趙 瑜，呂海英，熊 健，2

(1.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 北京 100000；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

地鐵暗挖通道施工對(duì)既有橋樁的變形特性分析及施工處理措施

趙 瑜1，呂海英1，熊 健1，2

(1.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 北京 100000；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

以沈陽(yáng)地鐵4號(hào)線觀泉路站為背景，對(duì)暗挖隧道施工中的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源——隧道側(cè)穿高架橋的施工過(guò)程進(jìn)行了仿真數(shù)值模擬。 按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，橋樁間的差異沉降不得大于5 mm，這對(duì)暗挖側(cè)穿段的施工提出了較高要求。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，暗挖隧道側(cè)穿橋墩，橋面沉降呈現(xiàn)雙沉降槽形式，沉降槽位于橋墩內(nèi)側(cè)1/6跨度處，沉降反彎點(diǎn)位于橋墩1/6跨度處。通過(guò)對(duì)側(cè)穿段的土體進(jìn)行注漿加固，可以有效控制暗挖隧道施工引起的橋樁沉降及不均勻沉降，從而保證既有高架橋的運(yùn)營(yíng)。

暗挖隧道；側(cè)穿高架橋樁；沉降控制；注漿加固

隨著城市地鐵工程在國(guó)內(nèi)的大規(guī)模修建，地鐵線路對(duì)近鄰橋梁基礎(chǔ)的影響問(wèn)題已越來(lái)越多，如何在施工過(guò)程中保障周圍橋梁的安全，已成為亟待解決的現(xiàn)實(shí)難題[1-3]。

地鐵暗挖隧道穿越橋梁基礎(chǔ)施工時(shí)，在不做任何加固處理的情況下，不可避免地?cái)_動(dòng)周圍土體，引起周圍地層損失及橋墩沉降，造成橋墩的不均勻沉降, 影響橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。

針對(duì)地鐵車站暗挖的設(shè)計(jì)與施工，李強(qiáng)等[4]運(yùn)用有限差分方法，論證了施工過(guò)程中，暗挖隧道附近既有建(構(gòu))筑物樁基受力特性及位移變化規(guī)律，提出了合理的施工步序和有效的加固措施。李兆平等[5]通過(guò)工程類比和有限元數(shù)值分析，選擇對(duì)鄰近橋樁保護(hù)最為有利的洞樁法(PBA)方案。根據(jù)鄰近橋樁與地鐵空間位置關(guān)系，將鄰近橋樁劃分不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，采取相應(yīng)的控制措施[6]。

以上學(xué)者在暗挖隧道對(duì)既有橋基的影響規(guī)律方面得到了有益的結(jié)論，然而對(duì)于加固地層、指導(dǎo)施工方面尚不系統(tǒng)。鑒于此，對(duì)沈陽(yáng)地鐵4號(hào)線觀泉路車站隧道施工進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以解決設(shè)計(jì)和施工中存在的問(wèn)題。觀泉路站基坑位于北大營(yíng)街與觀泉路交叉路口北側(cè)，觀泉路上方為二環(huán)高架橋。車站西側(cè)為福居社區(qū)(主樓6～7層，裙房1層)，東側(cè)為望花新村(主樓6～7層，裙房1層)，南側(cè)為觀泉路及高架橋。

車站主體結(jié)構(gòu)為二層三跨島式站臺(tái)車站，有效站臺(tái)寬12 m。本站共設(shè)2個(gè)風(fēng)道、4個(gè)出入口及1個(gè)安全出口。剖面圖見圖1，其中C2出入口下穿二環(huán)高架橋及側(cè)穿橋樁，C2出入口為暗挖通道，覆土5 m，開挖斷面高5.2 m，寬6.6 m，與橋樁水平距離5.4 m。

二環(huán)高架橋上部結(jié)構(gòu)分預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋?qū)挒?3.5 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m。橋墩橫橋向呈Y型，上寬下窄，側(cè)面以曲線過(guò)渡，立面呈花瓶形狀,。中間墩順橋向?yàn)榈群穸?，厚度?.6 m；過(guò)渡墩頂端通過(guò)曲線由1.6 m變厚至2.5 m。橋臺(tái)均為鋼筋混凝土一字式橋臺(tái)，在橋臺(tái)外側(cè)設(shè)置翼墻。臺(tái)后填砂性土。橋墩基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m。樁基均設(shè)聲測(cè)管。橋臺(tái)承臺(tái)厚度為1.5 m，橋墩承臺(tái)厚度為2 m。承臺(tái)底面均設(shè)置10 cm厚的C15素混凝土墊層，墊層平面尺寸自承臺(tái)邊緣起每側(cè)各加大10 cm。

圖1 暗挖通道側(cè)穿橋樁剖面圖

1 計(jì)算情況

1.1 施工過(guò)程模擬

隧道施工先開挖中隔壁左側(cè)，后開挖中隔壁右側(cè)，左右側(cè)開挖也分上下臺(tái)階，依次進(jìn)行，邊開挖邊施作臨時(shí)格柵及初期支護(hù)。待初期支護(hù)全部施工完畢后，拆除格柵，施作二襯[7-8]。具體施工順序如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

沈陽(yáng)地鐵4號(hào)線場(chǎng)地地層自上而下依次為人工填土、第四系全新統(tǒng)渾河新扇沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)渾河老扇沖洪積層的中粗砂、礫砂層。支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要物理力學(xué)參數(shù)參閱相應(yīng)的規(guī)范，并結(jié)合地勘資料進(jìn)行取值[9]。超前小導(dǎo)管與系統(tǒng)錨桿通過(guò)提高所處圍巖物理力學(xué)指標(biāo)來(lái)等效處理[10]。材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[11]確定橋梁變形控制指標(biāo)見表2。

表2 橋梁變形控制指標(biāo)參考數(shù)值[11]

2 橋面沉降數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

地層采用實(shí)體單元、Mohr-Coulomb 材料模擬；橋樁采用實(shí)體單元，用彈性材料模擬；采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則；模型上表面采用自由邊，其他邊界采用彈簧約束。

對(duì)整個(gè)模型設(shè)置如下邊界條件：模型底面僅約束y方向的豎向位移，左右兩個(gè)側(cè)面(長(zhǎng)度方向)僅約束x方向的水平位移。

施工荷載均為靜荷載，包括模型各部分材料的自重及由路面車輛產(chǎn)生的均布超載20 kPa。

2.2 模擬計(jì)算

D2出入口隧道埋深5 m，與橋樁基水平凈距約5.4 m。D2出入口與橋樁的位置關(guān)系見圖1。整個(gè)模型按照實(shí)際尺寸進(jìn)行1∶1的比例建模，如圖2所示。模型高度為52.5 m，模型長(zhǎng)度為256 m，橋樁跨度30 m。

2.3 橋樁位移分析

模擬計(jì)算結(jié)果表明，在不采取加固措施情況下，橋面最大豎向位移為9.64 mm，相鄰墩臺(tái)差異沉降5.21 mm，超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)要求的5 mm。橋墩傾斜0.0017，超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)的0.001。

從圖3中可以看出，橋面沉降呈現(xiàn)雙沉降槽。在未加固情況下，大沉降槽出現(xiàn)在距離隧道較近的橋墩處，最大沉降位于鄰近隧道側(cè)橋樁左側(cè)5 m位置，雙沉降槽分別位于兩橋墩1/6跨度處。反彎點(diǎn)出現(xiàn)在橋墩外側(cè)5 m位置，約為1/6跨度處。

圖3 未加固情況下豎向變形云圖及橋面沉降槽示意

隧道開挖工況1對(duì)地層擾動(dòng)較大，橋墩最大沉降發(fā)生在工況4，之后沉降趨于收斂，拆撐時(shí)沉降也有所增加隧道開挖工況1對(duì)地層擾動(dòng)較大，橋墩最大沉降發(fā)生在工況4，之后沉降趨于收斂，拆撐時(shí)沉降也有所增加。

由于不采取加固措施時(shí)，橋梁變形超出標(biāo)準(zhǔn)，為了保證高架橋結(jié)構(gòu)的安全，在近橋樁側(cè)上下導(dǎo)洞拱部、側(cè)墻采用深孔注漿預(yù)加固，加固厚度1 m。加固后沉降情況見圖4。

圖4 加固情況下高架橋豎向變形云圖及橋面沉降槽示意

從圖4中可以看出，加固后，鄰近隧道的橋墩沉降減小，最大豎向位移為3.567 mm，相鄰墩臺(tái)差異沉降0.36 mm，橋墩傾斜0.0006，各項(xiàng)主要控制指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)加固后橋樁的安全性可以得到保證。

橋面沉降仍呈現(xiàn)雙沉降槽，分別位于兩橋墩1/6跨度處。大沉降槽出現(xiàn)在離隧道稍遠(yuǎn)的橋墩處，承臺(tái)頂沉降3.04 mm，橋面最大沉降3.56 mm。反彎點(diǎn)位置未發(fā)生變化，仍出現(xiàn)在橋墩外側(cè)5 m位置，約為1/6跨度處，只是變形量減小了。說(shuō)明采取的加固措施是有效的。

3 暗挖施工處理措施

暗挖隧道側(cè)穿橋樁，對(duì)橋梁的影響一直持續(xù)到施工完成，甚至到運(yùn)營(yíng)期間也一直存在。橋梁變形過(guò)大可能導(dǎo)致橋梁開裂破壞或危及行車安全，甚至橋梁倒塌。

開挖施工前，對(duì)開挖影響范圍內(nèi)的橋梁、樁基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式及空間位置關(guān)系進(jìn)行普查，必要時(shí)，對(duì)橋梁進(jìn)行安全評(píng)估，若橋梁基礎(chǔ)承載力較差，可對(duì)周邊土體進(jìn)行加固處理，若樁基摩阻力較小，可采取樁基隔離措施。

施工過(guò)程中，對(duì)隧道通過(guò)或鄰近地段，采取超前加固、分層分段開挖、加強(qiáng)初支及二初強(qiáng)度、回填注降等措施。

加強(qiáng)拱頂沉降、收斂、地表沉降、橋梁沉降和差異沉降等監(jiān)控量測(cè)工作。若沉降或收斂出現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止開挖，同時(shí)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，通過(guò)整理和分析以指導(dǎo)和修正施工參數(shù)，并采取相應(yīng)措施。

4 結(jié) 論

(1) 橋面沉降呈現(xiàn)雙沉降槽形式，最大沉降發(fā)生在離隧道較近的橋樁右側(cè)5 m位置處，雙沉降槽位置分別為1/6跨度處，沉降反彎點(diǎn)位于橋墩外側(cè)5 m位置，約為1/6跨度處。

(2) 隧道開挖對(duì)橋面的影響主要集中在兩沉降槽之間范圍，當(dāng)超過(guò)反彎點(diǎn)后，橋面沉降影響逐漸減小。

(3) 隧道開挖工況一對(duì)地層擾動(dòng)較大，橋墩最大沉降發(fā)生在工況四，之后沉降趨于收斂，拆撐時(shí)沉降也有所增加，因此需要對(duì)危險(xiǎn)工況加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)跟蹤注漿。

(4) 暗挖施工目前技術(shù)成熟，暗挖側(cè)穿橋樁風(fēng)險(xiǎn)可控，只要采取適當(dāng)措施，即可保證施工安全。

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Analysis of Bridge Piles Deformation and Construction Measures of Subway Underground Excavation

ZHAO Yu1, LV Haiying1, XIONG Jian1,2

(1.CCCCRailwayDesignInstituteCo.,Ltd.,Beijing100000,China；2.SchoolofResources&CivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning110819,China)

By taking Guanquan Road station of Shenyang subway line 4 as an example, this paper carried out the simulation numerical simulation of the primary risk source of underground tunnel construction-tunnel across viaduct from the side. According to the relevant national standards, differential settlement between bridge pier should not be greater than 5 mm, which put forward higher requirements to underground side wear period of construction. Numerical simulation results show that, when tunnel across viaduct from the side, bridge deck subsidence takes the form of double settling tank. Settling tank is located in the medial 1/6 span bridge piers and settlement of inflection point is located at pier 1/6 span. Through the side wear period of soil grouting reinforcement, we can effectively control the underground tunnel construction of bridge pier settlement and uneven settlement and ensure the operation of the constructed viaduct.

underground tunnel; acrossing viaduct from the side; settlement control; grouting reinforcement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.040

2016-12-29

2017-02-06

趙 瑜(1989—)，女，遼寧大連人，碩士，助理工程師，主要從事地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail:zhaoyu890224@163.com

TU473

A

1672—1144(2017)02—0210—03