橋梁施工對其下明挖地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全性影響分析及對策

龔清華

摘 要： 近年來，我國的交通行業(yè)有了很大進(jìn)展，橋梁工程建設(shè)越來越多。本文討論在隧道結(jié)構(gòu)周圍近距離施工樁基及橋臺的情況，以某工程以橋梁形式上跨軌道交通5號線工程為例，采用MidasGTSNX有限元分析計算軟件，對明挖地鐵隧道結(jié)構(gòu)在上跨橋梁及其樁基施工過程中的內(nèi)力、變形等進(jìn)行了模擬分析。分析表明，隧道上方橋梁施工會使隧道結(jié)構(gòu)豎向發(fā)生沉降、橫向發(fā)生收斂、結(jié)構(gòu)整體發(fā)生扭曲，但本工程橋梁施工對隧道結(jié)構(gòu)的影響在安全范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞： 橋梁樁基;近接施工;下伏隧道;內(nèi)力;變形

【中圖分類號】TV551 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.055

引言：近年來，隨著城市的高速發(fā)展，城市建設(shè)中高等級公路、地鐵隧道以及橋梁等工程規(guī)模得到空前擴(kuò)展，由于城市用地存在較大局限性，不可避免會出現(xiàn)橋隧相交問題。橋梁樁基礎(chǔ)施工過程會對既有隧道、建筑樁基以及施工區(qū)域周邊土體的變形產(chǎn)生影響，若施工前對樁基施工的影響研究不足，極易給橋梁與隧道工程留下安全隱患。因此深入研究樁基礎(chǔ)施工對橋隧相交工程的安全性具有重要意義。

1 明挖法施工技術(shù)要求及特點(diǎn)

整體來看，城市地鐵隧道施工是規(guī)模較大、工期漫長、工序復(fù)雜且干擾因素多等多方面因素影響的施工，而且對于不同的城市地下段落，其地鐵隧道施工開挖的方法也會存在很大的差異。明挖法具有工程進(jìn)展迅速、施工過程簡易、對施工操作面要求較低、經(jīng)濟(jì)投入低等特點(diǎn)，能夠保證工程質(zhì)量進(jìn)展順利。所以，在客觀條件允許的情況下，明挖法為首選。由于該方法施工過程簡易、操作簡便、可同時安排較多工人與工程機(jī)械同時施工，不僅提高了施工效率，節(jié)約投資，還壓縮了工期，且有利于保證施工質(zhì)量和安全。

2 工程概況

某工程位于軌道交通5號線某車站上跨。設(shè)計方案在機(jī)動車道與聯(lián)絡(luò)線交叉口重合路段（含敞口段和暗埋段）均采用橋梁形式跨過。橋梁橫斷面全寬52.46m，設(shè)計為四幅橋，一幅橋?qū)?3.1m，每兩幅橋之間留2cm的縫隙.橋梁上部結(jié)構(gòu)為單跨12m的T梁，下部結(jié)構(gòu)均采用樁柱式橋臺，樁基采用直徑為1.2m的鉆孔灌注樁。既有軌道交通5號線國鐵聯(lián)絡(luò)通道由敞口段與暗埋段組成，橋梁上跨范圍內(nèi)，敞口段U型槽頂標(biāo)高為22.5m，U型槽底板標(biāo)高約為16.6～15.7m，暗埋段隧道頂板標(biāo)高約為21.95～21.0m，暗埋段隧道底板標(biāo)高約為15.7～14.8m。軌道交通5號線及聯(lián)絡(luò)通道為已運(yùn)營線路。

3 有限元模型

3.1 控制標(biāo)準(zhǔn)

任何的基坑開挖都必然會引起基坑周邊地層發(fā)生不均勻的沉降變形，周邊建筑結(jié)構(gòu)就會發(fā)生很大的反應(yīng)，特別是對于市政工程的影響最大，例如造成市政管網(wǎng)的破壞。結(jié)合鐵路沉降觀測技術(shù)規(guī)程以及鐵路線路維修管理標(biāo)準(zhǔn)中對橋梁變形限值的要求，并參考浙江省《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程（DB33/T1139—2017）》《鐵路沉降變形觀測及評估技術(shù)規(guī)程（Q/CR9230—2016）》《鐵路線路修理規(guī)則（鐵運(yùn)[2006]146）》等規(guī)范對橋梁結(jié)構(gòu)變形要求，綜合分析并考慮監(jiān)控量測技術(shù)措施，采用橋墩頂位移值和墩身傾斜率作為廣化南路施工對鐵路橋梁的安全控制指標(biāo)。

3.2 基本假定

巖土的構(gòu)成非常復(fù)雜，完全真實(shí)地模擬巖土材料的剛度特性非常困難，需要在適當(dāng)簡化分析模型。根據(jù)本工程的實(shí)際情況和特點(diǎn)，將土層簡化為水平層狀分布的連續(xù)材料。巖土體采用庫倫摩爾彈塑性模型，采用實(shí)體單元模擬土體。承臺、樁與橋梁板采用實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，隧道結(jié)構(gòu)、泵房結(jié)構(gòu)、泵房管道采用板單元模型。在初始應(yīng)力場模擬時不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力的影響。

3.3 三維數(shù)值分析

基坑開挖時，通過地層應(yīng)力釋放與土層變形對周邊土層產(chǎn)生影響，因此基坑開挖的關(guān)鍵是分析其對周邊建筑物的環(huán)境影響。基坑開挖要對基坑的開挖方案與支護(hù)措施進(jìn)行設(shè)計，并制訂基坑的開挖工序與合理的有效措施，確?；娱_挖和基礎(chǔ)施工順利、安全、可靠地實(shí)施。另外，基坑開挖的過程中，也要加強(qiáng)對周邊建筑物的沉降變形觀測，充分考慮基坑開挖對建筑物的影響，防止因基坑開挖導(dǎo)致周邊建筑物發(fā)生過大變形或不均勻沉降，從而導(dǎo)致建筑物開裂甚至倒塌，對于特大橋而言，如果沉降過大，相鄰兩橋墩沉降差過大，則可能影響城市域鐵路的行車舒適度、耐久性，更嚴(yán)重者可能發(fā)生安全事故。因此，控制基坑開挖對周邊建筑物的影響是避免周邊建筑物或構(gòu)筑物變形過大從而造成安全隱患。

3.4 對既有軌道交通5號線聯(lián)絡(luò)線隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，橋梁樁基開挖完畢后，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力達(dá)到最大值。數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示，強(qiáng)度配筋情況下，最大正彎矩333.37kN·m，對應(yīng)軸力-45.14kN;最大負(fù)彎矩-298.23kN·m，對應(yīng)軸力-140.17kN。隧道結(jié)構(gòu)的配筋方案為：環(huán)向25@150，經(jīng)驗(yàn)算，配筋足夠。計算結(jié)構(gòu)裂縫寬度可得，背水側(cè)結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度0.085mm，小于0.3mm;迎水側(cè)結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度0.167mm，小于0.2mm。

3.5 地表沉降的影響

以東西隧道中心線為基準(zhǔn)，樁基礎(chǔ)施工范圍為40m，分別針對不同施工階段地表沉降變化情況進(jìn)行對比分析。隨著樁基礎(chǔ)開挖深度的增大，地表施工區(qū)域沉降值呈不斷增大趨勢變化，其中靠近樁基礎(chǔ)施工區(qū)域地表沉降值較大。當(dāng)樁基礎(chǔ)開挖至6m時，施工區(qū)域地表沉降出現(xiàn)較大幅度的增大，最大達(dá)到-7.5mm，相對于未開挖時增大了約-6.6mm，樁基礎(chǔ)開挖至12m時，地表沉降值再次出現(xiàn)增長，最大值為-9.8mm，相對于開挖至6m時增長了約-2.3mm，當(dāng)樁基礎(chǔ)開挖深度超過12m后，地表沉降值不再隨開挖深度而變化，說明樁基礎(chǔ)開挖對施工區(qū)域地表沉降具有一定影響，但樁基礎(chǔ)開挖達(dá)到一定深度后，地表沉降將不再受開挖深度的影響。

4 結(jié)論與建議

本文根據(jù)相關(guān)設(shè)計文件、施工文件以及橋梁與軌道交通5號線聯(lián)絡(luò)通道的相對位置關(guān)系，建立了三維計算模型，通過模擬樁基施工及施作橋臺、橋面的全過程，分析了橋梁施工過程中對既有軌道交通5號線聯(lián)絡(luò)通道的影響。取得如下結(jié)論：（1）隧道上方橋梁施工會使隧道結(jié)構(gòu)在原有變形的基礎(chǔ)上繼續(xù)豎向發(fā)生沉降、橫向發(fā)生收斂、結(jié)構(gòu)整體發(fā)生扭曲;（2）隧道結(jié)構(gòu)由于橋梁施工產(chǎn)生的縱向位移最大值為0.08mm，橫向收斂最大值2.22mm，豎向最大下沉量5.80mm，均小于限值10mm，滿足要求;（3）強(qiáng)度配筋情況下，最大正彎矩333.37kN·m，對應(yīng)軸力-45.14kN;最大負(fù)彎矩-298.23kN·m，對應(yīng)軸力-140.17kN，結(jié)構(gòu)配筋足夠;背水側(cè)結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度0.085mm，小于0.3mm;迎水側(cè)結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度0.167mm，小于0.2mm。計算結(jié)果表明，在本文采用的計算參數(shù)及施工步驟條件下，上跨軌道交通5號線聯(lián)絡(luò)通道橋梁施工的全過程中，既有軌道交通5號線結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范規(guī)定的要求。在橋梁施工過程中，建議采取以下措施以進(jìn)一步保證施工安全：（1）樁基施工過程中應(yīng)做好泥漿護(hù)壁，避免產(chǎn)生塌孔，引起隧道結(jié)構(gòu)受力不均;（2）樁基應(yīng)間隔施工，充分利用樁間土體的抗力平衡隧道結(jié)構(gòu)受力;（3）施工過程中應(yīng)控制施工荷載，避免在隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)產(chǎn)生過大超載。

結(jié)語：綜上所述，在地鐵隧道明挖法施工中，基坑開挖引起的周圍環(huán)境的變化和施工的穩(wěn)定性，隨著基坑深度加大而變得更為顯著，而基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置及施工，才能有效保證其基坑的穩(wěn)定性，進(jìn)而確保周圍建筑物的安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 高大峰，趙俊逸，龔大能等.樁基礎(chǔ)荷載對近接隧道影響的數(shù)值分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2019（5）：39-46.

[2] 劉鵬，李祥祥，李劍鋒等.臨地鐵結(jié)構(gòu)物樁基施工技術(shù)研究[J].公路，2019（12）：89-95.

[3] 舒波.關(guān)于地鐵保護(hù)區(qū)近距離樁基施工技術(shù)的探討[J].施工技術(shù)，2019，（48）：104-107.

[4] 高大峰，趙俊逸，龔大能等.樁基礎(chǔ)荷載對近接隧道影響的數(shù)值分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2019（5）：39-46.

[5] 楊敏，靳軍偉.樁基礎(chǔ)與既有地鐵隧道相互影響的研究進(jìn)展[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報（8期）：90-100.

[6] 邢凱，周中，張彬然.新建樁基礎(chǔ)對既有隧道影響的三維變形分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2017（10）：144-150.

[7] 路平，鄭剛.立交橋樁基礎(chǔ)施工及運(yùn)營期對既有隧道影響的研究[J].巖土工程學(xué)報，2013，35（S2）：923-927.

[8] 關(guān)莎莎.新建道路開挖對鄰近高鐵橋梁施工及運(yùn)營的影響分析[J].中外建筑，2019（5）：244-246.