城市橋梁基礎(chǔ)對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響分析

李俊龍

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

隨著我國城市建設(shè)飛速發(fā)展，城市結(jié)構(gòu)物數(shù)量日益增多且相互交織，城市橋梁基礎(chǔ)施工與既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾。城市橋梁基礎(chǔ)的安全施工和既有地鐵區(qū)間的正常運營已經(jīng)引起相關(guān)部門的高度重視，需要分析邊界處結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律[1]。文章采用有限元軟件建立數(shù)值分析模型，研究橋梁基礎(chǔ)施工對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響，得到結(jié)構(gòu)安全評價等級，提出針對性的施工防護(hù)措施，對既有地鐵區(qū)間相鄰的城市橋梁工程的設(shè)計和施工具有參考意義。

1 工程概況

1.1 橋梁工程概況

某城市跨河大橋全長241 m，孔跨布置為(92+48+96)m斜跨拱鋼桁連續(xù)梁，兩端接公路框架橋?？绾哟髽驗殡p層橋面，平面位于半徑為100 m的曲線，上層道路縱面坡度為3.30%和-0.30%，下層道路縱面坡度為2.87%和-0.30%，上、下層道路均為雙向四車道，兩側(cè)均設(shè)人行道。主梁為鋼桁梁，橋面為混凝土板，形成鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；跨度分別為150 m和148 m，矢高65 m的變截面鋼箱拱斜跨于主梁上方，通過吊索與鋼桁梁連接。

1.2 橋梁基礎(chǔ)與既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的邊界關(guān)系

0號臺與北岸既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)邊界如圖1所示。

圖1 0號臺與北岸既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)邊界（單位：cm）

跨河大橋0號臺共計6根直徑1.2 m鋼筋混凝土鉆孔樁，距離北岸既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)最近的樁為0#-3、0#-6樁，與地鐵左線區(qū)間外輪廓的水平距離分別為2.66 m、2.63 m，與地鐵右線區(qū)間外輪廓的水平距離為2.69 m、2.66 m，樁長均為22 m，超出地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)底板3.22 m。A1號拱座水平距離地鐵右線區(qū)間外輪廓4.5 m，距離地鐵隧道拱頂6.7 m。

3號臺與南岸既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)邊界如圖2所示。

圖2 3號臺與南岸既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)邊界（單位：cm）

3號臺共計5根直徑1.2 m鋼筋混凝土鉆孔樁，距離南岸地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)最近的樁為3#-1樁，水平距離地鐵左線區(qū)間外輪廓3.1 m，樁長25 m，超出地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)底板3.96 m。A3號拱座水平距離地鐵右線區(qū)間外輪廓7.6m，距離地鐵隧道拱頂6.9 m。

橋梁墩臺采用明挖工法，樁基采用旋挖鉆施工。橋梁荷載通過墩臺傳遞至樁基，樁基將荷載傳遞至樁底及樁側(cè)基巖，對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)周邊圍巖產(chǎn)生擾動，橋梁施工過程必定會對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響[2-3]。

2 既有地鐵區(qū)間主體結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

2.1 數(shù)值分析模型建立

計算采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析，以臨近既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的北岸區(qū)域（0號臺樁基礎(chǔ)、A1號拱座）和南岸區(qū)域（3號臺樁基礎(chǔ)、A3號拱座）為研究對象，選取對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)最不利工況進(jìn)行建模。模型采用不同的材料特性分別模擬地層和結(jié)構(gòu)，以生死單元模擬墩臺、橋樁、拱座開挖施工[4]。

根據(jù)跨河大橋工程地勘資料鉆孔信息，將橋梁基坑處地層分為雜填土層、卵石土層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖夾泥質(zhì)灰?guī)r層、中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖夾泥質(zhì)灰?guī)r層。

除上部為自由邊界外，其余各側(cè)面和底面實施法向約束。為更好地反應(yīng)現(xiàn)場實際情況，數(shù)值模擬的施工順序（荷載步）為①形成初始應(yīng)力場（地層自重應(yīng)力場）→②墩臺開挖→③墩臺施工→④拱座開挖→⑤拱座施工→⑥施加成橋荷載。

根據(jù)邊界條件、荷載步及假定初始應(yīng)力場沉降穩(wěn)定（位移為0）為初始條件進(jìn)行計算分析。

北岸0號臺、A1號拱座有限元分析三維模型如圖3所示。南岸3號臺、A3號拱座有限元分析三維模型如圖4所示。

圖3 北岸0號臺、A1號拱座有限元分析三維模型

圖4 南岸3號臺、A3號拱座有限元分析三維模型

2.2 分析結(jié)果

橋梁相鄰地鐵區(qū)間已運營，其結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。既有地鐵暗挖區(qū)間主體結(jié)構(gòu)變形位移是判斷地鐵區(qū)間運營安全的重要依據(jù)。

分析地鐵暗挖區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)豎向、水平向變形，豎向絕對位移最大值為0.325 mm（向上、臨近北岸區(qū)域），水平向絕對位移最大值為0.131 mm（向左、臨近北岸區(qū)域），均遠(yuǎn)小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013）附錄B中隧道豎向、水平位移需小于預(yù)警值10 mm及控制值20 mm的要求。根據(jù)以上計算分析結(jié)果，在跨河大橋0號臺、A1號拱座、3號臺、A3號拱座施工過程中，既有地鐵暗挖區(qū)間主體結(jié)構(gòu)變形滿足安全要求。位移較大的荷載步4和6的地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)位移如圖5～圖12所示。

圖5 荷載步4北岸地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移圖（單位：m）

圖6 荷載步6北岸地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移圖（單位：m）

圖7 荷載步4北岸地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移圖（單位：m）

圖8 荷載步6北岸地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移圖（單位：m）

圖9 荷載步4南岸地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移圖（單位：m）

圖10 荷載步6南岸地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移圖（單位：m）

圖11 荷載步4南岸地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移圖（單位：m）

圖12 荷載步6南岸地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移圖（單位：m）

0號臺、A1號拱座施工各荷載步北岸既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)位移結(jié)果如表1所示。3號臺、A3號拱座施工各荷載步南岸既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)位移結(jié)果如表2所示。

表1 0號臺、A1號拱座施工各荷載步北岸既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)位移結(jié)果 單位：mm

表2 3號臺、A3號拱座施工各荷載步南岸既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)位移結(jié)果 單位：mm

3 結(jié)語

在既有地鐵暗挖區(qū)間隧道上方開展跨河大橋工程，評估其對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險發(fā)生概率及影響，區(qū)間不存在“Ⅰ級、Ⅱ級”高等級的風(fēng)險，區(qū)間結(jié)構(gòu)剪切性開裂風(fēng)險等級為Ⅲ級，區(qū)間結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降或整體沉降超過軌道交通允許范圍風(fēng)險等級為Ⅲ級，區(qū)間隧道主體滲漏水風(fēng)險等級為Ⅳ級。綜合考慮風(fēng)險因素，地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)風(fēng)險等級為“Ⅲ級”，總體上地鐵主體結(jié)構(gòu)評估為安全。根據(jù)工程安全管理規(guī)范的相關(guān)要求，施工單位在施工前應(yīng)編制安全施工方案、組織專家論證，并按專家意見修改完善后實施?？紤]到城市軌道交通運營期間的結(jié)構(gòu)安全，在跨河大橋工程施工過程中應(yīng)對受影響的既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，施工完畢后仍應(yīng)對其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。樁基機(jī)械施工震動會給既有地鐵區(qū)間隧道造成影響，應(yīng)采用機(jī)械轉(zhuǎn)孔方法進(jìn)行樁基施工，如旋挖樁、螺旋鉆孔樁等，并禁止基坑開挖時采用爆破開挖。根據(jù)計算分析結(jié)果及風(fēng)險等級，建議0、3號臺與既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)之間考慮適當(dāng)?shù)母綦x措施，進(jìn)一步減少橋梁施工對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響。