新建跨河橋梁對鄰近既有地鐵隧道的影響分析

劉成 曹泉水 鄭磊

新建跨河橋梁具有鄰近既有地鐵隧道、橋梁走向與隧道走向基本同向、橋梁和隧道平面位置基本重疊、隧道上置抗浮蓋板、橋梁縱向跨越抗浮蓋板。結(jié)合貴陽市擬建金鐘河橋鄰近跨越軌道交通2號線項目，通過有限元軟件建模分析擬建橋梁在不同施工階段對既有地鐵隧道、地表土層、抗浮蓋板的變形影響，并分析其對隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，結(jié)果證明擬建橋梁對地鐵隧道等產(chǎn)生變形效應(yīng)，也影響隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但都在安全可控范圍內(nèi)，設(shè)計符合控制要求。最后，結(jié)合工程實(shí)際給出保持樁基與隧道最小間距、加強(qiáng)專項施工方案設(shè)計、加強(qiáng)施工過程監(jiān)控等具體施工建議。

橋梁; 鄰近地鐵; 隧道; 變形; 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

U452.2+6 A

［定稿日期］2021-12-27

［基金項目］西南交通大學(xué)希望學(xué)院青年科研項目（項目編號：2018016），住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃項目（項目編號：2018-R2-005）

［作者簡介］劉成（1988—），男，碩士，講師，工程師，研究方向為橋隧設(shè)計及施工管理。

在既有地鐵一定范圍內(nèi)新建橋梁，橋梁基礎(chǔ)開挖、上部結(jié)構(gòu)施工、后期橋梁運(yùn)營等因素勢必會對隧道周圍土體產(chǎn)生擾動，豎向荷載增加導(dǎo)致隧道圍巖應(yīng)力分布產(chǎn)生變化，引起隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布，從而產(chǎn)生隧道整體豎向和水平向位移等位移效應(yīng)。如果應(yīng)力分布嚴(yán)重不均、位移較大，會有隧道開裂、漏水、軌道線路不平順等附加問題出現(xiàn)，對隧道結(jié)構(gòu)的正常使用和使用壽命都造成不可逆轉(zhuǎn)的危害，嚴(yán)重者會對地鐵的日常運(yùn)行造成影響，因此在鄰近既有地鐵隧道范圍內(nèi)新建橋梁，應(yīng)重點(diǎn)分析新建橋梁對既有地鐵隧道的影響。

國內(nèi)地鐵隧道下穿既有橋梁的項目較多［1-3］，新建地鐵對既有橋梁的影響研究和應(yīng)急技術(shù)保障方案的研究也有一定的基礎(chǔ)，對于新建跨河橋梁鄰近既有地鐵隧道、橋梁走向與隧道走向基本同向、橋梁和隧道平面位置基本重疊、隧道上置抗浮蓋板、橋梁縱向跨越抗浮蓋板的項目較少，這方面的研究也較少［4-12］，本文將結(jié)合此類項目進(jìn)行分析研究。

1 項目概況

貴陽市云巖區(qū)三馬片區(qū)工礦棚戶區(qū)及城市棚戶區(qū)改造項目4號道路金鐘河橋位于馬王街與金鐘河交匯處上游，金鐘河橋設(shè)計方案為單跨簡支鋼箱梁橋，橋梁樁基設(shè)在金鴨村站—馬王廟站區(qū)間隧道兩側(cè)。隧道為馬蹄形斷面，左右線間距為12 m，隧道二襯外輪廓寬為6.2 m，樁基距離隧道二襯外輪廓最近距離為3.6 m。區(qū)間隧道采用礦山法施工，復(fù)合式襯砌斷面，河道范圍區(qū)間埋深為1.55～2.5 m；河道范圍隧道上方設(shè)置抗浮蓋板。

新建橋梁與既有地鐵相互位置關(guān)系如圖1～圖5所示。

樁基直徑2.5 m，樁長20 m，樁頂與蓋梁固結(jié)，蓋梁尺寸2.5 m×4 m，每片蓋梁頂部承受支座反力為5 000 kN×6。樁基為嵌巖樁，樁底伸入軌道隧道底標(biāo)高3 m以下并且滿足嵌巖深度為5 m。嵌巖僅考慮樁基最下端5 m，其他段落須采用護(hù)壁結(jié)構(gòu)，將樁基和周邊巖石隔離開，確保樁基對周邊巖石無摩擦力，保障隧道周邊的巖石受力形式不變。為了減少對軌道交通2號線的擾動，樁基采用人工挖孔樁，優(yōu)先采用水磨鉆施工。

蓋梁采用滿堂支架施工，臨時支撐傳遞給地基的豎向均布荷載控制值為130 kN/m2（含施工期間的上部荷載）。鋼箱梁縱向按14 m一節(jié)進(jìn)行節(jié)段劃分，單根梁共分5個節(jié)段進(jìn)行吊裝施工。全橋鋼箱梁采用滿堂支架施工，臨時支撐傳遞給地基的豎向均布荷載控制值為45 kN/m2（含施工期間的上部荷載）。

2 結(jié)構(gòu)建模分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)橋梁施工、地質(zhì)及既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)等情況，建立三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值計算分析，三維模型計算范圍為X×Y×Z=170 m×140 m×（47～67） m（長×寬×高）。

三維模型單元總數(shù)102 796個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)57 655個，計算模型采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面；4個側(cè)面地層邊界限制水平位移；下部邊界限制豎向位移。每根蓋梁共有6個鋼箱梁支座，在模型蓋梁節(jié)點(diǎn)上施加6個5 000 kN集中荷載。

采用“地層-結(jié)構(gòu)”模型進(jìn)行三維建模分析，將模型中的巖土體視為彈塑性體，采用摩爾-庫倫模型（Mohr-Coulomb Model），采用實(shí)體單元模擬；區(qū)間隧道二襯、橋梁樁基與蓋梁采用各向同性彈性模型（Elastic Isotropic Model），區(qū)間隧道二襯采用殼單元模擬，橋梁樁基與蓋梁采用梁單元模擬。

樁土界面摩擦力采用樁界面單元模擬，樁界面是植入式梁單元的界面附屬單元，不需要節(jié)點(diǎn)和相鄰?fù)馏w連接，用于確認(rèn)梁單元和地基之間的摩擦行為及相對位移。生成梁單元和相鄰地基單元后，選擇梁單元生成樁界面單元。

地基單元和樁端界面的一節(jié)點(diǎn)之間的相對行為采用樁端界面單元模擬，生成樁單元后，選擇樁端，樁端界面的剛度按樁端承載能力和彈簧剛度定義。

各地層參數(shù)按照地勘報告給出的數(shù)據(jù)選取，根據(jù)實(shí)際情況和模型計算需要，模型參數(shù)見表1。

2.2 施工過程模擬

不同施工階段，荷載分布不同，按過程劃分為5類：

（1）建立三維“地層-結(jié)構(gòu)”模型，既有隧道結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，輸入相應(yīng)地層的土體參數(shù)，施加邊界約束，并在地表施加地面超載，計算土體的初始地應(yīng)力場，并將土體位移場和速度場清零，作為初始狀態(tài)，記作S0。

（2）樁基成孔及灌注施工階段，記作S1。

（3）蓋梁施作階段，施加蓋梁臨時支撐傳遞到地面的荷載（架設(shè)臨時支撐及模板，澆筑蓋梁），記作S2。

（4）鋼箱梁施作階段，施加鋼箱梁臨時支撐傳遞到地面的荷載（架設(shè)臨時支撐及吊裝焊接鋼箱梁），記作S3。

（5）使用階段，完成擬建項目的施工（拆除鋼箱梁臨時支撐，鋼箱梁以蓋梁為支座），記作S4。

3 不同階段對地鐵隧道的影響分析

不同階段的荷載分布和約束條件不同，新建跨河橋梁對隧道會產(chǎn)生豎向和水平向位移效應(yīng)、對地表土層產(chǎn)生位移效應(yīng)、對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力重分布，下面就不同階段工況對地鐵產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

3.1 對隧道變形影響分析

不同階段隧道最大豎向、水平位移如圖6所示。

（1）S1階段：隧道整體成上浮趨勢，最大上浮量0.33 mm，位于K2+278.600樁孔處左線隧道右側(cè)邊墻；隧道整體水平偏移為0.04 mm，位于K2+209.400樁孔處左線隧道右側(cè)邊墻。

（2）S2階段：隧道整體成下沉趨勢，累計最大下沉量1.04 mm，位于K2+278.600樁基處左線隧道拱頂；隧道整體累計水平偏移0.24 mm，位于K2+209.400樁基處右線隧道邊墻。

（3）S3階段：由于鋼箱梁荷載較大，隧道整體成下沉趨勢，累計最大下沉量3.4 mm，位于河道抗浮蓋板跨中以下的左線隧道拱頂；隧道整體累計水平偏移值0.44 mm，位于K2+209.400樁基處右線隧道邊墻。

（4）S4階段：隧道整體成下沉趨勢，累計最大下沉量2.79 mm，位于K2+209.400樁基處左線隧道左側(cè)；隧道整體累計水平偏移值0.42 mm，位于K2+209.400樁基處左線隧道邊墻處。施工完成后，既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為下沉狀態(tài)。

結(jié)果表明，在箱梁施工工程中施工荷載和后勤運(yùn)行過程中使用荷載對區(qū)間隧道變形影響較大，應(yīng)加強(qiáng)這2個階段的監(jiān)控和專項方案設(shè)計。

3.2 對地表土層沉降量影響分析

不同階段地表土層沉降量如圖7～圖10所示。

（1）S1階段：樁孔完成時，地表最大沉降量1.16 mm，地表變形主要發(fā)生在左橋臺橋樁附近，樁孔施工對地表變形影響不大。樁孔施工完成后，鄰近樁孔側(cè)地層下沉較小，既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)下沉很小。

（2）S2階段：地表累計最大沉降量9.07 mm，地表累計最大隆起量1.06 mm，地表變形主要發(fā)生在左橋臺橋樁附近，可見蓋梁施工對地表變形影響較大。

（3）S3階段：河道地表累計最大沉降量6.85 mm，抗浮蓋板累計最大沉降量5.21 mm，地表變形主要發(fā)生在右橋臺橋樁附近，可見鋼箱梁施工荷載造成河道地表及抗浮蓋板豎向位移進(jìn)一步增大，對其變形影響較大。

（4）S4階段：地表累計最大沉降量7.27 mm，地表變形主要發(fā)生在K2+209.400橋梁樁基處，抗浮蓋板累計最大沉降量4.04 mm，可見鋼箱梁臨時支架拆除，地面荷載減少，隧道和抗浮蓋板豎向位移沉降量均出現(xiàn)一定程度的回彈；由于樁基荷載增加，樁土之間作用力增大，樁基處地表沉降量增加。

3.3 對隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響分析

不同階段隧道結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)力分布如圖11～圖16所示。

通過內(nèi)力云圖得出不同施工節(jié)段隧道結(jié)構(gòu)每延米的控制內(nèi)力，根據(jù)控制內(nèi)力進(jìn)行隧道計算配筋，再與實(shí)際配筋進(jìn)行比較，對比分析結(jié)果如表2所示。

結(jié)果表明，在蓋梁施工節(jié)段隧道彎矩和軸力最大，應(yīng)加強(qiáng)施工過程中隧道變形監(jiān)測。所有階段的實(shí)際配筋均大于計算配筋，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

3.4 綜合影響分析

新建跨河橋梁對既有地鐵隧道的整體影響最大值如表3所示。

（1）根據(jù)有限元定量分析，隧道變形、土體變形、抗浮蓋板變形的分布都隨著施工階段變化而產(chǎn)生變化，但整體變形量均在安全范圍之內(nèi)，因此應(yīng)注意按照規(guī)定保持樁基與隧道之間的凈距要求。

（2）隨著施工階段的推進(jìn)，荷載逐漸增大后減小，隧道變形也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在鋼梁施工階段變形最大。隧道變形主要是豎向變形，水平變形較小，且都在安全范圍之內(nèi)。

（3）土體在蓋梁施工、鋼箱梁架設(shè)、使用階段累計沉降量較大，由于荷載形式發(fā)生改變，沉降量有所差異，但差異不大，應(yīng)注意加強(qiáng)過程監(jiān)控。

（4）抗浮蓋板在鋼箱梁架設(shè)和使用階段較大，應(yīng)注意加強(qiáng)過程監(jiān)控。

（5）隧道結(jié)構(gòu)在各個施工階段的控制內(nèi)力不同，最大值發(fā)生在蓋梁施工階段，但各階段隧道結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度要求。

4 施工建議

由于項目的特殊性，新建跨河橋梁對地鐵隧道的變形和強(qiáng)度都有一定的影響，應(yīng)圍繞既有結(jié)構(gòu)和新建結(jié)構(gòu)的安全，并考慮后期運(yùn)營維護(hù)的便捷和可持續(xù)性，提出施工建議：

（1）橋梁地質(zhì)勘測時應(yīng)復(fù)測確定鉆孔位置，避免鉆孔進(jìn)入?yún)^(qū)間隧道錨桿及隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)。

（2）平整場地時軌道交通2號線金馬區(qū)間保護(hù)范圍不得采用振動機(jī)械壓實(shí)；區(qū)間保護(hù)區(qū)范圍嚴(yán)禁堆載和重型施工機(jī)械停放，機(jī)械施工后應(yīng)停放在區(qū)間保護(hù)區(qū)范圍以外。

（3）橋梁樁基成孔采用人工挖孔施工，施工前應(yīng)復(fù)測放樣樁孔位置；挖孔遇到隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿時，需小心切斷，禁止拉拽錨桿。

（4）橋梁樁基成孔后，隧道底標(biāo)高以上須采用護(hù)壁結(jié)構(gòu)，減少樁基對周邊圍巖的摩擦力，樁基混凝土應(yīng)及時澆筑，盡量減少樁孔暴露時間。

（5）鋼箱梁施工時，在滿堂腳手架下方，另外設(shè)置鋼筋混凝土板基礎(chǔ)，對抗浮蓋板進(jìn)行有效保護(hù)。

（6）針對樁基、蓋梁及鋼箱梁的設(shè)計與施工編制詳細(xì)的專項設(shè)計方案及施工方案；蓋梁施工時必須采取可靠措施，防止河岸因臨時支撐及蓋梁澆筑時的荷載產(chǎn)生滑坡；吊裝鋼箱梁必須采取可靠措施保證吊裝過中不掉落。

（7）建議橋梁施工上部結(jié)構(gòu)時因臨時支撐增加的荷載必須滿足不大于區(qū)間隧道上方加載限制值的要求。

（8）建議施工期間采取合理的施工組織，建立監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，信息化施工，嚴(yán)格控制施工操作。

（9）建議針對軌道交通結(jié)構(gòu)的保護(hù)編制相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案和配備必要的搶險物資，應(yīng)急預(yù)案應(yīng)對已完成區(qū)間具有可實(shí)施性，不得影響其結(jié)構(gòu)安全。

（10）擬建金鐘河橋項目的實(shí)施以及對軌道交通的保護(hù)應(yīng)與軌道交通部門加強(qiáng)溝通，確保軌道交通結(jié)構(gòu)的安全。

5 結(jié)論

（1）新建跨河橋梁鄰近既有地鐵隧道在不同施工階段對隧道結(jié)構(gòu)、周圍土層、抗浮蓋板均產(chǎn)生不同的變形效應(yīng)，水平向變形可忽略，豎向變形主要集中在上部結(jié)構(gòu)施工階段和使用階段。

（2）建橋過程中隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力有增大趨勢，在上部結(jié)構(gòu)施工過程中達(dá)到最大，使用階段趨于平穩(wěn)。

（3）應(yīng)強(qiáng)化專項設(shè)計，做好樁基設(shè)計，保證樁基與隧道最小工作凈距，減小相互影響。

（4）應(yīng)加強(qiáng)施工專項方案設(shè)計，采取人工挖孔、孔位復(fù)測、信息化施工、施工荷載限載、部門協(xié)調(diào)等方式，確保既有隧道結(jié)構(gòu)和新建橋梁結(jié)構(gòu)安全。

參考文獻(xiàn)

［1］ 周正宇.地鐵鄰近既有橋梁施工影響分析及主動防護(hù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2012.

［2］ 黃國超.某立交橋梁樁基礎(chǔ)施工對既有地鐵隧道影響的數(shù)值模擬研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2015.

［3］ 譚富圣.淺埋暗挖車站近距離穿越既有橋樁影響分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009（10）： 32-37.

［4］ 樓曉明，金志靖.鉆孔灌注樁基礎(chǔ)對緊鄰地鐵隧道產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力和變形的計算分析［J］.巖土力學(xué)，1996，17（3）：48-53.

［5］ 閆靜雅.鄰近運(yùn)營地鐵隧道的鉆孔灌注樁施工技術(shù)［J］.建筑施工，2018，40（7）：1057-1059.

［6］ 丁智，何奇威，葉星宇，等.橋樁施工對鄰近既有地鐵隧道影響實(shí)測研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2018，（9）：80-87.

［7］ 黃耀東.緊鄰地鐵隧道的鉆孔灌注群樁施工安全性探討［J］.建筑施工，2013，35（11）：980-982.

［8］ 謝春華.小間距橋梁承臺施工對運(yùn)營地鐵隧道的影響分析［J］.城市道橋與防洪，2018（9）：182-185.

［9］ 閆靜雅，張子新，黃宏偉，等.樁基礎(chǔ)荷載對鄰近已有隧道影響的有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2008（9）：2508-2514.

［10］ 代志萍.鉆孔灌注樁施工對鄰近地鐵隧道的影響分析［J］.路基工程，2015（2）：114-116.

［11］ 薛武強(qiáng)，孫九春.緊鄰地鐵區(qū)間隧道的鉆孔灌注樁施工技術(shù)［J］.建筑施工，2010，32（4）：294-296.

［12］ 李筱旻.區(qū)間隧道近距離鉆孔灌注樁的施工及監(jiān)護(hù)——以上海市南京東路179街坊項目反循環(huán)成樁技術(shù)為例［J］.浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2017，29（6）：47-54.

［13］ 徐登票，周紅星.地鐵隧道穿越既有橋梁樁基的設(shè)計與數(shù)值計算研究［J］.中外公路，2014，34（1）：228-231.