地鐵車站基坑施工對緊鄰既有輕軌高架橋安全影響分析

李 翠

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459)

隨著地下空間的開發利用越來越頻繁，各種通道工程上跨、下穿既有建、構筑物的情況也越來越多。基坑及地下工程在施工過程中，會引起周邊鄰近建、構筑物的變形和受力狀態發生改變，影響結構安全。通過安全性影響評估，可以客觀的預測本工程施工對既有建、構筑物的影響程度及可能帶來的危害。

1 工程概況

1.1 工程概況

本車站位于輕軌站北廣場東側，主體沿東南至西北設置。車站范圍內地面高程4.7～5.4 m。距離車站南側7.5 m為既有高架橋墩，其下橋樁位于該明挖基坑施工的變形影響范圍內，且小于0.7H(H為基坑深度，H=19.5 m)，風險等級判定為Ⅰ級。

1.2 輕軌設計概況

(1)設計活載：每列車為4節車廂，每節車廂重560 kN，其軸重為140 kN。

(2)橋跨結構寬度：8.8 m。

(3)上部構造：4#墩上、下連續梁各長20 m。

橋跨結構橫斷面結構全橋一致，為單箱雙室，箱梁頂寬8.8 m，底寬4.768 m，梁高1.25 m，C40混凝土現澆箱梁，如圖1所示。

(4)線路結構：無砟軌道形式，有縫線路。另本位置線路靠近終點站，即基坑臨近既有快軌站，列車運行速度及加速度均較小。

圖1 橋跨及基礎斷面圖

(5)下部構造：橋墩為柱式鋼筋砼矩形墩。橋墩斷面尺寸為2.0 m×1.5 m，橋墩基礎采用挖孔灌注樁單樁，直徑3.2 m，樁長21 m，樁體為C25混凝土。

1.3 車站設計情況

工程區間地層自上至下依次為：素填土、粘土、中風化石灰巖。由于車站南側鄰近輕軌，為控制變形采取如下措施對其加強：①采用?800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁。②基坑采用3道支撐，且首道撐為鋼筋混凝土支撐。③圍護樁外排+樁間設置基巖帷幕注漿。

2 控制指標分析

施工前需對輕軌4#、5#、6#橋墩、10號橋第2聯4跨箱形橋梁，進行初始踏勘，勘明橋梁結構形式、基礎類型、建筑材料、養護情況等，并結合《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJT 202-2013)制定控制指標如表1所示。

表1 城市軌道橋梁及軌道控制指標

3 建立計算模型及結果分析

3.1 計算模型及計算假定

采用MIDAS-GTS有限元軟件建立地層—結構模型，巖土層采用彈塑性模型，Mohr-Coulomb準則，土層參數以及支撐材料參數如表2、表3所示。模型尺寸：105 m×100 m×55 m，在橫向、深度方向各取超過結構一倍尺寸，模型范圍涵蓋基坑開挖施工引起地層應力變化的主要范圍。四立面為法向約束，頂面為自由面，底面為垂直方向約束[1]。荷載主要考慮土體自重(含超載)、列車荷載、結構自重。

表2 地層物理力學參數

表3 結構物理力學參數

列車荷載按《地鐵設計規范》(GB 50157-2013)中10.3條中活載選擇，為簡化計算，本次計算僅考慮列車豎向靜活載、立車豎向動力作用，荷載作用位置以4#墩中心為中心對稱均勻分布，不考慮軌道彈性扣件影響，假定列車荷載直接作用在橋梁橋跨結構上表面。模型如圖2所示。

圖2 車站與輕軌高架橋梁三維模型網格圖

3.2 施工工況分析

根據工藝特點，選取各階段工況[2]見表4。

表4 工況及施工階段

3.3 計算結果及分析

3.3.1 工況一：施工前的初始狀態

首先模擬大連地鐵5號線車站及前后區間施工前的初始狀態。初始工況承受荷載主要為地層及輕軌高架橋梁的自重荷載和列車荷載，見表5～表7。

3.3.2 工況四：車站主體基坑開挖施工完成

工況四計算結果見圖3。

根據圖3可以看出，在基坑開挖的施工期間，既有的輕軌高架橋下部及上部結構發生位移變形，其中橋墩的豎向位移與水平位移較為明顯，其中豎向位移最值約為0.324×10-2mm、-1.397×10-2mm；橋墩水平位移的最值約為0.367×10-2mm、-0.389×10-2mm；相鄰橋墩的最大沉降值約為1.697×10-2mm；頂部的最大傾斜值為-0.45×10-5。輕軌高架橋跨結構的豎向最大位移值為0.316×10-2mm，最小位移值約為-1.38×10-2mm；橋跨結構水平位移最值約為-0.178×10-2mm、-0.867×10-2mm；橋墩應力最大值為756.22 kN/m2。

表5 工況一計算結果

圖3 工況四計算結果

表6 工況一輕軌相鄰橋墩差異沉降值 10-2 mm

表7 工況一橋跨結構位移值 10-2 mm

3.3.3 工況七：施作車站頂板結構

在施作車站頂板期間，既有的輕軌結構發生位移變形，其中橋墩的豎向位移與水平位移較為明顯，其中豎向位移最值約為0.218×10-2mm、-1.786×10-2mm；橋墩水平位移的最值約為0.477×10-2mm、-0.499×10-2mm；相鄰橋墩的最大沉降值約為2.04×10-2mm；頂部的最大傾斜值為0.664×10-5。各工況下輕軌高架橋梁位移極值情況見表8。橋跨結構的豎向最大位移值為0.218×10-2mm，最小位移值約為-1.786×10-2mm；橋跨結構水平位移最值約為0.477×10-2mm、-0.499×10-2mm；橋墩應力最大值為763.03 kN/m2。

表8 各工況下輕軌高架橋梁位移極值匯總表

4 結論及建議

4.1 結論

(1)在前6個施工階段中橋墩及橋跨結構最大水平位移發生在基坑開挖至基底階段。

(2)在前6個施工階段中橋墩及橋跨結構最大豎向位移發生在施作車站中板及負一層側墻結構及拆除第2道支撐階段。

(3)從工況七可以看出頂板施作完成拆除首道混凝土支撐較為重要，應待頂板混凝土強度完全達到設計強度后方可拆除首道支撐。

(4)形成基坑各施工階段結構變形均能滿足表1中橋梁控制值、軌道控制值要求，并有較大的富余量。

4.2 既有輕軌監測建議

對輕軌結構的監測十分必要，應針對監測點的累計值及變化趨勢適時啟動應急措施。對既有輕軌橋墩及橋跨結構的位移、傾斜、水平位移變形情況實施24 h自動化監測，可根據既有結構受影響程度增加或減少測量頻率，根據需要隨時增加測量點，并及時分析整理測量資料。

4.3 其他措施建議

(1)基坑開挖應嚴格按照設計步序和參數進行，支撐應及時架設，確保基坑及周邊環境可控。

(2)基坑開挖過程中，坑頂周圍地面2 m范圍內不應增加附加荷載，2 m范圍外附加荷載不得超過20 kPa。

(3)施加預加軸力過程中應及時監測，如需要應及時補加。