蔡忠澤

(中鐵六局集團石家莊鐵路建設(shè)有限公司,石家莊 050010)

近年來隨著城市交通的發(fā)展,地鐵的建設(shè)里程越來越多,由于城市中有很多高架橋,很多地鐵臨近城市的既有高架橋,這樣，地鐵的施工必然會對臨近高架橋造成一定的影響。為了保證地鐵施工的順利和高架橋的安全,對直徑線地鐵的受力進行了數(shù)值模擬分析,得到的結(jié)論可以為類似工程的設(shè)計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

白云路立交橋系北京西客站市政配套工程的一個組成部分,是市區(qū)通往西客站的重要干線上一座橋梁。該橋位于蓮花池東路與白云路相交處,跨越白云路。橋梁由北京市政設(shè)計院設(shè)計,北京市政二公司施工,于1994年9月建成通車。橋梁全長173.68 m,全寬29.00 m,雙向6車道,中間設(shè)2.00 m寬隔離帶,兩側(cè)各設(shè)1.25 m寬的人行道和防護欄桿。橋梁設(shè)計荷載為汽車-超20、掛車-120。

高架上部結(jié)構(gòu)為7跨(20.70+3×21.04+27.00+2×21.04+20.70)m簡支梁,其中27 m跨為預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁,共12片,其余為普通鋼筋混凝土工字梁,共84片；下部結(jié)構(gòu)為挖孔灌注樁基礎(chǔ),雙柱式墩臺；橋面系：現(xiàn)澆整體連續(xù)橋面板、瀝青混凝土橋面、SYL-Ⅰ型齒型鋼板伸縮縫、鋼筋混凝土欄桿及防撞墩、馬口鐵排水管。

直徑線地鐵在白云路立交橋的區(qū)段內(nèi),從東向西在橋梁樁基的北側(cè)通過,埋深6.3 m,距離高架橋樁基的凈距不到8 m,地鐵采用淺埋暗挖法施工。由于地鐵距離高架橋樁基礎(chǔ)很近,為了確保高架橋的安全和地鐵施工的安全,需要考慮地鐵施工對白云路高架橋的影響,尤其是北半幅橋。地鐵橫斷面與橋梁的橫斷面位置關(guān)系見圖1。

圖1 地鐵橫斷面與高架橋位置關(guān)系(單位：m)

由于高架橋已經(jīng)運營了十幾年,橋梁整體技術(shù)狀況的好壞將直接關(guān)系到隧道施工對既有橋梁影響程度,即：如果橋梁技術(shù)狀況較好,則影響就會小些,如果橋梁技術(shù)狀況較差,則影響將較大,可能會危及橋梁安全。經(jīng)過檢查,高架橋上部結(jié)構(gòu)第4跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁基本完好,跨中正彎矩區(qū)和支點剪力區(qū)未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力裂縫,也未見其他明顯病害；其余橋跨普通鋼筋混凝土工字形簡支梁普遍存在開裂現(xiàn)象,部分裂縫寬度超出規(guī)范限值要求。裂縫主要有2種,即支點附近斜裂縫和腹板棗核形裂縫?；诟呒軜虻倪@些裂縫病害情況,一方面在地鐵施工中之前必須嚴(yán)格根據(jù)地鐵具體的施工工藝對結(jié)構(gòu)進行模擬計算,較準(zhǔn)確地預(yù)判橋梁的內(nèi)力和位移；另一方面,在施工過程中要采取相對嚴(yán)格的位移控制標(biāo)準(zhǔn),盡可能降低地鐵施工引起的橋梁內(nèi)力增加值,確保高架橋的安全。

2 地鐵數(shù)值模擬分析

使用專業(yè)巖土工程計算分析軟件進行地鐵施工的仿真模擬。根據(jù)地鐵施工方法的不同、地鐵斷面與橋基的位置關(guān)系、橋梁現(xiàn)狀的好壞等因素來選擇模擬斷面,地質(zhì)條件按勘察設(shè)計資料采用,地鐵開挖盡可能按地鐵的實際施工工藝進行模擬。

地鐵采用交叉中隔壁法(CRD工法)施工,結(jié)構(gòu)寬度為11.552 m,結(jié)構(gòu)高度10.255 m,初期支護采用厚度為35 cm的格柵網(wǎng)噴C25混凝土,二次襯砌為50 cm厚C35防水鋼筋混凝土,地鐵襯砌結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 地鐵襯砌結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)地質(zhì)資料,模擬橋址處的土層從上至下依次為：(1)人工填土；(2)沖擊洪積層；(3)圓礫層；(4)粉土層；(5)圓礫層；(6)粉質(zhì)黏土等土層。高架橋的樁基礎(chǔ)是混凝土材料,所以在建立本構(gòu)模型時采用了莫爾-庫侖準(zhǔn)則,取用的應(yīng)力邊界條件為：豎直方向按土層自重應(yīng)力,水平垂直地鐵軸線方向為0.8倍自重應(yīng)力,水平平行地鐵軸線方向為1.2倍自重應(yīng)力。位移邊界條件為：模型頂面自由,四周約束各邊界面的法向位移,底面完全約束。

地鐵和橋基的數(shù)值模型以地鐵正上方的地表點為原點,水平向右為X軸方向,沿地鐵軸向向內(nèi)為Y軸正方向,垂直向上為Z軸正方向。模型大小嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)實際尺寸建立,整個模型范圍大小為75 m×30 m×40 m,共劃分網(wǎng)格單元86 750個,節(jié)點92 430個,如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 計算結(jié)果及分析

地鐵施工后地鐵和高架橋的應(yīng)力場分布情況如圖4和圖5所示。

圖4 地鐵施工后縱斷面應(yīng)力場分布

圖5 地鐵施工后樁應(yīng)力場分布

從模擬分析地鐵施工完后垂直應(yīng)力場分布情況可以看出,地鐵襯砌中最大應(yīng)力集中在地鐵兩幫處,由于地鐵埋深不大,因此最大應(yīng)力值并不大,其值為1.0 MPa,位置在襯砌的兩幫附近；高架橋樁基的最大應(yīng)力值為0.96 MPa,最大應(yīng)力發(fā)生在中間2個橋墩頂下部1.5 m左右的位置。

地鐵施工后地鐵襯砌的水平位移場(x方向)和地鐵周圍土體的豎直位移場(z方向)分布如圖6和圖7所示。

圖6 地鐵施工后襯砌水平位移場

圖7 地鐵施工后土體豎向位移場

從圖6可以看出,地鐵砌頂水平方向的最大位移出現(xiàn)在襯砌的兩幫處,最大位移值為20.4 mm,從圖7可以看出,地鐵頂部的地表土體最大沉降38.5 mm。

高架橋樁的水平(x方向)和豎向(z方向)位移場如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出,樁基礎(chǔ)的最大水平位移為2.16 mm,發(fā)生在樁基礎(chǔ)的底部；最大豎向位移為11.9 mm,發(fā)生在樁基礎(chǔ)的頂部。

圖8 地鐵施工后樁水平位移場

圖9 地鐵施工后樁垂直位移場

為了獲取橋梁總體的位移變化情況,軟件計算出了地鐵施工中樁基礎(chǔ)特征點的位移曲線,這里給出了各個樁上部特征點的水平位移曲線和沉降曲線,如圖10和圖11所示；由于1號樁距離地鐵最近,因此其變形也最大,所以這里計算出了1號樁各個特征點的水平位移曲線和沉降曲線,如圖12和圖13所示。此外,地鐵施工后,計算得到的地鐵周圍土體塑性破壞區(qū)分布情況如圖14所示。

圖10 地鐵施工后各樁上部特征點水平位移曲線

圖11 地鐵施工后各樁上部特征點沉降曲線

圖12 地鐵施工后1號樁各特征點水平位移曲線

圖13 地鐵施工后1號樁各特征點沉降曲線

圖14 地鐵施工后塑性破壞區(qū)分布

從以上模擬分析地鐵施工完后樁基位移場分布情況和樁基特征點沉降曲線可以看出,1號樁最大沉降約為10.4 mm,2號樁的最大沉降約為5 mm,兩樁的差異沉降為5.4 mm。3號、4號樁的沉降量都在3 mm以內(nèi)。1號樁的最大水平方向位移為8.9 mm；2號樁最大水平位移約為7.5 mm,二者相差1.4 mm。此外,地鐵上方出現(xiàn)了塑性破壞區(qū)域,在拱頂兩側(cè)約成45°角擴散至地面。

雖然上面基于假定采用專業(yè)軟件進行了模擬計算和分析,但是,由于巖土工程的不確定性因素較多,如地質(zhì)資料、巖土物理力學(xué)性質(zhì)、施工工藝、施工質(zhì)量等等,將導(dǎo)致數(shù)值計算的結(jié)果與工程實際情況存在一定的偏差。此外,以上數(shù)值分析中未考慮由于CRD施工工藝不完善、工人技術(shù)水平低、機械故障、注漿時間不妥、注漿量不足、施工降水等原因造成的影響。

3 地鐵施工分析與監(jiān)控

通過以上的模擬計算結(jié)果可以看出,地鐵的施工會引起高架橋較大的變形和內(nèi)力,鑒于此,為了保證施工安全,在地鐵施工之前首先對橋梁周圍的地基土層進行了注漿加固,同時由于模擬計算時地鐵上方出現(xiàn)了塑性破壞區(qū)域,因此在地鐵施工前預(yù)先布置了間距為25 cm的超前管棚,同時在隧道頂部的地面設(shè)置了沉降監(jiān)測點。另一方面,因地鐵施工對地層造成了擾動,且由于地鐵襯砌支護滯后,這必然會導(dǎo)致地鐵施工區(qū)域附近地層產(chǎn)生位移,這也必然會導(dǎo)致附近橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生位移。因此,在地鐵附近立交橋的蓋梁底部(蓋梁和橋墩結(jié)合部)布置了4個測點,在隧道施工過程中采用全站儀測量其水平和豎向位移。

此外,由于地層的變形、蠕動、地應(yīng)力的釋放傳遞需要一定的時間才會穩(wěn)定,地鐵施工對橋基的不利影響將會持續(xù)一段時間。因此,在施工過程中對橋梁基礎(chǔ)位移監(jiān)控一直延續(xù)至地鐵施工完成后12個月,在地鐵施工期間每天進行早中晚3次測量,在施工完成后第一個月每隔3 d測量1次,以后測量頻率逐漸較少,直至每隔15 d測量1次。

鑒于臨近地鐵高架橋的普通鋼筋混凝土梁普遍存在開裂現(xiàn)象,支點附近存在著斜裂縫和腹板棗核形裂縫,其中支點斜裂縫為結(jié)構(gòu)受力裂縫,腹板棗核形裂縫為收縮裂縫。腹板收縮裂縫目前應(yīng)已穩(wěn)定,對結(jié)構(gòu)的承載能力影響不大；支點處斜裂縫則對結(jié)構(gòu)承載能力有一定影響,因此在地鐵施工時對典型的支點斜裂縫進行了監(jiān)測,隨時關(guān)注裂縫是否仍在發(fā)展。

4 結(jié)論

地鐵采用CRD法施工模擬分析結(jié)果顯示,地鐵施工對樁基和地表土體均產(chǎn)生了較大的影響。一方面,施工引起的附加應(yīng)力達到了1 MPa；另一方面,樁基發(fā)生了水平位移和沉降,最大水平位移約為8.9 mm,最大沉降值約為10.4 mm,最大差異沉降值約為5.4 mm,地表最大沉降量達到了38.5 mm,且在地鐵上方出現(xiàn)了塑性破壞區(qū)域。

由于在地鐵施工中采取了注漿加固地基,并設(shè)置了加密的超前導(dǎo)管,在地鐵施工中,測得的橋基最大水平位移僅為2.6 mm,最大豎向位移為3.7 mm,均控制在了5 mm內(nèi)；同一蓋梁下兩樁基差異沉降僅為2.2 mm,亦控制在5 mm以內(nèi)。同時,在施工期間梁體支點附近的斜裂縫保持穩(wěn)定,沒有擴展,這表明地鐵施工對橋梁的內(nèi)力影響很小。

總之,對于臨近白云路高架橋的地鐵施工通過模擬計算,根據(jù)計算結(jié)果采取了一些措施,確保了地鐵施工過程的安全,最大程度地降低了對臨近高架橋的影響,為類似工程的施工提供了有益的借鑒。

[1] 薛尚玲,等.重慶國際大廈硐室地基和基礎(chǔ)數(shù)值分析[J]. 西部探礦工程,2000(2):13-15.

[2] 周玉宏,等.偏壓連拱隧道施工過程的優(yōu)化研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2002(5):679- 683.

[3] 林存友,等.穿越樓房下方的隧道安全施工技術(shù)[J].安全與環(huán)境工程,2002(6):27-30.

[4] 關(guān)寶樹.鐵路隧道圍巖分類[M].北京:人民鐵道出版社,1987.

[5] 李世輝.隧道圍巖穩(wěn)定系統(tǒng)分析[M].北京:中國鐵道出版社,1991.

[6] 譚富圣.淺埋暗挖車站近距離穿越既有橋樁影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009(10).

[7] 張 鵬,譚忠勝.淺埋隧道下穿公路引起的路面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2008(4):137-140.

[8] 許世偉，楊慧林.盾構(gòu)隧道施工對臨近市政橋梁影響的數(shù)值分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009(10).

[9] 吳建偉,龔英杰.北京地鐵奧運支線折返線區(qū)間下穿健安橋、小月河綜合施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(12):254-258.