析

史作璟

(林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司，重慶 401121)

超大斷面地鐵車站施工對(duì)臨近橋樁影響分析

史作璟

(林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司，重慶 401121)

重慶軌道交通五號(hào)線幸福廣場(chǎng)站超大斷面暗挖側(cè)穿黃山立交樁基，車站開挖施工對(duì)既有橋梁樁基影響較大。借助大型有限元軟件MIDAS GTS 2.6模擬了有無針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)控制措施兩種工況，結(jié)果表明：超大斷面隧道開挖采用針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制措施后拱頂沉降為2.00 cm，減小約20%;水平收斂為2.82 cm，減小約30%。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采取一定控制措施進(jìn)行隧道開挖后，隧道及臨近橋梁樁基各項(xiàng)變形指標(biāo)均在可控范圍內(nèi)。

軌道； 地鐵車站； 橋樁； 變形

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城市化進(jìn)程的不斷加快，越來越多的城市選擇興建軌道交通來緩解交通擁堵。軌道交通的選線既要滿足城市布局也要避開地面建筑區(qū)域，然而城市主干道上既有橋梁眾多，軌道交通工程的建設(shè)施工必然會(huì)對(duì)原有橋梁樁基的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，并導(dǎo)致一定范圍內(nèi)橋梁樁基發(fā)生變形和沉降。因此，如何減小軌道交通工程的建設(shè)施工對(duì)既有橋梁樁基的影響便成為了一個(gè)十分重要的課題[1]。

重慶軌道交通五號(hào)線幸福廣場(chǎng)站側(cè)穿黃山立交樁基，且車站為超大斷面暗挖車站，在車站開挖施工勢(shì)必會(huì)對(duì)橋梁樁基造成一定影響[2]。

1 工程概況

重慶軌道交通五號(hào)線幸福廣場(chǎng)站位于重慶市兩江新區(qū)星光大道與黃山大道十字交叉處，車站縱向沿著星光大道，位于其下方。車站結(jié)構(gòu)最大開挖斷面寬23.6 m，高20.238 m，斷面面積417.59 m2，拱頂埋深11～13 m，屬于特大斷面超淺埋暗挖車站。

車站西側(cè)為已建成的黃山立交橋，此立交橋與車站平行，水平距離約3 m，立交橋樁基距離車站隧道外邊緣約5.6 m，樁基底標(biāo)高位于車站仰拱以下0.8 m處。地質(zhì)勘察資料顯示，車站隧道圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，地層由上而下依次為第四系全新統(tǒng)填土層(Q4ml)、殘坡積粉質(zhì)粘土層(Q4el+dl)及侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)沉積巖層；另外，場(chǎng)址水文地質(zhì)環(huán)境較簡(jiǎn)單，地下水主要為第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水。車站平面布置如圖1所示，計(jì)算模型選取剖面如圖2所示。

圖1 幸福廣場(chǎng)站平面布置

圖2 計(jì)算模型選取斷面

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 車站斷面設(shè)計(jì)

車站斷面的凈空尺寸應(yīng)滿足地鐵建筑限界、車站建筑功能、各種設(shè)備使用功能及施工工藝的要求，并考慮施工誤差、結(jié)構(gòu)變形和位移等因素給出必要的富余量。根據(jù)相關(guān)規(guī)范并從結(jié)構(gòu)受力的合理性出發(fā)，車站采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面，開挖寬度23.20 m,開挖高度20.54 m。車站主體隧道支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 車站主體隧道支護(hù)參數(shù)表

2.2 開挖工法

根據(jù)周邊環(huán)境條件及工程類比，幸福廣場(chǎng)站選用暗挖法施工，車站主體隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑臺(tái)階法分步開挖[3]，其具體施工步驟如下：

(1) 自上而下開挖左側(cè)導(dǎo)坑，初噴混凝土，架立拱部鋼架及核心巖柱側(cè)壁鋼架，復(fù)噴混凝土；

(2) 自上而下開挖右側(cè)導(dǎo)坑，初噴混凝土，架立拱部鋼架及核心巖柱另一側(cè)壁鋼架，復(fù)噴混凝土；

(3) 鋪設(shè)兩側(cè)角部防水層，澆筑兩側(cè)矮邊墻二襯;

(4) 取上層核心巖柱，初噴混凝土，架立拱頂部鋼架，復(fù)噴混凝土；

(5) 鋪設(shè)拱墻部分防水層，澆筑拱墻二襯；

(6) 取中間及底層核心巖柱，澆筑仰拱墊層；

(7) 鋪設(shè)仰拱防水層，灌注仰拱二襯。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

根據(jù)前期調(diào)查及地質(zhì)勘察資料，車站周邊環(huán)境比較復(fù)雜，車站西側(cè)星光立交橋臺(tái)及樁基距車站結(jié)構(gòu)邊緣僅5.6 m，車站開挖施工風(fēng)險(xiǎn)較大，設(shè)計(jì)中采用如下措施進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)控制：

(1) 沿車站主體隧道縱向在橋梁樁基前后5 m范圍采取系統(tǒng)錨桿局部加長(zhǎng)為8 m；

(2) 沿車站主體隧道縱向在橋梁樁基前后5 m范圍靠樁基一側(cè)采用機(jī)械開挖，減少爆破施工對(duì)橋樁及圍巖擾動(dòng)；

(3) 沿車站主體隧道縱向在橋梁樁基前后5 m范圍靠樁基一側(cè)增設(shè)臨時(shí)橫撐；

(4) 加強(qiáng)開挖工法控制，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖施工，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺。

3 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬模型

本次數(shù)值模擬分析采用MIDAS GTS大型通用有限元軟件建立地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型[4]。模型中，錨桿采用全長(zhǎng)粘結(jié)式桿材料模擬，為植入式桁架單元；噴射混凝土及拱架采用全長(zhǎng)粘結(jié)式直梁材料模擬(其彈性模量取噴射混凝土彈性模量的1.2倍作為綜合模量進(jìn)行模擬計(jì)算)。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

本次模擬分析采用平面計(jì)算模型，模型左右水平計(jì)算范圍均取隧道跨度的3倍，垂直計(jì)算范圍向上取至自由地表，向下取隧道高度的3倍[5]，模型尺寸為160 m×90 m。

3.2 材料參數(shù)

根據(jù)幸福廣場(chǎng)站地質(zhì)勘察資料，本次模擬所采用的材料物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

考慮到模擬分析應(yīng)注重分析風(fēng)險(xiǎn)控制措施效果，因此分別建立有無風(fēng)險(xiǎn)控制措施兩種模型，重點(diǎn)分析風(fēng)險(xiǎn)控制措施前后地層應(yīng)力應(yīng)變及樁基變形情況，不同施工措施下圍巖地層應(yīng)力、隧道拱頂沉降[6]如圖3—圖5所示。

(a)采用控制措施前 (b)采取控制措施后 圖3 圍巖地層應(yīng)力

(a)采用控制措施前 (b)采取控制措施后 圖4 隧道拱頂沉降

(a)采用控制措施前 (b)采取控制措施后 圖5 隧道水平收斂

從圖3—圖5隧道變形圖可以看出，隧道開挖后，圍巖進(jìn)行了重分布，兩種方案下地層應(yīng)力均產(chǎn)生了一定變化，在常規(guī)施工方案下隧道開挖后最大主應(yīng)力為1487.12 kPa，按設(shè)計(jì)要求采用一定風(fēng)險(xiǎn)控制措施隧道開挖后最大主應(yīng)力為1487.31 kPa?？梢钥闯?，采取針對(duì)性的控制措施前后隧道最大主應(yīng)力基本保持不變，也就是說，隧道內(nèi)部采用一定控制措施對(duì)圍巖應(yīng)力在分布所起到的影響作用有限，基本可以忽略[7]。此外，常規(guī)施工方案下隧道開挖后拱頂沉降約為2.45 cm，水平收斂為3.91 cm，按設(shè)計(jì)要求采用一定風(fēng)險(xiǎn)控制措施后隧道拱頂沉降約為2.00 cm，水平收斂為2.82 cm，隧道拱頂沉降減小約20%，水平收斂減小約30%。從分析結(jié)果可以看出，針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制措施對(duì)控制隧道變形是非常有用的[8]。

從圖6樁基豎向變形圖可以看出，兩種施工方案下隧道開挖后對(duì)于樁基本身造成的沉降影響差別不大，樁基豎向位移值約為1.66～1.77 cm，因此看出，通過一定的隧道洞內(nèi)加固措施控制側(cè)穿橋梁樁基工況下樁基豎向變形效果不明顯[9]。相反，從圖6樁基水平變形圖來看，采用一定的洞內(nèi)加固措施后橋梁樁基水平位移減小約20%，這說明洞內(nèi)針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)控制方案對(duì)減小臨近橋梁樁基水平變形有明顯作用[10-11]。

(a)采取措施前水平位移 (b)采用措施后水平位移 (c)采用措施前豎向位移 (d)采用措施后豎向位移圖6 樁基變形

4 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測(cè)方案

為保證施工安全，分析車站隧道開挖對(duì)已建橋梁樁基影響，在車站施工現(xiàn)場(chǎng)選取典型斷面進(jìn)行了地表沉降、拱頂下沉、水平收斂及橋梁樁基下沉監(jiān)控測(cè)量[12]，監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面布置如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置斷面

4.2 變形監(jiān)測(cè)成果分析

截止2016年6月，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值詳見表3。從表中可以看出，隧道開挖后地表沉降累計(jì)最大值約為5.1 mm，遠(yuǎn)小于數(shù)值模擬結(jié)果；隧道開挖后拱頂沉降累計(jì)最大值為21.8 mm，水平收斂累計(jì)值為3.4 mm，均遠(yuǎn)小于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果；橋梁樁基沉降累計(jì)值為7.5 mm，小于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧道開挖后，隧道及臨近樁基各項(xiàng)變形指標(biāo)均在可控范圍內(nèi)，采取的針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)控制措施對(duì)橋梁樁基變形起到了保護(hù)作用。

表3 監(jiān)控量測(cè)成果匯總表

5 結(jié) 論

通過對(duì)重慶軌道交通五號(hào)線一期幸福廣場(chǎng)站施工風(fēng)險(xiǎn)控制方案的有限元數(shù)值模擬分析以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控測(cè)量數(shù)值分析，可得出如下結(jié)論：

(1)從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，超大斷面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖施工可行，洞內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)控制措施對(duì)圍巖應(yīng)力重分布影響有限。超大斷面隧道開挖采用針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制措施后拱頂沉降約為2.00 cm，減小約20%，水平收斂為2.82 cm，減小約30%。因此，建議針對(duì)超大斷面隧道開挖時(shí)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，兩側(cè)導(dǎo)坑根據(jù)施工操作空間等相關(guān)因素分臺(tái)階開挖，二襯施工建議采用先墻后拱的施工順序。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬分析，隧道開挖對(duì)臨近樁基造成了一定影響，但隧道洞內(nèi)采用一定控制措施對(duì)側(cè)穿樁基工況樁基豎向位移影響不大，但對(duì)于橋梁樁基水平位移可減小約20%。因此，在超大斷面隧道側(cè)穿橋梁樁基時(shí)，建議加長(zhǎng)靠近樁基一側(cè)錨桿長(zhǎng)度以及在靠近樁基一側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)增設(shè)臨時(shí)橫撐。另外，靠近樁基一側(cè)隧道導(dǎo)洞建議采用機(jī)械開挖，盡量減小隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，這樣可有效減小樁基水平位移。

(3)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采取一定控制措施進(jìn)行隧道開挖后，隧道及臨近橋梁樁基各項(xiàng)變形指標(biāo)均在可控范圍內(nèi)，相應(yīng)的控制措施對(duì)橋梁樁基變形起到了保護(hù)作用。

[1] 孫斌,陶連金,張印濤.島式地鐵車站施工對(duì)鄰近橋梁樁基的影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009,5(1):163-168.

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

[3] 陳林杰,梁波,王國(guó)喜.淺埋暗挖超大斷面地鐵車站隧道開挖方法研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013,9(4):928-933.

[4] 姜諳男,塔拉,李鵬.鄰近橋樁地鐵車站施工數(shù)值模擬及敏感性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(增刊2):1151-1154.

[5] 蘇潔,張頂立,周正宇,等.地鐵隧道穿越既有橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(增刊1):3188-3195.

[6] 何海健,項(xiàng)彥勇,劉維寧.地鐵施工引起鄰近橋梁樁基差異沉降的概率分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(增刊1):3257-3265.

[7] 何海健,項(xiàng)彥勇,劉維寧,等.地鐵車站隧道群施工對(duì)鄰近橋樁影響的數(shù)值分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006，30(4):54-59.

[8] 李強(qiáng),王明年,李德才,等.地鐵車站暗挖隧道施工對(duì)既有樁基的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(1)：184-190.

[9] 朱逢斌,楊平,ONG C W.盾構(gòu)隧道開挖對(duì)鄰近樁基影響數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008，30(2)：298-302.

[10] 李兆平,朱元生.鄰近橋樁暗挖地鐵車站施工方案及橋樁保護(hù)措施研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(增刊1):3132-3139.

[11] 張?jiān)栖?宰金珉,王旭東,等.隧道開挖對(duì)鄰近樁基影響的二維數(shù)值分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1(6):832-836.

[12] 楊永平,周順華,莊麗.軟土地區(qū)地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道近接樁基數(shù)值分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(4):561-565.

[責(zé)任編輯：李 莉]

Influence of large subway station construction on the excited bridge pier

SHI Zuo-jing

(T. Y. Lin International Engineering Consulting(China)Co.,Ltd,Chongqing 401121,China)

The Xinfu Square Station of the Fifth rail transit of Chongqing traverses across the bridge pier of Mount Huangshan interchange. The excavation of the station has great influence on the pile foundation of the existing bridge. With the help of the large-scale finite element software MIDAS GTS 2.6,we have simulated the two kinds of risk control measures. Simulation results show that the settlement of arch is 2.00 cm,which is reduced by about 20%,and the horizontal convergence is 2.82 cm,which is reduced by about 30%. At the same time,the field monitoring results show that after the tunnel excavation,the deformation indexes of the tunnel and the adjacent bridge piles are within the controllable range. All these results show that the design scheme presented in this paper is safe and feasible,and it can be used as a reference for similar projects.

track; subway station; bridge pier; deformation

2096-3998(2017)03-0047-06

2016-11-28

2017-01-03

史作璟(1982—)，男，山西省祁縣人，林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司工程師,碩士，主要研究方向?yàn)榈叵鹿こ膛c城市地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

U231+.4

A