地鐵施工對臨近橋體變形影響分析

解超　史緒鑫

摘要 地鐵是關(guān)系國計民生的工程，對緩解城市交通起到了至關(guān)重要的作用。由于地鐵隧道開挖施工對基礎(chǔ)地基的破壞和施工振動的影響，會對地上結(jié)構(gòu)，特別是有一定高度的立體橋體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。文章結(jié)合具體工程實例，通過建立實體單元模型對臨近立交橋橋體的變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析，指出了地鐵施工對立交橋穩(wěn)定性影響。并基于分析結(jié)果，給出了相應(yīng)的工程風(fēng)險控制方案，該方案可以為類似地鐵隧道工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞 地鐵;礦山法;立交橋;變形分析

中圖分類號 U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0108-03

引言

地鐵工程是大中型城市居民出行的載體，也是帶動城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的紐帶[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地鐵的開挖方式已經(jīng)由最初的明挖回填施工方案轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ匦纹茐母〉牡V山法或者盾構(gòu)法施工支護(hù)方案[2]。雖然地鐵深度距離地表有一定安全距離，考慮到開挖施工對土體基礎(chǔ)完整性的破壞以及施工過程中的振動影響，地鐵施工依然會對地表上部建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和變形構(gòu)成影響[3]。因此在地鐵施工過程中，需要對臨近建筑物的變形影響進(jìn)行分析，以保證地鐵周邊建筑物的安全。

1 地鐵開挖對周邊建筑物影響

地鐵開挖對地表結(jié)構(gòu)影響主要在兩個方面：一個是影響地基的完整性，引起上層土體沉降。開挖施工在地基深處開挖形成空洞會使周圍土體缺乏支撐而下降，造成地表結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降，產(chǎn)生裂縫和應(yīng)力。第二個是開挖施工過程中會使用輕微爆破，加之機械施工均會對土層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動影響，造成土體結(jié)構(gòu)重塑，進(jìn)而影響地表建筑物結(jié)構(gòu)整體性能。

大量學(xué)者和研究機構(gòu)利用數(shù)值模擬或位移監(jiān)測手段對地鐵施工對周圍建筑物的影響進(jìn)行了研究[4-6]，并提出了相應(yīng)的防治措施。結(jié)果表明地鐵在修筑過程中會造成上部結(jié)構(gòu)物變形，促使沉降增加。施工過程中，需要對其影響程度進(jìn)行風(fēng)險分析，以便確定是否需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。在被影響的建筑物中，具有一定高度的結(jié)構(gòu)物相對于低矮建筑物更容易失穩(wěn)變形，該類建筑物是監(jiān)測和校核的重點。該文以實際地鐵工程作為研究對象，對地鐵施工對臨近立交橋變形影響進(jìn)行分析，并依照數(shù)值模擬結(jié)果給出相應(yīng)的保護(hù)措施[7]?？梢詾轭愃乒こ讨械罔F對橋體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響提供理論依據(jù)以及保護(hù)措施參考。

2 工程概況

某地鐵站位于青島市市南區(qū)兩條主干道交叉口，沿山東路南北向敷設(shè)，車站在此處與5號線換乘。車站周邊主要為住宅小區(qū)、商業(yè)地塊及澳柯瑪立交橋。車站主體下穿澳柯瑪立交橋，西側(cè)為康嘉景園小區(qū)、廣發(fā)金融大廈，東側(cè)為博思公寓。站址地形起伏不大。

其中澳柯瑪立交橋為該文研究對象，該橋為東西快速路膠寧高架上一座重要的立交橋，位于地鐵站路口。車站主體大里程端臨近立交橋，該處立交橋為樁基（埋深約10～12 m），8號線主體拱部距離樁基豎向距離約8.4 m，水平距離僅約2 m;5號線主體平行側(cè)穿橋樁，與樁底豎向距離約2.9 m，水平距離約15 m。此外，2號風(fēng)道距離橋樁水平距離僅為約8 m;C1、C2出入口正、側(cè)穿橋樁。由于車站主體開挖跨度較大，風(fēng)道開挖深度達(dá)39 m;5、8號線車站區(qū)間+換乘通道正穿澳柯瑪立交橋，距廳廳換乘通道豎向距離約為6 m，水平距離約3.5 m;該處圍巖破碎，車站結(jié)構(gòu)的施工對橋樁影響很大，考慮到澳柯瑪立交橋的重要交通作用，將其定為Ⅱ級風(fēng)險源。

3 工程地質(zhì)

該站場地地貌單元屬于剝蝕斜坡～剝蝕堆積地貌，地形較為起伏，呈現(xiàn)北低南高的特點。隧道穿越地層主要為強風(fēng)化粗?；◢弾r、中等～微風(fēng)化粗?；◢弾r，穿插后期侵入的煌斑巖（）、中細(xì)粒花崗巖[]、花崗斑巖巖脈[]，并揭露相應(yīng)構(gòu)造巖。場區(qū)地下水以孔隙潛水及裂隙水為主，主要賦存于第四系及基巖中。水位埋深較淺，地下水富水性貧。地表普遍分布第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml），巖性為素填土及雜填土，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，密實程度差。第四系上更新統(tǒng)洪沖積層（Q3al+pl）主要為第層粉質(zhì)黏土及第層粗礫砂層，強度較高，壓縮性中等～低。

基巖整體強度高，工程性質(zhì)及抗震性能良好，是良好的持力層，但由于受構(gòu)造的影響，局部地段形成相對不均勻的巖石地基。場區(qū)巖體根據(jù)其不同的工程性狀及質(zhì)量狀態(tài)可分為散體狀、碎裂塊狀、塊狀～整體塊狀三種結(jié)構(gòu)巖體。該車站通過地層以微風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖節(jié)理發(fā)育帶為主，局部穿插細(xì)粒花崗巖、煌斑巖巖脈。受穿插多條巖脈影響，巖體較破碎～破碎，拱頂和洞身容易掉塊，綜合分析該區(qū)間圍巖級別Ⅳ1～Ⅳ2級為主，隧道圍巖穩(wěn)定性差，拱頂及側(cè)壁支護(hù)不及時時可發(fā)生小坍塌，施工中進(jìn)行了相應(yīng)支護(hù)工程。

4 立交橋變形數(shù)值模擬分析

根據(jù)地質(zhì)勘探提供的車站暗挖隧道所處地層圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，采用地層結(jié)構(gòu)法分析地鐵施工對既有橋梁的影響。填土及強風(fēng)化采用摩爾庫倫模型，中微風(fēng)化巖層的本構(gòu)模型采用D-P模型，以考慮圍巖的非線性變形。結(jié)構(gòu)采用實體單元模擬，材料為彈性材料，考慮邊界效應(yīng)及模型簡化，采用將三層段適當(dāng)延長，有限元模型如圖1所示。

采用礦山法進(jìn)行開挖施工，由附近綠地設(shè)置施工豎井，經(jīng)由橫通道進(jìn)入地鐵主體施工。先完成拱部開挖，然后施工拱蓋二襯，再進(jìn)行下部圍巖開挖。施工方法為臺階法、CD法施工。水平位移云圖如圖2所示。根據(jù)計算結(jié)果可以看出，澳柯瑪橋的水平方向變形主要受地鐵主體施工的影響，且受影響的主要為行人橋部分，沿橋橫向的最大水平位移為3.5 mm，風(fēng)險可控且不會影響后續(xù)使用。換乘節(jié)點施工地鐵主體時，應(yīng)密切監(jiān)控橋基（特別是人行橋）變形，以策安全。

豎向位移云圖如圖3所示。由圖中可以看出澳柯瑪橋豎向變形受區(qū)間隧道和地鐵站主體施工影響均較為明顯，主橋和人行橋的基礎(chǔ)及橋身的豎向最大變形可達(dá)到2.7 mm，結(jié)構(gòu)受影響較大;其中區(qū)間開始下穿施工、主體側(cè)穿施工時應(yīng)特別加密監(jiān)測，并適時采取補償注漿措施保證橋變形穩(wěn)定。

不同方向的主應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。新建工程的施工導(dǎo)致橋身和橋樁分別在Y、Z方向產(chǎn)生較大的附加主應(yīng)力，分別達(dá)到2.3 MPa和7.1 MPa，而由于既有橋梁在過往不均勻變形、溫度等因素已經(jīng)產(chǎn)生一定的應(yīng)力應(yīng)變，因此施工之前應(yīng)對橋梁進(jìn)行全面的應(yīng)力應(yīng)變初測，結(jié)合模擬預(yù)測的附加影響對橋梁進(jìn)一步進(jìn)行安全性評價，必要時應(yīng)采取有效措施釋放既有應(yīng)力及控制附加不均勻變形，保證既有結(jié)構(gòu)安全。

5 風(fēng)險控制措施

結(jié)合安全性施工數(shù)值模擬分析以及類似工程經(jīng)驗，為充分保證地鐵工程施工的安全并減緩對立交橋的影響，決定采用以下風(fēng)險控制措施：

（1）地鐵主體施工應(yīng)該壓低埋深，保證主體工程均位于中微風(fēng)化地層中，并且均采用拱蓋法施工，初期支護(hù)采用350 mm掛網(wǎng)噴射混凝土+格柵鋼架+4 m超前小導(dǎo)管，保證巖石的完整堅固，減小橋樁附加變形。

（2）施工期間應(yīng)嚴(yán)格按“短進(jìn)尺、弱爆破、早封閉、勤量測”的原則進(jìn)行施作，以確保施工安全。應(yīng)注意對拱腳巖石進(jìn)行保護(hù)，控制爆破強度，必要時采取機械開挖或靜態(tài)爆破，最大限度保護(hù)圍巖。

（3）同時做好超前地質(zhì)預(yù)報，加強監(jiān)控量測，并根據(jù)量測反饋信息調(diào)整該參數(shù)，必要時輔以洞內(nèi)袖閥管補償注漿等措施。

（4）在穿越立交橋下部過程中，對立交橋梁墩臺、梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包括橋梁墩臺的沉降及傾斜、梁板結(jié)構(gòu)的沉降及差異沉降、裂縫。同時在立交橋兩側(cè)橋樁布置測點，測量橋樁水平位移、豎向位移、傾斜和裂縫等指標(biāo)。

（5）澳柯瑪立交橋為東西快速路，交通流量大，施工車站時的爆破震動和開挖變形可能引起橋樁變形，造成橋身開裂，造成重大風(fēng)險，進(jìn)行該項施工時需密切關(guān)注橋體監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，并制定突發(fā)情況處理方案。

6 結(jié)語

地鐵工程作為大城市交通運輸?shù)闹饕O(shè)施，在地下進(jìn)行礦山法施工時會橫穿橋體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。該文基于有限元方法對地鐵臨近立交橋進(jìn)行建模，并分析其在地鐵施工過程中變形和應(yīng)力變化及其極值?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

（1）實例中地鐵施工主要影響立交橋結(jié)構(gòu)水平位移和豎向應(yīng)力，分別達(dá)到3.5 mm和7.1 MPa。

（2）為減弱地鐵施工對地表橋體變形影響，可增強施工周圍巖土強度，盡量減輕施工對周圍土體影響，并結(jié)合實時監(jiān)測的施工方案。

參考文獻(xiàn)

[1]孫飛祥， 張兵， 彭正勇， 等. 廈門地鐵3號線盾構(gòu)法與礦山法海下對接施工風(fēng)險分析及應(yīng)對措施[J]. 施工技術(shù)， 2020（1）： 67-71.

[2]沈亞威. 礦山法地鐵隧道下穿既有鐵路路基影響研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通， 2019（7）： 67-71.

[3]陳寶軍. 岳榮區(qū)間地鐵隧道施工誘發(fā)的圍巖及地表變形規(guī)律研究[D]. 西安：西安科技大學(xué)， 2018.

[4]姚紅方. 地鐵隧道礦山法施工安全風(fēng)險管理研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)， 2016.

[5]崔鐵軍， 馬云東. 礦山法雙線地鐵施工仿真及地表沉降數(shù)值分析[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2014（3）： 54-60.

[6]鐘威， 陳建平， 孫金山. 武漢地鐵2號線礦山法施工區(qū)間隧道風(fēng)險分析及其控制[J]. 安全與環(huán)境工程， 2012（1）： 103-107+111.

[7]聶楠. 北京地鐵礦山法隧道結(jié)構(gòu)可靠度計算方法研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)， 2008.

收稿日期：2022-01-27

作者簡介：解超（1989—），男，本科，中級工程師，研究方向：地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計。