臨地鐵車站的高架橋梁樁基施工時(shí)序研究

聶雄，劉博

（1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510000；2.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300000）

1 引言

近年來，伴隨著城市地下空間的開發(fā)利用與地上高架橋交通路網(wǎng)的不斷延伸完善，新建高架橋梁樁基臨近已運(yùn)營地鐵的工程日益增加。臨近地鐵的橋梁樁基施工勢必會(huì)引起土體擾動(dòng)和變形，導(dǎo)致臨近地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力，對地鐵結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成了極大威脅[1]。

丁智、張霄等[2]闡明了橋樁與地鐵隧道的相互近接施工影響及控制保護(hù)技術(shù)的研究，總結(jié)分析涉及的關(guān)鍵問題，探討了橋樁與地鐵隧道近接施工的影響區(qū)域劃分和風(fēng)險(xiǎn)分級標(biāo)準(zhǔn)的建立。

丁智、何奇威等[3]通過橋樁施工過程中對周圍深層土體水平位移、孔壓、隧道結(jié)構(gòu)水平位移和沉降進(jìn)行監(jiān)測，研究分析了高架橋樁施工對臨近地鐵隧道變形的影響。

丁智、張霄等[4]依托杭州某橋梁試樁臨近地鐵隧道建設(shè)工程，建立橋樁鋼套管施工簡化力學(xué)模型，提出考慮套管分節(jié)施工特點(diǎn)與擠土效應(yīng)影響的全套管灌注樁施工附加力的修正計(jì)算公式。同時(shí)，基于Mindlin應(yīng)力解和兩階段分析法，求解橋樁施工引起的既有隧道附加應(yīng)力與縱向豎向變形，并進(jìn)一步分析橋樁施工全過程的動(dòng)態(tài)影響規(guī)律。

綜上所述，現(xiàn)階段針對橋梁樁基施工對臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)開展了豐富的研究。為了研究橋梁樁基不同施工時(shí)序?qū)Φ罔F結(jié)構(gòu)的影響，以臨近長沙地鐵已運(yùn)營1號線車站的高架橋梁工程為背景，運(yùn)用有限差法分析研究高架橋梁樁基不同施工時(shí)序下，地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形及受力特性。

2 工程概況

2.1 工程環(huán)境

長沙市軌道交通1號線涂家沖站位于芙蓉中路與新建西路交口處，沿芙蓉中路南北呈一字形布置。涂家沖站為地下2層，局部3層的島式車站，車站為2層兩跨和3層兩跨箱形結(jié)構(gòu)，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為18.9 m，盾構(gòu)井段寬度為22.8 m。車站總長為175.5 m，車站2層結(jié)構(gòu)底板深度約為19.5～22.5 m，車站3層結(jié)構(gòu)底板深度約為22.5～23.5 m，頂板覆土約2.5～4.5 m；車站頂板厚0.8 m，局部0.9 m，中板厚0.4 m，底板厚1.0 m，側(cè)墻厚0.8 m。

新建西路（涂金路—芙蓉南路）建設(shè)項(xiàng)目在新建西路與芙蓉路交叉路口處采用高架橋的形式東西向跨越芙蓉路，高架橋主跨為50 m，坐落于3#墩與4#墩之上，橋墩采用雙柱花瓶墩+樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用直徑1.8 m樁基礎(chǔ)，樁基采用嵌巖樁，樁長30 m。其中，4#墩距車站主體結(jié)構(gòu)平面距離最近，為9.55 m，3#墩距車站主體結(jié)構(gòu)平面距離為17.36 m。

2.2 工程及水文地質(zhì)

依托工程場地范圍內(nèi)地層自上而下依次為雜填土層、圓礫層、粗礫、卵石、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。橋梁樁基嵌入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，受力類型為摩擦端承樁，樁端持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

場地范圍地下水類型可分為上層滯水、孔隙水及基巖裂隙水。場地內(nèi)水文地質(zhì)條件簡單，為賦存于素填土層的上層滯水，為弱透水層，水量小，局部分布，不連續(xù)。潛水穩(wěn)定水位埋深5.80～7.89 m，補(bǔ)給來源為大氣降水及人工排水。水位變化幅度約為2～4 m。

3 施工時(shí)序研究

高架橋梁施工前，1號線涂家沖站已處于運(yùn)營狀態(tài)，考慮到樁基礎(chǔ)較大，其成樁開挖卸載和樁基礎(chǔ)回筑乃至上部荷載傳遞至樁基礎(chǔ)必然會(huì)引起周邊地層的變形，甚至可能會(huì)對地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。為了確保施工安全，保障施工順利完成，研究高架橋墩不同施工時(shí)序?qū)Φ罔F車站造成的影響是十分有必要的。

根據(jù)橋梁樁基與地鐵的相對關(guān)系，設(shè)置3種施工時(shí)序，分別模擬不同施工時(shí)序下的車站內(nèi)力、變形情況。3種施工時(shí)序分別為：

1）先施工3#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基，再施工4#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基。

2）先施工4#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基，再施工3#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基。

3）同時(shí)施工3#、4#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型的建立

根據(jù)高架橋梁與臨近地鐵車站的平面與空間關(guān)系，采用FLAC-3D建立有限差模型。模型主要分析橋梁3#、4#橋墩施工對1號線涂家沖站的影響，考慮邊界條件的影響及簡化計(jì)算，模型大小為80 m×36 m×40 m。數(shù)值分析模型共由36 040個(gè)zones和39 690個(gè)grid-points組成。模型中選取了6個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)對橋樁開挖過程中結(jié)構(gòu)的位移值進(jìn)行了記錄追蹤。

采用FLAC-3D三維數(shù)值計(jì)算軟件動(dòng)態(tài)模擬整個(gè)施工過程，對計(jì)算模型做如下說明：

1）土體采用實(shí)體單元模擬，土體的本構(gòu)模型類型采用摩爾-庫倫模型，土層物理力學(xué)指標(biāo)詳見表1。

表1 土層基本物理力學(xué)指標(biāo)

2）樁、墻、柱等混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性模型模擬，為了方便建模，柱結(jié)構(gòu)采用等剛度換算等效為墻。

3）模型邊界條件：模型底部約束Z方向位移，模型前后約束Y方向位移，模型左右約束X方向位移。

4.2 施工工況模擬

根據(jù)高架橋樁不同施工時(shí)序分3種工況模擬，每種工況的施工步驟詳見表2。

表2 模擬施工步驟

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過FLAC-3D數(shù)值模擬計(jì)算，得出在不同施工時(shí)序的高架橋梁樁基施工下，地鐵車站的位移云圖和應(yīng)力云圖。施工時(shí)序3位移云圖如圖1所示。

圖1 施工時(shí)序3位移云圖

結(jié)合變形云圖可知：隨著高架橋梁樁基的施工，車站的變形呈增大的趨勢，但變形值有限。其次，3種施工時(shí)序下，時(shí)序3，即地鐵車站兩側(cè)高架橋樁同時(shí)施工對車站的變形影響最小。

施工時(shí)序3應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 施工時(shí)序3應(yīng)力云圖

結(jié)合圖2可知：隨著高架橋梁樁基的施工，車站的應(yīng)力呈增大的趨勢，但應(yīng)力值有限。其次，3種施工時(shí)序下，時(shí)序3，即地鐵車站兩側(cè)高架橋樁同時(shí)施工對車站的應(yīng)力影響最小。

經(jīng)分析，其他2種施工時(shí)序因?qū)Φ貙佣啻螖_動(dòng)，對地鐵車站的影響相對較時(shí)序3而言較大。

5 結(jié)語

本文基于有限差數(shù)值模擬臨地鐵車站的高架橋梁樁基的施工時(shí)序研究，主要結(jié)論如下：

1）隨著橋樁開挖深度的加深，車站結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移都呈現(xiàn)增大的趨勢，水平位移在開挖至樁底時(shí)，達(dá)到最大值，成樁后逐步減小，上部結(jié)構(gòu)施工完成后亦不會(huì)完全恢復(fù)；豎向位移在上部結(jié)構(gòu)完成后有所減小。

2）通過模擬車站兩側(cè)3#、4#橋墩3種不同開挖工序?qū)Φ罔F結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)值計(jì)算結(jié)構(gòu)顯示不同開挖工序?qū)Φ罔F結(jié)構(gòu)以及道床均有一定的影響，其中，施工時(shí)序3（地鐵車站兩側(cè)高架橋樁同時(shí)施工）影響相對較小。