周 晨，劉 洋，陳玉發(fā)，楊 俊，傅鶴林，孫廣臣

(1.中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司， 貴州 貴陽 550081； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

推進(jìn)綠色、生態(tài)文明建設(shè)[1-3]是當(dāng)前我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重大戰(zhàn)略之一。近年來，我國地鐵及隧道工程穿越不良地質(zhì)地帶[4-5]、周邊環(huán)境惡劣、復(fù)雜和敏感地段[6-7]的案例越來越多，施工風(fēng)險(xiǎn)不斷增大。目前，深圳市、貴陽市等城市地鐵和地下工程的建設(shè)，除須面臨復(fù)雜地質(zhì)條件、沿線密集建筑物和管線、老城區(qū)施工和城市用地緊張等困難外，在修建過程中對綠色、生態(tài)、環(huán)保的要求也越來越高。

隨著近年來國家大力投資基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，城市地下空間開發(fā)和利用日益受到重視，全國各地的地鐵工程建設(shè)項(xiàng)目也越來越多。以深圳為例，目前就已開通、正在建設(shè)和規(guī)劃了十余條地鐵線路。這其中，深圳地鐵6號線民樂停車場工程，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境敏感、地質(zhì)復(fù)雜、施工難度大、工期緊張及施工風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。由于具有受力明確、結(jié)構(gòu)簡單、便于拼裝、吊裝和易于快速施工等特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)橋梁尤其是鋼桁梁在各種工程建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。目前，對于大跨度鋼桁梁架設(shè)、近接高速公路或跨越營業(yè)線吊裝、施工及安全性等問題，國內(nèi)外已開展大量研究與實(shí)踐。孫連勇[8]以蘭渝鐵路某特大橋工程跨既有線128m大跨度鋼桁梁架設(shè)為例，針對跨越既有鐵路施工場地受限的難題，分析了鋼桁梁側(cè)位拼裝橫移法施工時(shí)，支撐系統(tǒng)、地基及桿件等的受力與變形特性，為跨越營業(yè)線鐵路鋼桁梁施工提供了一定指導(dǎo)和參考。白涵駒[9]以跨榮烏高速特大橋?yàn)槔?，探討了鋼桁梁拼吊裝施工現(xiàn)場質(zhì)量管理的有效措施。趙晉平[10]介紹了準(zhǔn)池鐵路跨大呼高速公路特大橋鋼桁梁施工中鐵路鋼桁梁施工技術(shù)。代建波[11]等以某景區(qū)人行玻璃索橋?yàn)檠芯繉ο?，通過靜載試驗(yàn)和有限元分析，對橋梁的動力剛度及其安全性進(jìn)行了評估和研究。袁理等[12]以大岳高速某洞庭湖大橋鋼桁梁吊裝施工為背景，開發(fā)了一種新的懸索橋淺灘區(qū)梁段吊裝施工技術(shù)。鄧旭等[13]結(jié)合某特大橋連續(xù)鋼桁梁架設(shè)頂推安裝施工實(shí)例，對連續(xù)鋼桁梁頂推架設(shè)施工過程中的受力與安全控制措施進(jìn)行了論述和分析。陳永宏[14]以新建黃大鐵路淄東鐵路立交特大橋上跨既有鐵路張東鐵路和德大史口聯(lián)絡(luò)線的鋼桁梁頂推施工為例，介紹了鋼桁梁臨時(shí)支墩搭設(shè)、鋼桁梁拼裝、頂推施工、糾偏、落梁等施工工藝和既有線防護(hù)等措施。

上述最新研究和相關(guān)工程案例中，大多只是針對大跨度鋼桁梁拼裝、頂推和架設(shè)施工技術(shù)及跨越既有鐵路線的施工技術(shù)和安全控制措施的探討和分析，罕有針對淺埋填土上跨既有運(yùn)營高鐵隧道地鐵停車場大跨度鋼桁梁的架設(shè)方法和安全性評價(jià)的研究或報(bào)道。因此，本文針對民樂停車場建設(shè)中所特有的敏感且復(fù)雜的環(huán)境和地質(zhì)條件，開展鋼桁梁原位吊裝安全分析與評價(jià)研究，相關(guān)研究成果可以直接為該工程的安全施工、下方高鐵填土隧道群的安全監(jiān)控與長期運(yùn)營安全提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，也可為國內(nèi)外類似復(fù)雜地質(zhì)和環(huán)境條件下的地鐵及地下工程建設(shè)提供重要技術(shù)依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)性指導(dǎo)。

1 工程概況

深圳地鐵6號線民樂停車場地塊位于深圳梅觀立交西北側(cè)，新區(qū)大道與4號線以西，翠嶺華庭以南。該停車場場地現(xiàn)狀標(biāo)高93 m～102 m，主要包括運(yùn)用庫、咽喉區(qū)、洗車庫及變電所。其中，廣深港客運(yùn)專線隧道、杭深(廈深)鐵路正線隧道及杭深(廈深)鐵路聯(lián)絡(luò)線隧道下穿該地塊(見圖1—圖3)。該停車場出入線隧道線路大體呈東西走向，起點(diǎn)為梅翰區(qū)間，線路出區(qū)間后，先沿塘朗山山脈往西行，后往東北方向行走接入停車場。

圖1 地鐵停車場分區(qū)示意圖(單位：m)

圖2 各鋼桁梁在停車場中的平面布置示意圖

該停車場與廣深港客運(yùn)專線隧道(處于微風(fēng)化巖層中)交叉里程范圍為DK105+486.5—DK105+637.7，覆土29 m～33 m，與隧道的夾角約45°；與杭深鐵路隧道(處于回填土中)的交叉里程范圍為DK506+363.0—DK506+536.0，覆土8.0 m～8.4 m，與隧道的夾角約33.5°；與杭深鐵路聯(lián)絡(luò)線隧道(處于回填土中)的交叉里程范圍為LDK0+155.0—LDK0+355.0，目前運(yùn)用庫場內(nèi)標(biāo)高為101.25，覆土8.5 m，與隧道的夾角約36.8°。

圖3 鋼桁梁與高鐵隧道群相互關(guān)系示意圖

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)形式

民樂停車場運(yùn)用庫一區(qū)橋梁共三種跨度：55 m、66 m、88 m；場區(qū)消防車道及洗車線共兩種跨度：60 m和80 m。主體鋼結(jié)構(gòu)為采用帶豎桿N型三角桁架，節(jié)間長度11 m，桁高12.55 m。其中，1#和2#橋桁寬14.25 m，3#和4#橋桁寬16.75 m，5#和6#橋桁寬16.75 m，7#—12#橋桁寬17.2 m，13#和14#橋桁寬9 m。鋼桁梁結(jié)構(gòu)主要有主桁上下弦桿、腹桿、上下橫梁、聯(lián)結(jié)系和軌道下縱梁和支座等組成(見圖4)。其中，1#—6#橋、13#—14#橋設(shè)計(jì)總重量6 483 t，7#橋933 t，8#橋1 519 t，9#橋933 t，10#橋1 519 t，11#橋904 t，12#橋1 477 t，單根桿件最大重量約24.3 t。

圖4 鋼桁梁組成示意圖

鋼桁梁主桁連接采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，最大板厚40 mm，上弦桿、下弦桿、端豎桿、上下橫梁及軌道下縱梁采用箱型截面，腹桿采用H型截面。上下弦桿高1 350 mm，寬770 mm，最大板厚40 mm，在腹板及頂?shù)装逯胁吭O(shè)加勁肋。端豎桿高820 mm，內(nèi)寬770 mm，最大板厚28 mm。端部上橫梁寬900 mm，高1 350 mm，板厚20 mm，端部下橫梁寬900 mm，高1 000 mm，板厚20 mm。腹桿采用H型截面，寬650 mm～820 mm，高618 mm～768 mm不等，上橫梁高1 350 mm，寬650 mm，下橫梁高1 000 mm，寬650 mm，聯(lián)結(jié)系高500 mm，寬400 mm。軌道縱梁高450 mm，350 mm。腹桿與主桁節(jié)點(diǎn)采用插入方式連接；少量桿件較長、壓力較大的腹桿采用箱型截面，與主桁節(jié)點(diǎn)采用四面對接的方式連接。弦桿之間采用四面拼接。主桁與節(jié)點(diǎn)之間采用M30高強(qiáng)度螺栓，其余節(jié)點(diǎn)采用M24高強(qiáng)度螺栓連接。

橋梁鋼材均采用Q345QC級鋼，上弦桿頂板節(jié)點(diǎn)板、內(nèi)側(cè)腹板節(jié)點(diǎn)板及下弦桿的底板節(jié)點(diǎn)板、內(nèi)側(cè)腹板節(jié)點(diǎn)板，以及豎桿與橫聯(lián)連接側(cè)的翼緣，當(dāng)板厚≥40 mm時(shí)，采用厚度方向性能鋼板，Z向性能等級為Z25。

1.2 安裝方案

鋼桁梁安裝擬采用100 t履帶吊原位吊裝的方式進(jìn)行安裝，即在各橋梁安裝位置設(shè)置混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)作為鋼桁梁桿件的臨時(shí)支點(diǎn)，然后利用履帶吊由下到上的順序依次吊裝鋼桁梁各桿件進(jìn)行拼裝，每拼裝完成一個節(jié)段吊機(jī)后退，繼續(xù)拼裝下一個節(jié)段的鋼梁，依次完成全橋鋼梁的拼裝。由于各組梁之間的間距比較小，結(jié)合項(xiàng)目的總體工期要求，計(jì)劃先拼裝5#/6#橋和1#/2#橋，然后拼裝3#/4#橋和13#/14#橋，相鄰的兩個橋梁拼裝時(shí)橫向間距拉開1 m，拼裝完成后在橫梁至設(shè)計(jì)橋位。后續(xù)計(jì)算中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件及機(jī)械、人員配備等情況，按不利工況進(jìn)行鋼桁梁拼裝施工階段安全驗(yàn)算。

2 鋼桁梁原位吊裝安全驗(yàn)算與分析

2.1 荷載計(jì)算

由于鋼桁梁上跨鐵路隧道，原位吊裝時(shí)需要在鐵路隧道的上方設(shè)置臨時(shí)混凝土基礎(chǔ)作為鋼桁梁的拼裝胎架，因此需要根據(jù)安裝工況計(jì)算施工荷載，并對鐵路隧道的受力進(jìn)行驗(yàn)算。

建立鋼桁梁橋的有限元分析模型，以5#、6#橋?yàn)槔?，?jì)算鋼桁梁下弦各支點(diǎn)的支反力，得到最大的支點(diǎn)反力為1 259 kN(見圖5)。

5#、6#橋各支點(diǎn)反力及支點(diǎn)相對于鐵路隧道的關(guān)系，如圖6所示。

圖5 5#、6#鋼桁梁反力計(jì)算模型(單位：kN)

圖6 5#、6#鋼桁梁各支點(diǎn)布置示意圖

2.2 三維有限元模型的建立

通過MIDAS/GTS NX 有限元軟件建立民樂停車場整體三維群樁-隧道-圍巖數(shù)值分析模型。所建立的模型，如圖7所示。

圖7 停車場整體有限元計(jì)算模型

計(jì)算模型左右方向考慮3倍隧道寬度和高度方向3倍隧道洞跨、3倍樁長的影響，模型計(jì)算范圍：長×寬×高= 450 m×320 m×132.5 m。模型中的土層均看作理想各向同性材料，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。假定隧道及附近圍巖在外荷載作用下仍處于彈性變形階段，采用各向同性的彈性模型(見圖8)。各地層、樁基礎(chǔ)、碎石混凝土基礎(chǔ)均為3D實(shí)體單元，隧道襯砌為2D板單元，各類單元總數(shù)66 6012個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)125 694個。

2.3 計(jì)算參數(shù)的選取

本場地內(nèi)的土(巖)層主要有：填土、黏土、碎石等，土質(zhì)不均，局部混有少量建筑垃圾。計(jì)算中，各土(巖)層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.4 邊界條件

模型約束條件為前、后、左、右側(cè)邊界，施加水平方向單向約束，底面施加豎向約束，模型上表面為自由面。數(shù)值計(jì)算分析工況，見表2。

表1 計(jì)算參數(shù)

表2 鋼桁架梁原位吊裝分析計(jì)算工況

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

(1) 隧道襯砌、片石混凝土基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)位移。研究工況2—工況5中隧道襯砌、片石混凝土基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)的豎向位移和水平位移情況可見，隧道襯砌豎向位移(向下)最大值為-1.85 mm(沉降)，出現(xiàn)在杭深梅林隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道交叉部位的拱腰、側(cè)墻及底板處(靠近16#梁)，出現(xiàn)在工況5(拼裝完1#—16#梁)；隧道襯砌豎向位移(向上)最大值為0.96 mm(隆起)，出現(xiàn)在杭深梅林隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道交叉處的杭深梅林隧道拱頂部位，出現(xiàn)在工況2(拼裝完5#—8#梁)；隧道襯砌水平位移最大值為2.28 mm，出現(xiàn)在杭深梅林隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道的拱腰及側(cè)墻部位；廣深港鐵路隧道襯砌最大沉降值為0.48 mm，最大水平位移值為0.91 mm。

各個拼裝階段，杭深梅林隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道襯砌的最大沉降值分別為1.69 mm、1.69 mm、1.70 mm和1.88 mm，出現(xiàn)在1#、2#、3#、4#、5#、6#梁原位拼裝處附近與交叉部位的拱腰、側(cè)墻及底板處，其他部位均在0.15 mm～1.47 mm左右；隧道襯砌的最大隆起值分別為0.96 mm、0.92 mm、0.87 mm、0.88 mm，均出現(xiàn)在杭深梅林隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道交叉處的杭深梅林隧道拱頂部位(12#梁底部、14#梁北側(cè))，其他部位均在0.08 mm～0.74 mm左右；隧道襯砌水平位移處于0.12 mm～2.28 mm之間，最大值出現(xiàn)在杭深梅林隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道的拱腰及側(cè)墻部位；各個拼裝階段，廣深港鐵路隧道襯砌最大沉降值為0.48 mm，最大水平位移值為0.91 mm。

綜上可見，各拼裝階段中杭深梅林隧道及其聯(lián)絡(luò)線隧道與廣深港鐵路隧道襯砌的最大沉降、最大隆起和最大水平位移數(shù)值，均小于±2.5 mm的隧道安全運(yùn)營預(yù)警值[15]。

(2) 隧道周邊巖土體位移。研究工況2—工況5中隧道周邊巖土體豎向位移和水平位移情況可見，在各拼裝工況下隧道周邊巖土體的沉降值處于-2.38 mm(沉降)～1.02 mm(隆起)之間，巖土體水平位移處于-2.28 mm～1.84 mm之間，均滿足施工要求。

(3) 結(jié)果分析與討論。通過計(jì)算與分析可知，在安裝過程中，鋼桁梁各節(jié)點(diǎn)支點(diǎn)處對地面的最大荷載擴(kuò)散到隧道上方時(shí)的均布荷載，小于履帶吊在隧道上方吊裝最大桿件時(shí)對地面的壓力擴(kuò)散到隧道頂面的均布荷載值。因此，在杭深鐵路隧道和廣深港鐵路隧道上方施工時(shí)，傳遞到隧道頂部的最大均布荷載及其引起的位移在隧道結(jié)構(gòu)的承載范圍內(nèi)，滿足施工要求。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示：杭深梅林隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道襯砌最大沉降值為1.88 mm，最大隆起值為0.96 mm，最大水平位移為2.28 mm，均小于2.5 mm的隧道安全運(yùn)營預(yù)警值；廣深港鐵路隧道襯砌最大沉降值為0.48 mm，最大水平位移值為0.91 mm，也均小于2.5 mm的隧道安全運(yùn)營預(yù)警值。各拼裝工況下，隧道周邊巖土體最大沉降2.38 mm，最大水平位移2.28 mm，滿足施工要求。

3 結(jié)論與建議

通過對施工階段多種不利情況下的深圳地鐵6號線民樂停車場的運(yùn)用庫一區(qū)橋梁上部結(jié)構(gòu)鋼桁梁原位拼裝與吊裝施工的數(shù)值模擬和計(jì)算分析，主要得到以下結(jié)論：

(1) 在杭深鐵路隧道和廣深港鐵路隧道上方施工時(shí)，傳遞到隧道頂部的最大均布荷載及其引起的位移在隧道結(jié)構(gòu)的承載范圍內(nèi)，滿足施工要求。

(2) 杭深梅林隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道、廣深港鐵路隧道襯砌的最大沉降(或隆起)和最大水平位移，均小于隧道安全運(yùn)營預(yù)警值，且在各拼裝工況下，隧道周邊巖土體最大沉降和水平位移，也滿足施工要求。

綜上可見，民樂地鐵停車場鋼桁梁采用原位吊裝的方式進(jìn)行安裝，對下方鐵路隧道的安全無顯著影響，因而采用原位吊裝的方式進(jìn)行鋼桁梁安裝(在嚴(yán)格按照前述既定施工方案和現(xiàn)場配合條件的前提下)是安全可靠的。