PBA車站扣拱施工順序對上部跨河橋沉降影響分析

曹力橋，王志斌，周丁恒

(1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 2. 杭州蕭冠交通工程有限公司，浙江 杭州 311215；3. 中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

0 引 言

PBA工法為淺埋暗挖法的一種，研發自我國。該工法是由邊樁、中樁(柱)、頂底梁、頂拱共同構成初期受力體系，承載施工過程中的荷載。其核心思想是將蓋挖法與暗挖法有機結合，發揮各自優勢，在頂蓋的保護逐層向下開挖，施作二次襯砌，最終形成由初期支護和二次襯砌組成的永久承載體系。PBA工法具有施工工期相對較短、臨時支撐較少、安全性較好及工程造價相對較低等優點，目前已經成為北京地區暗挖地鐵車站主流施工工法。已運營的北京地鐵6號線一期及7號線暗挖車站中采用了該工法[1]；正在建設的北京地鐵12號線及16號線暗挖車站也大量采用該工法，且隨著該工法的成熟與完善，PBA工法在沈陽[2]、大連[3]等城市也得了一定應用。

隨著城市軌道交通建設高速發展，地鐵車站興建時不可避免遇到各種類型建筑物。車站臨近橋梁施工則是其中一種典型情況。較早針對PBA工法施工的地鐵車站臨近橋梁的研究開始于臨近橋基的北京地鐵10號線國貿站。吳波等[4,5]采用數值模擬方法就該車站洞樁法施工的風道及風道轉彎段對鄰近橋基的影響做了系列研究；何海健等[6]依托國貿站風道臨近橋基，采用蒙特卡羅方法，研究了地層、注漿和初襯的彈性模量及泊松比對鄰近墩臺差異沉降值的影響程度，得到了樁基間差異沉降的概率分布、差異沉降值的可能范圍及結構相應的可靠度，且在實測結果中得到了驗證性仍需更多類似工程的監測數據驗證，但該研究方向國內外均少有涉及，其正確性仍需更多類似工程的監測數據驗證；姚宣德[7]分析與推導了各種橋樁影響類型受淺埋暗挖法施工影響的附加荷載、沉降及變形的計算方法，并將其應用于國貿站風道施工時橋基計算中。此外，李汶京[8]、毛巨省[9]圍繞該車站風道對橋基影響做了數值分析工作，并提出了一些橋基保護及控制措施。但國貿站風道為2導洞PBA工法施工，且側穿的是單組橋樁，從工程體量和相對位置關系來說，臨近施工難度相對簡單，對現今各種復雜PBA穿越橋梁情況借鑒作用有限。近5年來，隨著研究方法逐漸多樣化，對PBA車站臨近橋梁的研究取得一些成果，其中代表性的有：周正宇等[10-11]、蘇潔等[12]將風險理論引入PBA車站臨近橋梁施工控制；任建喜等[13]采用有限差分原理，模擬預測8導洞PBA車站施工引起的上部橋梁沉降，并與實測結果對比分析；韋京等[14]將FLAC3D數值模擬和層次分析法結合起來確定車站下穿橋梁的最優方案，其考慮的方案多達9種，完成對比研究工作，所得結論值得借鑒與參考。前人研究中車站與橋樁位置關系多為側穿，未出現有依托工程中橋樁在車站上方的情況(橋樁位于車站上方，且樁底與車站頂部距離僅為0.6 m)，扣拱順序對于PBA車站施工對土體變形影響較大[15]，合理扣拱施工順序對于本工程條件下上部橋梁沉降控制尤為重要。

1 工程背景

1.1 工程概況

北京地鐵16號線紅蓮南里站位于蓮花河東側路與紅蓮南路交叉路口，沿蓮花河南北向布置。紅蓮南里站為地下雙層三跨島式車站，地下一層為站廳層、地下二層為站臺層。車站全長262.7 m，主體結構寬度為22.4 m，中心里程處軌面埋深26.71 m。車站主體采用暗挖(PBA)法施工。與車站相接處兩端區間均采用暗挖法施工。車站標準段覆土厚度約為13 m，跨路口段覆土厚度約為14 m。

紅蓮南里站下穿南馬連道跨蓮花河橋(三跨簡支公路橋)。蓮花河橋下部結構形式為：墩臺由柱接蓋梁組成；中墩由3根樁接柱與矩形截面連續蓋梁構成；圓形墩柱直徑為1 m；橋臺由3根樁與矩形截面連續蓋梁構成，蓋梁截面為1.2 m×1.2 m；基礎均采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1.2 m。

車站與上部橋梁及橋樁相對位置關系如圖1。橋面和車站頂部距離約為24.7 m，蓮花河東側3根橋樁距離車站頂部距離僅為0.6 m左右。橋樁處于車站頂部，無法進行樁基拖換，對車站施工帶來了較大的影響。

圖1 車站跨河橋相對位置關系剖面Fig. 1 Relative position profile of station of river-crossing bridge

1.2 工程地質條件

車站上方層由上而下主要有：粉質粘土填土①、雜填土①1、粉土②、粉質粘土②1、粉細砂②3、中粗砂②4、圓礫②5、卵石⑤、中粗砂⑤1。車站范圍內土層由上而下主要有：卵石⑤、中粗砂⑤1、粉質粘土⑤4、卵石⑦、中粗砂⑦1、粉土⑦3、卵石⑨。

2 計算模型

2.1 數值模型建立

數值模擬計算中筆者所做假定與簡化如下：

1)假設地表與土層均勻，土層厚度根據地質勘探報告選取。

2)模型單元類型的選取。橋樁及上部墩柱采用梁單元模擬，車站邊樁、中柱及中樁采用梁單元模擬；河底面層、導洞初支及扣拱初支采用板單元模擬；橋面及底部梁采用實體單元模擬，車站導洞回填、冠梁、車站結構采用實體單元模擬，土體模型同樣采用實體單元，其本構模型為摩爾庫倫模型，不考慮地下水的影響。

3)初期支護等效處理。數值計算中通常采用等效剛度方法，將鋼格柵和混凝土的總剛度等效處理為混凝土的強度，其計算公式為：

E=E0+(Sg×Eg)/Sc

(1)

式中：E為等效的混凝土彈性模量，MPa；E0為混凝土材料的彈性模量，MPa；Sg為鋼架截面 面 積，m2；Eg為鋼材的彈性模量，MPa；S0為混凝土截面上的面積，m2。

4)模型尺寸概況。本次數值模擬中，建立了完整車站模型，但分析導洞施工順序影響時，不涉及導洞施工后的相關模擬程序。上邊界取至地表，底部邊界取結構底板下21.47 m(下邊界與導洞底部距離31.32 m)，豎向高度為50 m；橫向長度取邊樁外側47.5 m，橫向寬度為116.43 m；考了施工空間效應，模型縱向寬度取最外側橋樁24 m，縱向寬度為60 m。

5)模型邊界條件。上邊界不設定約束，左右邊界為水平約束，底部邊界添加水平和豎向約束。

6)荷載情況。計算模型主要考慮土體自重和地面超載，其中土體自重由GTS NX自動生成，地面超載及橋面荷載值均取20 kPa。紅蓮南里站下穿南馬連道跨蓮花河橋三維有限元計算模型和車站結構模型分別如圖2、圖3。

圖2 三維有限元計算模型Fig. 2 3D FEM calculation model

圖3 車站結構模型Fig. 3 Station structure model

7)分段模擬說明。計算采用分段方式模擬車站開挖的空間效應，同時考慮加固區范圍(以橋梁中心為Z坐標零點，加固范圍為Z取-10.6～17.95 m，由前至后，施工進尺分別設置為3.95、3、3、3、3.05、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2.6、3、3、3、3、3、4.4 m。

2.2 計算參數

模型共分9個土層，各土層物理力學參數列于表1中，橋梁及地下結構參數列于表2中。

表1 土體物理力學參數Table 1 Physical-mechanical parameters of soil

表2 材料計算取值Table 2 Material calculation value

2.3 施工方案

PBA工法扣拱施工的具體步驟一般為邊導洞內結構施工→混凝土回填→分步開挖導洞間拱部土體、初支扣拱→分段拆除邊導洞臨時支護→施做導洞間二襯結構完成扣拱。

筆者選取4種施工方案進行對比分析，為避免偏壓情況出現，左、右邊跨施工同步進行。方案1：先施工中跨，再施工邊跨，中跨開挖面超左、右邊跨六段，開挖錯距為12～19.4 m；方案2：先施工中跨，再施工邊跨，中跨開挖面超邊跨三段，開挖錯距為6～10.4 m；方案3：先施工邊跨，再施工中跨，邊跨開挖面超中跨六段，開挖錯距為12～19.4 m；方案4：先施工邊跨，再施工中跨，邊跨開挖面超中跨三段，開挖錯距為6～10.4 m。

3 計算結果與分析

筆者重點研究不同扣拱施工順序對橋樁位移的影響，并輔以地層變形、車站結構受力性態分析。位移結果與車站結構受力分析均選用Z=0斷面為研究對象。每排橋樁編號方式：由靠近車站一側分別編號為1#、2#、3#、4#，并以南、中、北依次命名同一排3根不同樁，如1#南橋樁。

3.1 不同扣拱施工順序下橋樁沉降分析

3.1.1 樁底沉降

圖4為不同扣拱施工順序下橋樁沉降云圖。綜合分析4種方案扣拱施工引起的橋樁沉降結果，可得到以下規律：

圖4 不同扣拱施工順序下橋樁沉降云圖Fig. 4 Settlement nephogram of bridge pile under different buckle-arch construction sequence

1)1#排樁樁底沉降稍大于樁頂沉降，2#、3#、4#排樁則相反，樁頂沉降稍大于樁底沉降。

2)對于橋樁最大沉降，方案3最大，方案2最小，方案1和方案4介于兩者之間，且最大橋樁沉降差異很小。由此可見：中跨與邊跨錯距相同時，先中后邊順序時引起的橋樁沉降比先邊后中順序時引起的橋樁沉降稍小。

3)4種方案下位于車站頂部的1#排樁沉降遠大于其他3排樁，以中間4根樁和1#中橋樁距離為橫坐標，以4根樁樁底沉降為縱坐標，繪制出樁底沉降-距離關系曲線(圖5)。樁底沉降與樁與1#中橋樁間的距離呈指數衰減關系，4種方案的曲線反彎點值約為15 m，表明扣拱施工對上部橋樁的影響范圍約為15 m，邊中跨扣拱順序及邊中跨開挖面錯距大小對于扣拱施工橫向影響范圍影響很小。

圖5 中間樁樁底沉降與距離關系曲線Fig. 5 Relationship curves between bottom settlement of middle pile and distance

3.1.2 樁底差異沉降

差異沉降是衡量橋梁位移的重要指標。本次計算中，加固區范圍為Z取-10.6～12.95 m。模型中只有加固范圍不對稱，故車站扣拱施工完成后，同一排3根樁的絕對沉降值差異不大。以1#排樁為例，4種方案樁底差異沉降隨不同扣拱施工步變化如圖6。差異沉降計算基點均為中樁樁底沉降，如南樁與中樁之間的差異沉降為中樁樁底沉降值減去南樁樁底沉降值。圖6中差異沉降出現負值表示中橋樁樁底沉降小于南、北橋樁。

由圖6可得出樁底差異沉降變化規律：①4種方案1#排樁樁底差異隨扣拱施工步變化趨勢基本一致，在中、邊跨扣拱開挖面錯距相同情況下，方案1是方案3整體后移，方案2是方案的整體后移；②掘進一段距離后，差異沉降開始減小至0并轉為負值增大形式， 到達最大值后又逐漸減小，隨著中、邊跨扣拱開挖面遠離橋樁，逐漸趨于穩定；③4種方案下樁底最大差異沉降相差不大，1#中橋樁與南橋樁差異沉降峰值在-0.52 mm左右，1#中橋樁與北橋樁差異沉降峰值在-0.61 mm左右。上述變化規律亦存在其他3排樁中。

圖6 不同方案下1#排樁底差異沉降隨扣拱施工步變化Fig. 6 Variation of bottom settlement difference of 1# row pile changing with buckle-arch construction steps under different schemes

3.1.3 橋梁沉降控制標準

筆者側重分析不同扣拱順序對橋梁的影響，故不對橋梁安全評估進行主要分析，只提出橋梁評估單位對車站施工過程中橋梁位移控制標準。

根據CJJ99—2003《城市橋梁養護技術規范》，南馬連道跨蓮花河橋評估等級為B級，處于良好狀態；橋梁目前工作狀況良好，上部結構主要為施工縫及絞縫滲水泛堿等耐久性病害；橋臺存在水跡及混凝土剝離現象，橋墩及基礎未見異常現象；橋面鋪裝墩頂存在橫向通長裂縫及橋面縱向裂縫，破壞橋面防水層，影響結構耐久性。橋梁評估單位評估提出1#、2#排樁均勻沉降控制值小于等于5 mm，不均勻沉降控制值小于等于2 mm。從不同扣拱施工順序下樁底沉降及差異沉降計算結果來看，均在橋梁容許范圍內。

3.2 不同扣拱施工順序下土體變形分析

不同扣拱施工順序下土體豎向變形如圖7。

圖7 不同扣拱施工順序下土體豎向變形云圖Fig. 7 Vertical deformation nephogram of soil under different buckle-arch construction sequence

由圖7可知：

1)4種方案下扣拱完成后土體變形最大值分別為5.91、5.77、5.89、5.74 mm，先中后邊順序下土體豎向變形與先邊后中順序下土體豎向變形差異極小。

2)本次計算中采取的中、邊跨開挖面錯距是變化的，存在遠近此消彼長的作用，故無論是先中后邊的施工順序還是先邊后中的施工順序，錯距不同對土體變形的影響不大。相同扣拱施工順序下，3段錯距下土體最大豎向變形小于6段錯距離下土體最大豎向變形約為0.14 mm。

3)4種方案下扣拱完成后地表最大沉降分別為3.24、3.11、3.34、3.23 mm，先中后邊順序下地表沉降稍小于先邊后中順序下地表沉降，但兩者差異很小。

4)相同扣拱施工順序下，3段錯距下地表最大沉降小于六段錯距離下最大地表沉降約為0.11 mm。

3.3 不同扣拱施工順序對車站中柱影響分析

圖8為不同扣拱施工順序下Z=0斷面的車站中柱豎向位移云圖，不同方案下車站中柱頂部位移隨扣拱施工步變化如圖9。

圖8 不同扣拱施工順序下車站中柱豎向位移云圖Fig. 8 Vertical displacement nephogram of station middle-column under different buckle-arch construction sequence

扣拱施工完成后4種方案下車站左中柱位移穩定值分別為1.155、0.999、1.151、1.005 mm，車站右中柱位移穩定值分別為0.710、0.585、0.707、0.585 5 mm。在4種施工方案中，車站中柱頂部位移的變化規律基本相同，均為隨著扣拱施工向前推進，逐漸減小，當開挖面遠離后，頂部位移趨于穩定。車站左、右中柱頂部位移變化曲線(圖9)顯示，方案1和方案3車站中柱頂部位移基本相同，方案2和方案4車站中柱頂部位移差異更小。無論是施工過程中還是最后穩定狀態，車站左中柱頂部位移均大于車站右中柱頂部位移。相同扣拱順序下三段錯距車站中柱頂部位移小于六段錯距。由此可見，三段錯距對于控制拱腳推力對車站中柱的影響，若使用六段錯距，應增大車站中柱的配筋率或截面積以滿足承載力及裂縫驗算等要求。

圖9 不同方案下車站中柱頂部位移隨扣拱施工步變化Fig. 9 The displacement of the top of station middle-column changing with buckle-arch construction steps under different schemes

4 結論與建議

暗挖地鐵車站臨近橋梁問題是巖土工程領域一個較熱門的研究課題。結合下穿馬連道跨蓮花河橋紅蓮南里站工程，通過三維有限元數值模擬得到以下結論：

1)中跨與邊跨開挖面錯距相同時，先中后邊順序下橋樁沉降小于先邊后中順序。扣拱施工對上部跨河橋影響范圍為15 m左右，中、邊跨先后順序及錯距大小對該數值影響不大。

2)橋樁差異沉降呈“倒漏斗”型變化形式，4種方案引起的最大差異沉降值基本一致，最大差異沉降所在施工步不同。

3)4種方案下橋樁絕對沉降和差異沉降均在允許范圍內，橋梁處于安全可控的狀態。

4)在先中后邊和先邊后中兩種順序中，先中后邊施順序下引起的地表沉降值比先變后中順序下引起的地表沉降值稍小。

5)先邊后中順序更能有效地控制拱腳對中柱產生的推力，中柱頂部豎向位移更小。

6)中、邊跨的三段錯距對上部橋樁沉降、地表沉降及中柱位移的控制效果優于六段錯距。

綜合以上結論，在PBA工法車站下穿上部橋梁中，雖然先中后邊順序對柱頂位移稍大于先邊后中順序，但從控制上部橋梁位移及地表沉降的角度，仍建議扣拱的施工順序為先中后邊。