大連地鐵下穿魏臺河橋樁結構變形及其控制研究

邵標 張建國

摘要：地鐵隧道下穿既有橋的關鍵是控制土層和橋梁結構的變形，針對新建大連地鐵的工程對運營魏臺河橋的影響進行分析，通過有限元程序對土層與結構的變形進行了數值計算，評價了隧道襯砌結構的受力以及隧道施工對既有橋梁結構的影響，提出了地鐵隧道穿越橋樁結構過程中潛在的風險，為新建地鐵區間隧道施工過程對既有橋梁結構影響進行預測評估提供依據，并提出了相應的工程處理措施。實測表明，施工過程中的各項監測數值均在安全范圍之內，采取的措施有效保證了地鐵隧道安全順利穿過魏臺河橋。

關鍵詞：地鐵隧道；樁基托換；下穿；沉降變形；數值仿真；

中圖分類號：TU 443文獻標識碼：A

1 前言

隨著城市軌道交通建設規模地不斷擴大，新建隧道近距離穿越既有結構物的情況越來越多[1-2]。如北京地鐵10號線下穿國貿立交橋樁基，最小近距2.41m；北京地鐵線下穿玉蜓橋樁基；天津地鐵3號線盾構隧道近距離穿越鐵東路立交橋樁基，其最小近距僅1.35m。隧道穿越橋梁樁基時，不可避免的擾動周圍土體。地層應力及變形傳遞到既有樁基，引起樁基承載力的損失，導致上部結構發生不均勻沉降，影響既有橋梁的安全使用，嚴重時可導致結構出現失穩破壞。同時，上部橋梁結構自重和荷載，會加大樁基的變位，并影響著樁身的變位模式及內力變化規律。隧道開挖引起洞周收斂，造成的土體水平位移，使得樁基表現為偏向隧道的傾斜或彎曲，影響樁身截面強度。隧道施工過程中需要同時保證新建隧道的安全和既有結構物的穩定，尤其是對于隧道下穿既有橋梁這一問題更加突入，施工不慎甚至可能造成橋梁垮塌、車毀人亡的嚴重后果。所以地鐵開挖對樁的影響越來越引起專家學者以及工程技術人員的高度重視。目前相關技術人員與學者針對這一問題開展了多方面的研究：吳波[3]采用流固耦合分析，針對北京地鐵5號線隧道過河過橋段研究了降水對橋基的影響，并對隧道加固方案進行了比選；蘇東[4]等結合北京軌道交通機場線盾構法穿越三元橋的實際工況，提出了針對北京地區典型地質條件下的沉降控制措施；李奎[5]采用三維數值模擬方法，對北京地鐵5號線過河過橋隧道施工可能采用的4種超前支護方案進行了分析。目前，工程界有關近接施工沉降控制方面的研究較多，控制技術也日漸成熟，但針對新建地鐵工程對運營橋梁樁基進行托換加固的影響研究相對較少。本文結合大連市新建地鐵工程施工下穿魏臺河橋的影響及控制技術進行了分析探討。

2 工程概況

大連地鐵2號線馬欄廣場～灣家區間施工過程中需穿越魏臺河橋。魏臺河橋為四跨間距15m的簡支板梁結構，上部結構為空心板梁，橋梁各跨支座為三跨連續蓋梁，截面為1.4mx1.2m，每道蓋梁下橫向設置四根1.2m直徑橋柱及柱下直徑1.7m單樁承載，樁基插入中風化石英巖約6m。

下穿段均為單洞單線斷面，該段魏臺橋橋樁樁底離左線隧道拱頂凈距3.713m、離右線隧道拱頂凈距0.437m。新建隧道線路與既有魏臺河橋相對位置關系如圖1及圖2所示。

圖1 區間隧道與橋基樁平面位置關系圖(單位: mm)

Fig.1Sketch of plane relationship about bridge and tunnel (mm)

圖2區間隧道與橋基樁立面圖(單位: mm)

Fig.2 Elevation view about pile foundation of running

tunnel and bridges(mm)

區間隧道埋深15～17m，區間沿線原始地貌為剝蝕殘丘、馬欄河階地，地勢起伏較大，地面高程22.03～30.24m。下穿區段正洞主要穿越中風化石英巖、中風化板巖、中風化石英巖夾板巖地層，局部隧道拱頂位于卵石與中風化巖層交界面。地下水類型主要是土層孔隙水及基巖裂隙水，土層孔隙水主要賦存在素填土層中，基巖裂隙水主要賦存于強風化及中風化板巖中。

3 風險分析與樁基托換措施

由于隧道施工期間，魏臺橋橋面車輛正常行駛，橋梁各道蓋梁樁間差異沉降控制較為嚴格，為確保隧道穿橋期間的橋梁結構自身安全以及隧道開挖的安全，考慮對該橋的第2~5排樁進行承載力托換，基本思路為在影響隧道開挖蓋梁下各樁頂部位設置3mx2m基礎梁，下設托換樁，如圖3所示。通過增加抗剪措施使橋樁與托換基礎梁緊接并協同工作。同時對區間隧道下穿過程中隧道拱部設置超前小導管，對隧道拱頂以上巖體進行預加固，下穿橋樁段隧道支護參數適當加強，初支厚度調整為300mm，格柵間距調整為500mm。

圖3加固示意圖

Fig.3Reinforcement schemes

4 沉降變形計算

隧道開挖對橋梁樁基產生影響，為了保證上部結構的安全，對樁基采取托換加固的方法，選取第三排樁，采用MIDAS/GTS有限元軟件，對隧道的開挖過程進行仿真模擬。根據隧道與橋梁樁基的相對位置關系，考慮隧道開挖的影響范圍及“邊界效應”[6-8]，建立60 m×40 m的二維數值模型，土體采用平面應變單元模擬，橋面板、樁基、襯砌采用梁單元模擬，共有4524個單元，4302個節點，如圖4所示。

圖4數值計算模型

Fig.4Numerical calculation model

橋梁荷載等效為橋面均布荷載，取為20kPa。土體兩側豎直邊界約束水平位移，底部約束水平和豎向位移。土體均采用Mohr Coulomb模型模擬，巖體、襯砌、橋面板和樁基采用線彈性模型模擬。計算時，先平衡土體的自重應力，得到初始應力場，然后模擬隧道的開挖和支護過程。各材料參數見表1、2。

表1巖土計算參數

Table 1 Calculated parameters of soil and rock

巖土

名稱 H

（m） E

（MPa） μ c

（kPa） φ

（o） γ

（kN/m3）

素填土 2.8 285 0.2 500 34 22

中風化石英巖 1.5 300 0.25 490 42.7 27.2

中風化板巖 35.7 800 0.3 347 42.3 26.9

表2結構單元和實體單元參數

Table 2 Parameters of structural elements and solid dements

名稱 樁徑或厚度

（m） E

（GPa） μ γ

（kN/m3）

橋面板 1.2 30 0.3 25

橋墩 1.2 30 0.3 25

橋樁 1.7 30 0.3 25

托換梁 2 30 0.27 25

托換樁基 1.8 30 0.3 25

二襯 0.35 28 0.27 25

5數值計算結果分析

分析當隧道開挖過程中不進行樁基托換、僅設托換梁及設置托換梁和加固柱三種工況條件下橋面板豎向位移、橋樁樁底軸力及襯砌受力情況。

5.1橋面板豎向位移及差異沉降

隧道的開挖，引起地層的損失，這樣延伸到地表，表現為地表沉降，導致橋面產生豎向位移并引起橋面的差異沉降，進而影響橋梁上部結構安全。本文通過對比三種不同的工況的數值模擬結果，分析采用樁基托換加固措施對橋面板豎向位移及差異沉降的影響。

當不采取任何加固措施時，橋面板豎向變形發生在最右側，最大豎向位移為9.5mm，左側豎向位移為5.0mm，差異沉降值為4.5mm；僅有托換基礎梁時橋面板右側最大豎向位移為5.4mm，左側豎向位移為3.4mm，差異沉降值為2.0mm；同時采取托換基礎梁及加固柱工況橋面板右側最大豎向位移為2.7mm，左側豎向位移為1.3mm，差異沉降值為1.4mm；有托換基礎梁及托換樁橋面板豎向位移云圖如圖5所示。

圖5工況三有托換基礎梁及托換樁橋面板豎向位移云圖

Fig.5 condition three underpinning beams and piles underpinning

Vertical displacement contour of deckof the bridge

圖6三種工況橋面板豎向位移

Fig.6Three conditionsthe vertical displacement contour of deck of the bridge

經分析可知，右側隧道拱頂上方橋樁距離隧道較近，易發生較大變形甚至破壞，由于受到樁基和托換基礎梁的影響，地表及橋面板變形受到了限制，采取樁基托換加固措施時橋面板沉降比沒有樁基托換加固措施的相應位移小。在樁端阻力的約束下，減少了橋面板的變形。

同時，允許的橋面板豎向最大位移為5mm，差異沉降為2mm，可以看到未采取任何加固措施時，橋面板結構變形超過允許范圍，即橋梁結構處于較危險情況，需要采取加固措施防止結構變形過大影響橋梁結構安全及運營安全。根據以上分析，采取托換基礎梁及加固樁措施所計算數值均在容許范圍之內，能夠有效保障橋梁結構安全。

5.2樁底軸力

由于離隧道最近的一根橋樁距離右線拱頂僅0.437m，橋梁上部荷載傳遞到樁底存在引起隧道開挖拱頂坍塌破壞的風險，因此計算分析三種不同工況條件下離隧道最近的一根橋樁樁底軸力，當不采取任何加固措施時，離隧道最近的一根橋樁樁底軸力為639.7kN；僅有托換基礎梁時離隧道最近的一根橋樁樁底軸力為252.5kN；同時采取托換基礎梁及加固柱工況離隧道最近的一根橋樁樁底軸力為103.2kN；如圖7所示。

圖7工況三有托換基礎梁及托換樁橋樁軸力云圖

Fig.7 Axial stress contour of bridge piles

當不采取任何加固措施時，上部橋梁自重及車輛荷載傳遞到橋樁底部軸力較大，而采取托換基礎梁及托換樁能有效減小傳遞到樁底的和荷載，樁底軸力降低了84%，從而減小了橋梁上部荷載對隧道開挖過程的影響。可見托換基礎梁及托換樁承擔了橋梁大部分荷載，從而保障了隧道下穿橋樁施工安全。

5.3襯砌結構應力

計算分析三種不同工況條件下襯砌所受最大軸應力情況，當不采取任何加固措施時，襯砌最大軸應力為6.9MPa；僅有托換基礎梁時襯砌最大軸應力為6.5MPa；同時采取托換基礎梁及加固柱工況襯砌最大軸應力為5.7MPa；如圖8所示。

圖8工況三有托換基礎梁及托換樁襯砌最大軸應力5.7MPa

Fig.8 Axial stress contour of Tunnel lining

從上面分析得到的結果可見，隧道開挖過程中引起圍巖應力變化，采取托換基礎梁及托換樁能有效減小隧道襯砌結構上的軸應力，襯砌最大軸應力降低了17.4%，可見托換基礎梁及托換樁有效降低襯砌結構的受力，保障了隧道施工過程安全及運營安全。

6結論及建議

該下穿工程采用托換基礎梁加托換樁的工程處理措施后，對施工過程中橋面進行了監測橋面垂向位移監測最大值為3.72 mm。而樁基托換的模型進行計算得出的橋面垂向位移最大值分別為2.7mm。實測表明，施工過程中的各項監測數值均在安全范圍之內，采取的托換基礎梁及托換樁措施有效保證了地鐵隧道安全順利穿過運營的魏臺橋。同時托換基礎梁和托換樁也對后期運營的地鐵結構起到保護作用。

建議：(1)在隧道穿越橋梁的過程中，應加強監控量測，應編制完整的監測方案，給出監控控制指標，并宜引入第三方監測單位；

(2)在編制隧道穿越橋區的施工組織中，應增加應急預案的內容，考慮設置橋梁豎向支頂的臨時應急措施。

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