城市高架橋近距離施工對既有地鐵區間的安全影響評估

阮 偉

（武漢市城市建設投資開發集團有限公司，湖北武漢 430000）

隨著城市中心城區路網的優化與加密，城市高架橋與地鐵二者常近距離實施[1-2]。為了確保既有地鐵的運營安全與新建高架橋的順利施工，對既有地鐵隧道區間結構安全的影響進行評估。文章以擬在武漢地鐵8號線附近新建沙湖大道跨徐東大街立交橋為例，通過建立數學模型對既有地鐵區間的結構變形與結構內力變化進行計算分析，評估安全影響。

1 工程概況

1.1 沙湖大道跨徐東大街立交橋概況

在武漢市武昌核心區沙湖大道上新建跨徐東大街的高架橋，在徐東大街兩側布置主跨橋墩，橋墩采用兩根分離式花瓶墩，墩柱尺寸2.0 m×2.5 m，每個墩柱配置2根直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，樁長60 m。承臺高度3 m，截面尺寸3.2 m×8.0 m，橋梁上部結構主梁為變高連續鋼箱梁。

1.2 武漢地鐵8號線汪家墩站—岳家嘴站區間概況

徐東大街西側存在已投運武漢地鐵8號線，新建高架橋平面上跨地鐵8號線汪家墩站—岳家嘴站區間，地鐵隧道區間采取盾構法施工，分左、右區間，中心線間距為13 m。管片外徑6.2 m、厚度350 mm。

1.3 兩項目空間位置關系

擬建高架橋樁基結構與地鐵區間結構外邊線最小水平距離約7.06 m、區間隧道結構頂埋深17.55 m。

擬建高架橋與地鐵8號線汪家墩站—岳家嘴站區間空間位置關系如圖1所示。

圖1 擬建高架橋與汪家墩站—岳家嘴站區間空間位置關系

2 工程地質、水文概況

高架橋擬建場地為一級階地全新統沖積平原區，地形較平坦、地勢變化不大。工程場地土層主要為近代人工填土層、第四系河流沖洪積土層、湖積土層，揭露下伏基巖為侏羅系泥質砂巖。高架橋主墩穿越的地層主要為1-1雜填土、1-2素填土、3黏土、4粉質黏土夾粉土粉砂、5細砂、6礫卵石、7-1強風化泥質砂巖、7-2中風化泥質砂巖。

擬建場地地下水主要為上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。上層滯水主要賦存于上部人工填土中，對擬建施工影響較小。孔隙承壓水主要賦存于4粉質黏土夾粉土粉砂及5細砂層中，具備承壓性，對樁基施工影響不大。基巖裂隙水主要賦存于下部基巖中，接受其上部含水層地下水的下滲及側向滲流補給，與承壓水呈連通關系，對工程施工影響較小。

3 對地鐵結構安全影響評估

3.1 外部作業影響等級與變形控制指標選取

兩項目結構外邊線最小距離L為7.06 m，地鐵區間隧道外徑D為6.20 m，項目與地鐵結構接近程度為1.0D

城市軌道交通結構安全控制指標值如表1所示。

表1 軌道交通結構安全控制指標 單位：mm

3.2 評估思路

高架橋樁的施工和上部結構荷載的傳遞會造成周圍土體的位移和應力變化，導致地鐵結構的受力和變形狀態發生改變，誘發結構發生不均勻變形。綜合分析項目場地工程地質及水文地質資料，結合高架橋樁的結構設計參數、施工特點以及鄰近地鐵結構特點，使用Midas GTS/NX軟件建立整體三維計算模型，對高架橋樁施工全過程進行模擬，分析施工過程中鄰近地鐵區間的結構變形與內力變化情況。

3.3 模型建立

模型計算范圍的控制原則為邊界條件不能過大影響核心部位的計算結果，模型計算范圍為長72 m、寬60 m、土層計算深度65 m。鉆孔灌注樁樁身混凝土等級為C30，采用實體單元模擬，樁土之間設置相應的摩擦接觸單元。泥漿相對密度為1.2，泥漿護壁過程等效為靜水壓力等效荷載，等效靜水壓力取γ=12 kN/m3。通過樁周薄壁單元模擬滲透條件的變化，修改單元屬性模擬混凝土硬化過程。盾構管片混凝土等級為C45，采用板單元模擬。上部結構和行車荷載等效為上部結構荷載施加于墩柱，豎向等效荷載取19 000 kN/根，水平等效荷載取350 kN/根。為簡化計算，將所有鉆孔灌注樁分為近地鐵（前）側樁和遠地鐵（后）側樁。

模擬高架橋施工工序如表2所示。

表2 模擬高架橋施工工序

4 計算分析

4.1 各工序下地鐵區間結構位移計算

擬建高架橋從鉆孔灌注樁的成樁到上部結構施工，各工況下地鐵區間結構的最大位移值如表3所示。

表3 地鐵區間結構的最大位移值 單位：mm

混凝土灌注的過程中，隧道整體下沉，水平位移、豎向位移和總位移的最大值均出現在上部結構施工階段，分別為0.139、0.742、0.75 mm。

4.2 區間結構內力影響計算

各階段區間結構的彎矩軸力計算結果如表4所示。

表4 各階段區間結構的彎矩軸力計算結果

在后側孔泥漿護壁鉆孔開挖過程中，區間結構的彎矩和軸力略有減小，變化率分別為-0.1%和-0.03%。灌注混凝土以及承臺、立柱和上部結構施工階段，區間結構的彎矩和軸力變大，最大變化率分別為1.16%和0.44%。

5 結論與建議

5.1 結論

（1）高架橋施工引起的地鐵隧道區間結構水平位移、豎向位移及總位移最大值分別為0.139、0.742、0.75 mm，隧道區間各方向變形影響均在地鐵結構安全控制標準范圍內。

（2）高架橋施工會使區間結構的彎矩以及軸力變大，最大變化率分別為1.16%和0.44%，對地鐵區間結構內力的影響較小。

5.2 建議

（1）高架橋施工前，收集地鐵鄰近區間結構的常規監測數據，對地鐵隧道的最新健康狀態開展調查分析，掌握地鐵結構的現狀，為明確保護措施提供重要依據。

（2）鉆孔灌注樁施工中，嚴格控制成樁質量，嚴禁采用沖孔法施工灌注樁；鉆孔灌注樁泥漿護壁過程中，應嚴格控制漿液的稠度，避免漿液外流，造成土體軟化；靠近地鐵結構側橋樁成孔過程中，采用長護筒跟進。

（3）高架橋施工中，同步制定科學的監測方案，委托具備相應資質的第三方監測單位對地鐵區間軌道、管片結構變形，灌注樁的結構變形及周邊水位進行實時監測。