明挖車站施工對臨近橋臺影響的數值分析

孫榮波，韋良文,2

(1. 重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074)

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明挖車站施工對臨近橋臺影響的數值分析

孫榮波1，韋良文1,2

(1. 重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶 400074)

以重慶軌道環線某車站明挖法修建為例，建立了車站及橋臺的三維數值模擬，通過模擬計算，得到了車站開挖對臨近橋臺的影響，并結合不同施工步序下車站開挖對橋臺的應力及位移進行了分析。相應的結果可為此類工程的施工、設計提供技術借鑒及參考。

明挖隧道；橋臺；位移；數值模擬

1　引言

隨著我國城市交通的不斷發展，明挖法施工由于其自身突出的優勢，在城市地鐵隧道施工建設中得到了廣泛的應用，地鐵車站施工技術也在不斷進步，但是受到既有城市環境的約束，臨近橋梁進行的地鐵施工的工程也越來越多[1]，車站開挖對臨近橋臺的影響主要體現在橋臺的位移和應力的變化上，因此討論車站開挖對臨近橋臺的影響對實際工程指導具有一定的指導意義。

國內就車站開挖對臨近橋臺的研究成果有：馮志[2]分析了地鐵車站施工對臨近橋臺的影響，對地鐵施工可能引起的既有橋基變形和應力變化進行預測，明確地鐵施工對既有橋基影響的大小、范圍；殷順浪等[3]針對某城市臨近既有橋樁的地鐵車站工程，利用 FLAC3D 軟件對施工過程進行三維數值模擬分析，得出明挖施工對既有橋樁變形和應力的影響；梁子軒，王健等[4]，以北京市知春橋排水隧道近接橋梁樁基施工為例，應用三維有限元分析方法，研究了明挖法施工對近接橋樁變形的影響。

2　工程概況

2.1位置關系

重慶某跨江大橋為三跨連續中承式鋼桁系桿拱橋。大橋為雙層公軌兩用橋，上層為“汽車道+人行道”雙向六車道、下層為“汽車道+軌道線”的“雙層通行”模式，軌道交通環線通過橋腹過江?？缃髽虻腁22號橋臺是大橋東引橋橋臺，呈南-北向設置。橋臺基礎位于原地面線以下1～2 m，并分為1、2、3、4號臺身，各臺身段設置2 cm沉降縫。A22橋臺寬4.6 m，預留輕軌通道拱涵位于橋臺跨中位置，拱涵基礎低于地平面6.8 m?？紤]后續軌道線修建的影響，A22號橋臺為鋼筋混凝土結構。車站基坑開挖場地位于A22號橋臺東側，軌道基礎延伸開挖并穿越A22號橋臺預留的輕軌通道拱，預留的輕軌通道拱底寬8.6 m，拱高6.5m。車站距A22號橋臺臺背為40.923 m，車站距離A22號橋臺預留區間隧道為29.103 m。A22號橋臺基地標高為243.600(黃海高程系，下同)，南橋臺預留隧道與車站連接段區間和車站的最大開挖深度高程為245.181 m，臺背至區間接口段采用2級分別為1∶1和1∶0.75放坡處理。如圖1所示。

圖1　局部關系平面圖

2.2連接區間及車站近接橋臺端的結構形式及設計支護參數

該區間結構設計參數如下。

(1)冠梁以上土體放坡掛網噴錨，噴錨參數：100厚C20噴射混凝土，單層鋼筋網片Φ8@200×200。

(2)一期基坑圍護結構：采用鉆孔灌注樁(A型樁)，混凝土強度等級為C35，樁直徑1.2 m，樁中心距2.0 m，嵌固深度2.5 m，豎向采用三道支撐， 鋼管厚度t=16 mm。

(3)二期基坑圍護結構：采用鉆孔灌注樁(C型樁)，混凝土強度等級為C35，樁直徑1.0 m，樁中心距2.0 m，嵌固深度6.0(8.0) m。

(4)連接區間：連接區間圍護樁采用鉆孔灌注樁，直徑1.2 m，間距0.8 m，同時采用三道609鋼管支撐，詳見圖2所示。

2.3工程地質條件

通過對場地的地面地質調繪，結合工程地質鉆探并綜合分析已有區域地質成果，沿線出露的地層主要有第四系全新統人工填土層(Q4ml)、殘坡積層(Q4el+dl)和侏羅系中統沙溪廟組(J2s)沉積巖層。

圖2　A22#橋臺至車站間區間隧道明挖段圍護結構平面圖

3　明挖車站施工的數值模擬

3.1有限元模型的建立

計算模型采用MIDAS/GTS有限元軟件，程序采用“激活和鈍化”單元的方法模擬車站基坑的開挖和支護。巖土體材料的屈服準則采用摩爾庫倫屈服準則。型參數的選取根據設計參數建議值表，結合重慶地區的巖土性質，取值如表1所示。

表1　有限元計算參數表

建模過程中，圍巖采用六面體實體單元， A22號橋臺采用四面體實體單元，灌注樁和圍護樁采用梁單元，支撐、格構柱、連系梁以及冠梁采用梁單元，噴射混凝土采用面單元。

計算模型中模型邊界到基坑邊界取值如下：沿橋跨方向邊界取基坑寬度的4倍，垂直于橋跨方向長度取基坑寬度的4倍，模型的高度取基坑深度的5倍。模型三維尺寸為：330 m×220 m×100 m。

計算模型的底面約束豎直方向的自由度，前后左右約束水平自由度，地表為自由面。模型網格劃分圖如圖3所示。

3.2施工步的確定

施工步的確定根據“分層、分段”的原則進行確定，整個計算采用12個施工部對施工過程進行模擬：

施工步1:模擬初始圍巖在自重下的應力狀態；

施工步2:模擬連接段排樁、冠梁和連接段第一道支撐的施工，模擬一期灌注樁、排樁、冠梁的施工；

施工步3:模擬連接段第一層土體開挖，模擬連接段第二道支撐的施工，一期第一道斜撐、第二道支撐、格構柱及連系梁的施工；

圖3　模型網格劃分圖

施工步4:模擬連接段第二層土體開挖，模擬一期第一段第一層土體開挖，模擬連接段第三道支撐的施工；

施工步5:模擬連接段第三層土體開挖，模擬一期第一段第二層、第二段第一層土體開挖，模擬一期第二道斜撐、第二道支撐、第二道連系梁的施工，連接段開挖至基坑底部；

施工步6:模擬一期第一段第三層、第二段第二層、第三段第一層土體開挖，第一段開挖至基坑底部，模擬第三道斜撐、第三道支撐、第三道連系梁的施工；

施工步7:模擬一期第二段第三層、第三段第二層土體開挖，第二段開挖至基坑底部；

施工步8:模擬一期第三段第三層土體開挖，第三段開挖至基坑底部；

施工步9:模擬二期灌注樁、排樁的施工；

施工步10:模擬二期第一段第一層土體的開挖；

施工步11:模擬二期第一段第二層、第二段第一層土體的開挖，第一段開挖完成；

施工步12：模擬第二段第二層土體開挖，基坑開挖完成。

4　數值分析結果

4.1A22號橋臺位移分析

在計算結果中提取出了A22橋臺從第2施工步及最后第12施工步所對應的位移圖形數據，包括A22臺各施工步的橋跨縱向(X)方向和豎直(Z)方向的位移云圖，見圖4和圖5。

對A22號橋臺構件取A、B、C、D、E、F六處觀察點進行對比分析。結果數據體現在位移變化折線圖中，見圖6～8所示。

圖4　第12施工步X方向位移云圖

圖5　第12施工步Z方向位移云圖

圖6　A22號橋臺位移分析取點位置

圖7　A22號橋臺X方向位移變化圖( mm)

圖8 A22號橋臺Z方向位移變化圖( mm)

由圖6～8可以看出以下幾點。

(1) A22號橋臺由于與施工基坑較近，橫斷面方向水平位移變化較小，各控制點均未超過1 mm。

(2) 豎向位移變化各控制點不規律，主要體現在預留拱底(A和B點)均勻向上隆起，最大隆起值為1.43 mm；C、E點處的橋臺兩端為均勻隆起，其值較小，分別為0.77 mm和0.79 mm。橋臺中部預留隧道拱頂D點為豎向下沉，雖數值很小，為0.02 mm。由于C、E點和A、B、D、F點之間的最大位移差為1.45 mm，由此可能引起混凝土結構在不均勻沉降作用下產生裂縫，可由應力進行分析。

(3) 橋臺中部預留隧道線路縱線方向拱腳的豎向上隆位移A和B點分別為1.43 mm，G和H點最大豎向隆起位移0.72 mm，其差值為0.71 mm，橋臺不存在橋跨縱線方向的傾覆穩定性危險。

4.2橋臺應力分析

提取第12施工步的沿橋橫斷面方向(X)和豎直方向(Z)方向的應力云圖，如圖9和圖10所示。

選取計算結果中對A22號橋臺構件中的A、B、C、D、E、F六處觀察點進行對比分析，具體數據變化見圖11、12。

由橋臺在不同施工步時的橫斷面方向(X)、豎直方向(Z)應力變化折線圖可知，在A、B兩點(預留拱腳)處的壓應力最大變化值為0.41 MPa；最大拉應力出現在F點，其值為0.024 MPa。

圖9　第12施工步X方向應力云圖

圖10　第12施工步Z方向應力云圖

圖11A22號橋臺X方向應力變化圖

5　結語

(1)由于基坑開挖使圍巖產生應力重分布，導致橋臺產生一系列的位移和應力?；娱_挖與臺背放坡卸荷時，預留隧道拱涵產生向上的位移，出現隆起現象。

圖12A22號橋臺Z方向應力變化圖

(2)橋臺中部F點和橋臺邊緣C、E點之間的最大位移差為1.45 mm，由此引起的混凝土結構附加壓應力最大變化值為0.41MPa，附加拉應力變化值為0.024 MPa，且在整個施工過程中變化較小。

(3)橋臺中部預留隧道線路縱線方向拱腳的豎向上隆位移(A、B點)與G、H點最大豎向隆起位移差值為0.71 mm，橋臺不存在橋跨縱線方向的傾覆。

[1]施仲衡，張彌，王新杰，等。地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科學技術出版社，1997：155～156.

[2]馮志.地鐵車站施工對臨近橋樁的影響[J].隧道與地下工程,2012,30(6):77～82.

[3]殷順浪,韋良文.地鐵明挖區間施工對臨近高架橋墩臺的影響分析[J].工程建設與設計,2014:102～104.

[4]梁子軒，王健，等，明挖法隧道施工對近接橋梁樁基的影響[J].隧道與地下工程,2011,29(2):84～86.

Numerical Analysis of the Influenceon Nearby Abutment Caused by Cut-and-coverStation Construction

Sun Rongbo1，Wei Liangwen1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,P.R.China2.StateKeyLaboratoryBreedingBaseofMountainBridgeandTunnelEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,P.R.China; )

By taking the example of a station which employed cut-and-cover method in Chongqing rail loop,this paper would establish three-dimensional digital model of this station and abutment. Then, the paper would analyze the influence on nearby abutments and their stresses and displacements under different construction steps. Moreover,this research conclusion would provide

for the construction and design of this kind of project.

cut-and-cover method;abutment;displacement;digital model

2016-05-16

重慶市教委科學技術研究項目資助(編號：KJ09049)

孫榮波(1990—)，男，碩士，主要從事隧道與地下結構工程、巖土工程研究工作。

U455.53

A

1674-9944(2016)14-0202-04