PBA車站扣拱施工順序?qū)ι喜靠绾訕虺两涤绊懛治?/h1>
2021-01-18 03:43:42曹力橋王志斌周丁恒
曹力橋，王志斌，周丁恒
(1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063； 2. 杭州蕭冠交通工程有限公司，浙江 杭州 311215；3. 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)
0 引 言
PBA工法為淺埋暗挖法的一種，研發(fā)自我國(guó)。該工法是由邊樁、中樁(柱)、頂?shù)琢?、頂拱共同?gòu)成初期受力體系，承載施工過程中的荷載。其核心思想是將蓋挖法與暗挖法有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，在頂蓋的保護(hù)逐層向下開挖，施作二次襯砌，最終形成由初期支護(hù)和二次襯砌組成的永久承載體系。PBA工法具有施工工期相對(duì)較短、臨時(shí)支撐較少、安全性較好及工程造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為北京地區(qū)暗挖地鐵車站主流施工工法。已運(yùn)營(yíng)的北京地鐵6號(hào)線一期及7號(hào)線暗挖車站中采用了該工法[1]；正在建設(shè)的北京地鐵12號(hào)線及16號(hào)線暗挖車站也大量采用該工法，且隨著該工法的成熟與完善，PBA工法在沈陽[2]、大連[3]等城市也得了一定應(yīng)用。
隨著城市軌道交通建設(shè)高速發(fā)展，地鐵車站興建時(shí)不可避免遇到各種類型建筑物。車站臨近橋梁施工則是其中一種典型情況。較早針對(duì)PBA工法施工的地鐵車站臨近橋梁的研究開始于臨近橋基的北京地鐵10號(hào)線國(guó)貿(mào)站。吳波等[4,5]采用數(shù)值模擬方法就該車站洞樁法施工的風(fēng)道及風(fēng)道轉(zhuǎn)彎段對(duì)鄰近橋基的影響做了系列研究；何海健等[6]依托國(guó)貿(mào)站風(fēng)道臨近橋基，采用蒙特卡羅方法，研究了地層、注漿和初襯的彈性模量及泊松比對(duì)鄰近墩臺(tái)差異沉降值的影響程度，得到了樁基間差異沉降的概率分布、差異沉降值的可能范圍及結(jié)構(gòu)相應(yīng)的可靠度，且在實(shí)測(cè)結(jié)果中得到了驗(yàn)證性仍需更多類似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，但該研究方向國(guó)內(nèi)外均少有涉及，其正確性仍需更多類似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證；姚宣德[7]分析與推導(dǎo)了各種橋樁影響類型受淺埋暗挖法施工影響的附加荷載、沉降及變形的計(jì)算方法，并將其應(yīng)用于國(guó)貿(mào)站風(fēng)道施工時(shí)橋基計(jì)算中。此外，李汶京[8]、毛巨省[9]圍繞該車站風(fēng)道對(duì)橋基影響做了數(shù)值分析工作，并提出了一些橋基保護(hù)及控制措施。但國(guó)貿(mào)站風(fēng)道為2導(dǎo)洞PBA工法施工，且側(cè)穿的是單組橋樁，從工程體量和相對(duì)位置關(guān)系來說，臨近施工難度相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)現(xiàn)今各種復(fù)雜PBA穿越橋梁情況借鑒作用有限。近5年來，隨著研究方法逐漸多樣化，對(duì)PBA車站臨近橋梁的研究取得一些成果，其中代表性的有：周正宇等[10-11]、蘇潔等[12]將風(fēng)險(xiǎn)理論引入PBA車站臨近橋梁施工控制；任建喜等[13]采用有限差分原理，模擬預(yù)測(cè)8導(dǎo)洞PBA車站施工引起的上部橋梁沉降，并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析；韋京等[14]將FLAC3D數(shù)值模擬和層次分析法結(jié)合起來確定車站下穿橋梁的最優(yōu)方案，其考慮的方案多達(dá)9種，完成對(duì)比研究工作，所得結(jié)論值得借鑒與參考。前人研究中車站與橋樁位置關(guān)系多為側(cè)穿，未出現(xiàn)有依托工程中橋樁在車站上方的情況(橋樁位于車站上方，且樁底與車站頂部距離僅為0.6 m)，扣拱順序?qū)τ赑BA車站施工對(duì)土體變形影響較大[15]，合理扣拱施工順序?qū)τ诒竟こ虠l件下上部橋梁沉降控制尤為重要。
1 工程背景
1.1 工程概況
北京地鐵16號(hào)線紅蓮南里站位于蓮花河?xùn)|側(cè)路與紅蓮南路交叉路口，沿蓮花河南北向布置。紅蓮南里站為地下雙層三跨島式車站，地下一層為站廳層、地下二層為站臺(tái)層。車站全長(zhǎng)262.7 m，主體結(jié)構(gòu)寬度為22.4 m，中心里程處軌面埋深26.71 m。車站主體采用暗挖(PBA)法施工。與車站相接處兩端區(qū)間均采用暗挖法施工。車站標(biāo)準(zhǔn)段覆土厚度約為13 m，跨路口段覆土厚度約為14 m。
紅蓮南里站下穿南馬連道跨蓮花河橋(三跨簡(jiǎn)支公路橋)。蓮花河橋下部結(jié)構(gòu)形式為：墩臺(tái)由柱接蓋梁組成；中墩由3根樁接柱與矩形截面連續(xù)蓋梁構(gòu)成；圓形墩柱直徑為1 m；橋臺(tái)由3根樁與矩形截面連續(xù)蓋梁構(gòu)成，蓋梁截面為1.2 m×1.2 m；基礎(chǔ)均采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1.2 m。
車站與上部橋梁及橋樁相對(duì)位置關(guān)系如圖1。橋面和車站頂部距離約為24.7 m，蓮花河?xùn)|側(cè)3根橋樁距離車站頂部距離僅為0.6 m左右。橋樁處于車站頂部，無法進(jìn)行樁基拖換，對(duì)車站施工帶來了較大的影響。
圖1 車站跨河橋相對(duì)位置關(guān)系剖面Fig. 1 Relative position profile of station of river-crossing bridge
1.2 工程地質(zhì)條件
車站上方層由上而下主要有：粉質(zhì)粘土填土①、雜填土①1、粉土②、粉質(zhì)粘土②1、粉細(xì)砂②3、中粗砂②4、圓礫②5、卵石⑤、中粗砂⑤1。車站范圍內(nèi)土層由上而下主要有：卵石⑤、中粗砂⑤1、粉質(zhì)粘土⑤4、卵石⑦、中粗砂⑦1、粉土⑦3、卵石⑨。
2 計(jì)算模型
2.1 數(shù)值模型建立
數(shù)值模擬計(jì)算中筆者所做假定與簡(jiǎn)化如下：
1)假設(shè)地表與土層均勻，土層厚度根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告選取。
2)模型單元類型的選取。橋樁及上部墩柱采用梁?jiǎn)卧M，車站邊樁、中柱及中樁采用梁?jiǎn)卧M；河底面層、導(dǎo)洞初支及扣拱初支采用板單元模擬；橋面及底部梁采用實(shí)體單元模擬，車站導(dǎo)洞回填、冠梁、車站結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，土體模型同樣采用實(shí)體單元，其本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫模型，不考慮地下水的影響。
3)初期支護(hù)等效處理。數(shù)值計(jì)算中通常采用等效剛度方法，將鋼格柵和混凝土的總剛度等效處理為混凝土的強(qiáng)度，其計(jì)算公式為：
E=E0+(Sg×Eg)/Sc
(1)
式中：E為等效的混凝土彈性模量，MPa；E0為混凝土材料的彈性模量，MPa；Sg為鋼架截面 面 積，m2；Eg為鋼材的彈性模量，MPa；S0為混凝土截面上的面積，m2。
4)模型尺寸概況。本次數(shù)值模擬中，建立了完整車站模型，但分析導(dǎo)洞施工順序影響時(shí)，不涉及導(dǎo)洞施工后的相關(guān)模擬程序。上邊界取至地表，底部邊界取結(jié)構(gòu)底板下21.47 m(下邊界與導(dǎo)洞底部距離31.32 m)，豎向高度為50 m；橫向長(zhǎng)度取邊樁外側(cè)47.5 m，橫向?qū)挾葹?16.43 m；考了施工空間效應(yīng)，模型縱向?qū)挾热∽钔鈧?cè)橋樁24 m，縱向?qū)挾葹?0 m。
5)模型邊界條件。上邊界不設(shè)定約束，左右邊界為水平約束，底部邊界添加水平和豎向約束。
6)荷載情況。計(jì)算模型主要考慮土體自重和地面超載，其中土體自重由GTS NX自動(dòng)生成，地面超載及橋面荷載值均取20 kPa。紅蓮南里站下穿南馬連道跨蓮花河橋三維有限元計(jì)算模型和車站結(jié)構(gòu)模型分別如圖2、圖3。
圖2 三維有限元計(jì)算模型Fig. 2 3D FEM calculation model
圖3 車站結(jié)構(gòu)模型Fig. 3 Station structure model
7)分段模擬說明。計(jì)算采用分段方式模擬車站開挖的空間效應(yīng)，同時(shí)考慮加固區(qū)范圍(以橋梁中心為Z坐標(biāo)零點(diǎn)，加固范圍為Z取-10.6～17.95 m，由前至后，施工進(jìn)尺分別設(shè)置為3.95、3、3、3、3.05、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2.6、3、3、3、3、3、4.4 m。
2.2 計(jì)算參數(shù)
模型共分9個(gè)土層，各土層物理力學(xué)參數(shù)列于表1中，橋梁及地下結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表2中。
表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of soil
表2 材料計(jì)算取值Table 2 Material calculation value
2.3 施工方案
PBA工法扣拱施工的具體步驟一般為邊導(dǎo)洞內(nèi)結(jié)構(gòu)施工→混凝土回填→分步開挖導(dǎo)洞間拱部土體、初支扣拱→分段拆除邊導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)→施做導(dǎo)洞間二襯結(jié)構(gòu)完成扣拱。
筆者選取4種施工方案進(jìn)行對(duì)比分析，為避免偏壓情況出現(xiàn)，左、右邊跨施工同步進(jìn)行。方案1：先施工中跨，再施工邊跨，中跨開挖面超左、右邊跨六段，開挖錯(cuò)距為12～19.4 m；方案2：先施工中跨，再施工邊跨，中跨開挖面超邊跨三段，開挖錯(cuò)距為6～10.4 m；方案3：先施工邊跨，再施工中跨，邊跨開挖面超中跨六段，開挖錯(cuò)距為12～19.4 m；方案4：先施工邊跨，再施工中跨，邊跨開挖面超中跨三段，開挖錯(cuò)距為6～10.4 m。
3 計(jì)算結(jié)果與分析
筆者重點(diǎn)研究不同扣拱施工順序?qū)驑段灰频挠绊?，并輔以地層變形、車站結(jié)構(gòu)受力性態(tài)分析。位移結(jié)果與車站結(jié)構(gòu)受力分析均選用Z=0斷面為研究對(duì)象。每排橋樁編號(hào)方式：由靠近車站一側(cè)分別編號(hào)為1#、2#、3#、4#，并以南、中、北依次命名同一排3根不同樁，如1#南橋樁。
3.1 不同扣拱施工順序下橋樁沉降分析
3.1.1 樁底沉降
圖4為不同扣拱施工順序下橋樁沉降云圖。綜合分析4種方案扣拱施工引起的橋樁沉降結(jié)果，可得到以下規(guī)律：
圖4 不同扣拱施工順序下橋樁沉降云圖Fig. 4 Settlement nephogram of bridge pile under different buckle-arch construction sequence
1)1#排樁樁底沉降稍大于樁頂沉降，2#、3#、4#排樁則相反，樁頂沉降稍大于樁底沉降。
2)對(duì)于橋樁最大沉降，方案3最大，方案2最小，方案1和方案4介于兩者之間，且最大橋樁沉降差異很小。由此可見：中跨與邊跨錯(cuò)距相同時(shí)，先中后邊順序時(shí)引起的橋樁沉降比先邊后中順序時(shí)引起的橋樁沉降稍小。
3)4種方案下位于車站頂部的1#排樁沉降遠(yuǎn)大于其他3排樁，以中間4根樁和1#中橋樁距離為橫坐標(biāo)，以4根樁樁底沉降為縱坐標(biāo)，繪制出樁底沉降-距離關(guān)系曲線(圖5)。樁底沉降與樁與1#中橋樁間的距離呈指數(shù)衰減關(guān)系，4種方案的曲線反彎點(diǎn)值約為15 m，表明扣拱施工對(duì)上部橋樁的影響范圍約為15 m，邊中跨扣拱順序及邊中跨開挖面錯(cuò)距大小對(duì)于扣拱施工橫向影響范圍影響很小。
圖5 中間樁樁底沉降與距離關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship curves between bottom settlement of middle pile and distance
3.1.2 樁底差異沉降
差異沉降是衡量橋梁位移的重要指標(biāo)。本次計(jì)算中，加固區(qū)范圍為Z取-10.6～12.95 m。模型中只有加固范圍不對(duì)稱，故車站扣拱施工完成后，同一排3根樁的絕對(duì)沉降值差異不大。以1#排樁為例，4種方案樁底差異沉降隨不同扣拱施工步變化如圖6。差異沉降計(jì)算基點(diǎn)均為中樁樁底沉降，如南樁與中樁之間的差異沉降為中樁樁底沉降值減去南樁樁底沉降值。圖6中差異沉降出現(xiàn)負(fù)值表示中橋樁樁底沉降小于南、北橋樁。
由圖6可得出樁底差異沉降變化規(guī)律：①4種方案1#排樁樁底差異隨扣拱施工步變化趨勢(shì)基本一致，在中、邊跨扣拱開挖面錯(cuò)距相同情況下，方案1是方案3整體后移，方案2是方案的整體后移；②掘進(jìn)一段距離后，差異沉降開始減小至0并轉(zhuǎn)為負(fù)值增大形式， 到達(dá)最大值后又逐漸減小，隨著中、邊跨扣拱開挖面遠(yuǎn)離橋樁，逐漸趨于穩(wěn)定；③4種方案下樁底最大差異沉降相差不大，1#中橋樁與南橋樁差異沉降峰值在-0.52 mm左右，1#中橋樁與北橋樁差異沉降峰值在-0.61 mm左右。上述變化規(guī)律亦存在其他3排樁中。
圖6 不同方案下1#排樁底差異沉降隨扣拱施工步變化Fig. 6 Variation of bottom settlement difference of 1# row pile changing with buckle-arch construction steps under different schemes
3.1.3 橋梁沉降控制標(biāo)準(zhǔn)
筆者側(cè)重分析不同扣拱順序?qū)蛄旱挠绊懀什粚?duì)橋梁安全評(píng)估進(jìn)行主要分析，只提出橋梁評(píng)估單位對(duì)車站施工過程中橋梁位移控制標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)CJJ99—2003《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，南馬連道跨蓮花河橋評(píng)估等級(jí)為B級(jí)，處于良好狀態(tài)；橋梁目前工作狀況良好，上部結(jié)構(gòu)主要為施工縫及絞縫滲水泛堿等耐久性病害；橋臺(tái)存在水跡及混凝土剝離現(xiàn)象，橋墩及基礎(chǔ)未見異?，F(xiàn)象；橋面鋪裝墩頂存在橫向通長(zhǎng)裂縫及橋面縱向裂縫，破壞橋面防水層，影響結(jié)構(gòu)耐久性。橋梁評(píng)估單位評(píng)估提出1#、2#排樁均勻沉降控制值小于等于5 mm，不均勻沉降控制值小于等于2 mm。從不同扣拱施工順序下樁底沉降及差異沉降計(jì)算結(jié)果來看，均在橋梁容許范圍內(nèi)。
3.2 不同扣拱施工順序下土體變形分析
不同扣拱施工順序下土體豎向變形如圖7。
圖7 不同扣拱施工順序下土體豎向變形云圖Fig. 7 Vertical deformation nephogram of soil under different buckle-arch construction sequence
由圖7可知：
1)4種方案下扣拱完成后土體變形最大值分別為5.91、5.77、5.89、5.74 mm，先中后邊順序下土體豎向變形與先邊后中順序下土體豎向變形差異極小。
2)本次計(jì)算中采取的中、邊跨開挖面錯(cuò)距是變化的，存在遠(yuǎn)近此消彼長(zhǎng)的作用，故無論是先中后邊的施工順序還是先邊后中的施工順序，錯(cuò)距不同對(duì)土體變形的影響不大。相同扣拱施工順序下，3段錯(cuò)距下土體最大豎向變形小于6段錯(cuò)距離下土體最大豎向變形約為0.14 mm。
3)4種方案下扣拱完成后地表最大沉降分別為3.24、3.11、3.34、3.23 mm，先中后邊順序下地表沉降稍小于先邊后中順序下地表沉降，但兩者差異很小。
4)相同扣拱施工順序下，3段錯(cuò)距下地表最大沉降小于六段錯(cuò)距離下最大地表沉降約為0.11 mm。
3.3 不同扣拱施工順序?qū)囌局兄绊懛治?/h3>
圖8為不同扣拱施工順序下Z=0斷面的車站中柱豎向位移云圖，不同方案下車站中柱頂部位移隨扣拱施工步變化如圖9。
圖8 不同扣拱施工順序下車站中柱豎向位移云圖Fig. 8 Vertical displacement nephogram of station middle-column under different buckle-arch construction sequence
扣拱施工完成后4種方案下車站左中柱位移穩(wěn)定值分別為1.155、0.999、1.151、1.005 mm，車站右中柱位移穩(wěn)定值分別為0.710、0.585、0.707、0.585 5 mm。在4種施工方案中，車站中柱頂部位移的變化規(guī)律基本相同，均為隨著扣拱施工向前推進(jìn)，逐漸減小，當(dāng)開挖面遠(yuǎn)離后，頂部位移趨于穩(wěn)定。車站左、右中柱頂部位移變化曲線(圖9)顯示，方案1和方案3車站中柱頂部位移基本相同，方案2和方案4車站中柱頂部位移差異更小。無論是施工過程中還是最后穩(wěn)定狀態(tài)，車站左中柱頂部位移均大于車站右中柱頂部位移。相同扣拱順序下三段錯(cuò)距車站中柱頂部位移小于六段錯(cuò)距。由此可見，三段錯(cuò)距對(duì)于控制拱腳推力對(duì)車站中柱的影響，若使用六段錯(cuò)距，應(yīng)增大車站中柱的配筋率或截面積以滿足承載力及裂縫驗(yàn)算等要求。
圖9 不同方案下車站中柱頂部位移隨扣拱施工步變化Fig. 9 The displacement of the top of station middle-column changing with buckle-arch construction steps under different schemes
4 結(jié)論與建議
暗挖地鐵車站臨近橋梁?jiǎn)栴}是巖土工程領(lǐng)域一個(gè)較熱門的研究課題。結(jié)合下穿馬連道跨蓮花河橋紅蓮南里站工程，通過三維有限元數(shù)值模擬得到以下結(jié)論：
1)中跨與邊跨開挖面錯(cuò)距相同時(shí)，先中后邊順序下橋樁沉降小于先邊后中順序?？酃笆┕?duì)上部跨河橋影響范圍為15 m左右，中、邊跨先后順序及錯(cuò)距大小對(duì)該數(shù)值影響不大。
2)橋樁差異沉降呈“倒漏斗”型變化形式，4種方案引起的最大差異沉降值基本一致，最大差異沉降所在施工步不同。
3)4種方案下橋樁絕對(duì)沉降和差異沉降均在允許范圍內(nèi)，橋梁處于安全可控的狀態(tài)。
4)在先中后邊和先邊后中兩種順序中，先中后邊施順序下引起的地表沉降值比先變后中順序下引起的地表沉降值稍小。
5)先邊后中順序更能有效地控制拱腳對(duì)中柱產(chǎn)生的推力，中柱頂部豎向位移更小。
6)中、邊跨的三段錯(cuò)距對(duì)上部橋樁沉降、地表沉降及中柱位移的控制效果優(yōu)于六段錯(cuò)距。
綜合以上結(jié)論，在PBA工法車站下穿上部橋梁中，雖然先中后邊順序?qū)χ斘灰粕源笥谙冗吅笾许樞?，但從控制上部橋梁位移及地表沉降的角度，仍建議扣拱的施工順序?yàn)橄戎泻筮叀?/p>
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0 引 言
PBA工法為淺埋暗挖法的一種，研發(fā)自我國(guó)。該工法是由邊樁、中樁(柱)、頂?shù)琢?、頂拱共同?gòu)成初期受力體系，承載施工過程中的荷載。其核心思想是將蓋挖法與暗挖法有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，在頂蓋的保護(hù)逐層向下開挖，施作二次襯砌，最終形成由初期支護(hù)和二次襯砌組成的永久承載體系。PBA工法具有施工工期相對(duì)較短、臨時(shí)支撐較少、安全性較好及工程造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為北京地區(qū)暗挖地鐵車站主流施工工法。已運(yùn)營(yíng)的北京地鐵6號(hào)線一期及7號(hào)線暗挖車站中采用了該工法[1]；正在建設(shè)的北京地鐵12號(hào)線及16號(hào)線暗挖車站也大量采用該工法，且隨著該工法的成熟與完善，PBA工法在沈陽[2]、大連[3]等城市也得了一定應(yīng)用。
隨著城市軌道交通建設(shè)高速發(fā)展，地鐵車站興建時(shí)不可避免遇到各種類型建筑物。車站臨近橋梁施工則是其中一種典型情況。較早針對(duì)PBA工法施工的地鐵車站臨近橋梁的研究開始于臨近橋基的北京地鐵10號(hào)線國(guó)貿(mào)站。吳波等[4,5]采用數(shù)值模擬方法就該車站洞樁法施工的風(fēng)道及風(fēng)道轉(zhuǎn)彎段對(duì)鄰近橋基的影響做了系列研究；何海健等[6]依托國(guó)貿(mào)站風(fēng)道臨近橋基，采用蒙特卡羅方法，研究了地層、注漿和初襯的彈性模量及泊松比對(duì)鄰近墩臺(tái)差異沉降值的影響程度，得到了樁基間差異沉降的概率分布、差異沉降值的可能范圍及結(jié)構(gòu)相應(yīng)的可靠度，且在實(shí)測(cè)結(jié)果中得到了驗(yàn)證性仍需更多類似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，但該研究方向國(guó)內(nèi)外均少有涉及，其正確性仍需更多類似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證；姚宣德[7]分析與推導(dǎo)了各種橋樁影響類型受淺埋暗挖法施工影響的附加荷載、沉降及變形的計(jì)算方法，并將其應(yīng)用于國(guó)貿(mào)站風(fēng)道施工時(shí)橋基計(jì)算中。此外，李汶京[8]、毛巨省[9]圍繞該車站風(fēng)道對(duì)橋基影響做了數(shù)值分析工作，并提出了一些橋基保護(hù)及控制措施。但國(guó)貿(mào)站風(fēng)道為2導(dǎo)洞PBA工法施工，且側(cè)穿的是單組橋樁，從工程體量和相對(duì)位置關(guān)系來說，臨近施工難度相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)現(xiàn)今各種復(fù)雜PBA穿越橋梁情況借鑒作用有限。近5年來，隨著研究方法逐漸多樣化，對(duì)PBA車站臨近橋梁的研究取得一些成果，其中代表性的有：周正宇等[10-11]、蘇潔等[12]將風(fēng)險(xiǎn)理論引入PBA車站臨近橋梁施工控制；任建喜等[13]采用有限差分原理，模擬預(yù)測(cè)8導(dǎo)洞PBA車站施工引起的上部橋梁沉降，并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析；韋京等[14]將FLAC3D數(shù)值模擬和層次分析法結(jié)合起來確定車站下穿橋梁的最優(yōu)方案，其考慮的方案多達(dá)9種，完成對(duì)比研究工作，所得結(jié)論值得借鑒與參考。前人研究中車站與橋樁位置關(guān)系多為側(cè)穿，未出現(xiàn)有依托工程中橋樁在車站上方的情況(橋樁位于車站上方，且樁底與車站頂部距離僅為0.6 m)，扣拱順序?qū)τ赑BA車站施工對(duì)土體變形影響較大[15]，合理扣拱施工順序?qū)τ诒竟こ虠l件下上部橋梁沉降控制尤為重要。
1 工程背景
1.1 工程概況
北京地鐵16號(hào)線紅蓮南里站位于蓮花河?xùn)|側(cè)路與紅蓮南路交叉路口，沿蓮花河南北向布置。紅蓮南里站為地下雙層三跨島式車站，地下一層為站廳層、地下二層為站臺(tái)層。車站全長(zhǎng)262.7 m，主體結(jié)構(gòu)寬度為22.4 m，中心里程處軌面埋深26.71 m。車站主體采用暗挖(PBA)法施工。與車站相接處兩端區(qū)間均采用暗挖法施工。車站標(biāo)準(zhǔn)段覆土厚度約為13 m，跨路口段覆土厚度約為14 m。
紅蓮南里站下穿南馬連道跨蓮花河橋(三跨簡(jiǎn)支公路橋)。蓮花河橋下部結(jié)構(gòu)形式為：墩臺(tái)由柱接蓋梁組成；中墩由3根樁接柱與矩形截面連續(xù)蓋梁構(gòu)成；圓形墩柱直徑為1 m；橋臺(tái)由3根樁與矩形截面連續(xù)蓋梁構(gòu)成，蓋梁截面為1.2 m×1.2 m；基礎(chǔ)均采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1.2 m。
車站與上部橋梁及橋樁相對(duì)位置關(guān)系如圖1。橋面和車站頂部距離約為24.7 m，蓮花河?xùn)|側(cè)3根橋樁距離車站頂部距離僅為0.6 m左右。橋樁處于車站頂部，無法進(jìn)行樁基拖換，對(duì)車站施工帶來了較大的影響。
圖1 車站跨河橋相對(duì)位置關(guān)系剖面Fig. 1 Relative position profile of station of river-crossing bridge
1.2 工程地質(zhì)條件
車站上方層由上而下主要有：粉質(zhì)粘土填土①、雜填土①1、粉土②、粉質(zhì)粘土②1、粉細(xì)砂②3、中粗砂②4、圓礫②5、卵石⑤、中粗砂⑤1。車站范圍內(nèi)土層由上而下主要有：卵石⑤、中粗砂⑤1、粉質(zhì)粘土⑤4、卵石⑦、中粗砂⑦1、粉土⑦3、卵石⑨。
2 計(jì)算模型
2.1 數(shù)值模型建立
數(shù)值模擬計(jì)算中筆者所做假定與簡(jiǎn)化如下：
1)假設(shè)地表與土層均勻，土層厚度根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告選取。
2)模型單元類型的選取。橋樁及上部墩柱采用梁?jiǎn)卧M，車站邊樁、中柱及中樁采用梁?jiǎn)卧M；河底面層、導(dǎo)洞初支及扣拱初支采用板單元模擬；橋面及底部梁采用實(shí)體單元模擬，車站導(dǎo)洞回填、冠梁、車站結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，土體模型同樣采用實(shí)體單元，其本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫模型，不考慮地下水的影響。
3)初期支護(hù)等效處理。數(shù)值計(jì)算中通常采用等效剛度方法，將鋼格柵和混凝土的總剛度等效處理為混凝土的強(qiáng)度，其計(jì)算公式為：
E=E0+(Sg×Eg)/Sc
(1)
式中：E為等效的混凝土彈性模量，MPa；E0為混凝土材料的彈性模量，MPa；Sg為鋼架截面 面 積，m2；Eg為鋼材的彈性模量，MPa；S0為混凝土截面上的面積，m2。
4)模型尺寸概況。本次數(shù)值模擬中，建立了完整車站模型，但分析導(dǎo)洞施工順序影響時(shí)，不涉及導(dǎo)洞施工后的相關(guān)模擬程序。上邊界取至地表，底部邊界取結(jié)構(gòu)底板下21.47 m(下邊界與導(dǎo)洞底部距離31.32 m)，豎向高度為50 m；橫向長(zhǎng)度取邊樁外側(cè)47.5 m，橫向?qū)挾葹?16.43 m；考了施工空間效應(yīng)，模型縱向?qū)挾热∽钔鈧?cè)橋樁24 m，縱向?qū)挾葹?0 m。
5)模型邊界條件。上邊界不設(shè)定約束，左右邊界為水平約束，底部邊界添加水平和豎向約束。
6)荷載情況。計(jì)算模型主要考慮土體自重和地面超載，其中土體自重由GTS NX自動(dòng)生成，地面超載及橋面荷載值均取20 kPa。紅蓮南里站下穿南馬連道跨蓮花河橋三維有限元計(jì)算模型和車站結(jié)構(gòu)模型分別如圖2、圖3。
圖2 三維有限元計(jì)算模型Fig. 2 3D FEM calculation model
圖3 車站結(jié)構(gòu)模型Fig. 3 Station structure model
7)分段模擬說明。計(jì)算采用分段方式模擬車站開挖的空間效應(yīng)，同時(shí)考慮加固區(qū)范圍(以橋梁中心為Z坐標(biāo)零點(diǎn)，加固范圍為Z取-10.6～17.95 m，由前至后，施工進(jìn)尺分別設(shè)置為3.95、3、3、3、3.05、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2.6、3、3、3、3、3、4.4 m。
2.2 計(jì)算參數(shù)
模型共分9個(gè)土層，各土層物理力學(xué)參數(shù)列于表1中，橋梁及地下結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表2中。
表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of soil
表2 材料計(jì)算取值Table 2 Material calculation value
2.3 施工方案
PBA工法扣拱施工的具體步驟一般為邊導(dǎo)洞內(nèi)結(jié)構(gòu)施工→混凝土回填→分步開挖導(dǎo)洞間拱部土體、初支扣拱→分段拆除邊導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)→施做導(dǎo)洞間二襯結(jié)構(gòu)完成扣拱。
筆者選取4種施工方案進(jìn)行對(duì)比分析，為避免偏壓情況出現(xiàn)，左、右邊跨施工同步進(jìn)行。方案1：先施工中跨，再施工邊跨，中跨開挖面超左、右邊跨六段，開挖錯(cuò)距為12～19.4 m；方案2：先施工中跨，再施工邊跨，中跨開挖面超邊跨三段，開挖錯(cuò)距為6～10.4 m；方案3：先施工邊跨，再施工中跨，邊跨開挖面超中跨六段，開挖錯(cuò)距為12～19.4 m；方案4：先施工邊跨，再施工中跨，邊跨開挖面超中跨三段，開挖錯(cuò)距為6～10.4 m。
3 計(jì)算結(jié)果與分析
筆者重點(diǎn)研究不同扣拱施工順序?qū)驑段灰频挠绊?，并輔以地層變形、車站結(jié)構(gòu)受力性態(tài)分析。位移結(jié)果與車站結(jié)構(gòu)受力分析均選用Z=0斷面為研究對(duì)象。每排橋樁編號(hào)方式：由靠近車站一側(cè)分別編號(hào)為1#、2#、3#、4#，并以南、中、北依次命名同一排3根不同樁，如1#南橋樁。
3.1 不同扣拱施工順序下橋樁沉降分析
3.1.1 樁底沉降
圖4為不同扣拱施工順序下橋樁沉降云圖。綜合分析4種方案扣拱施工引起的橋樁沉降結(jié)果，可得到以下規(guī)律：
圖4 不同扣拱施工順序下橋樁沉降云圖Fig. 4 Settlement nephogram of bridge pile under different buckle-arch construction sequence
1)1#排樁樁底沉降稍大于樁頂沉降，2#、3#、4#排樁則相反，樁頂沉降稍大于樁底沉降。
2)對(duì)于橋樁最大沉降，方案3最大，方案2最小，方案1和方案4介于兩者之間，且最大橋樁沉降差異很小。由此可見：中跨與邊跨錯(cuò)距相同時(shí)，先中后邊順序時(shí)引起的橋樁沉降比先邊后中順序時(shí)引起的橋樁沉降稍小。
3)4種方案下位于車站頂部的1#排樁沉降遠(yuǎn)大于其他3排樁，以中間4根樁和1#中橋樁距離為橫坐標(biāo)，以4根樁樁底沉降為縱坐標(biāo)，繪制出樁底沉降-距離關(guān)系曲線(圖5)。樁底沉降與樁與1#中橋樁間的距離呈指數(shù)衰減關(guān)系，4種方案的曲線反彎點(diǎn)值約為15 m，表明扣拱施工對(duì)上部橋樁的影響范圍約為15 m，邊中跨扣拱順序及邊中跨開挖面錯(cuò)距大小對(duì)于扣拱施工橫向影響范圍影響很小。
圖5 中間樁樁底沉降與距離關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship curves between bottom settlement of middle pile and distance
3.1.2 樁底差異沉降
差異沉降是衡量橋梁位移的重要指標(biāo)。本次計(jì)算中，加固區(qū)范圍為Z取-10.6～12.95 m。模型中只有加固范圍不對(duì)稱，故車站扣拱施工完成后，同一排3根樁的絕對(duì)沉降值差異不大。以1#排樁為例，4種方案樁底差異沉降隨不同扣拱施工步變化如圖6。差異沉降計(jì)算基點(diǎn)均為中樁樁底沉降，如南樁與中樁之間的差異沉降為中樁樁底沉降值減去南樁樁底沉降值。圖6中差異沉降出現(xiàn)負(fù)值表示中橋樁樁底沉降小于南、北橋樁。
由圖6可得出樁底差異沉降變化規(guī)律：①4種方案1#排樁樁底差異隨扣拱施工步變化趨勢(shì)基本一致，在中、邊跨扣拱開挖面錯(cuò)距相同情況下，方案1是方案3整體后移，方案2是方案的整體后移；②掘進(jìn)一段距離后，差異沉降開始減小至0并轉(zhuǎn)為負(fù)值增大形式， 到達(dá)最大值后又逐漸減小，隨著中、邊跨扣拱開挖面遠(yuǎn)離橋樁，逐漸趨于穩(wěn)定；③4種方案下樁底最大差異沉降相差不大，1#中橋樁與南橋樁差異沉降峰值在-0.52 mm左右，1#中橋樁與北橋樁差異沉降峰值在-0.61 mm左右。上述變化規(guī)律亦存在其他3排樁中。
圖6 不同方案下1#排樁底差異沉降隨扣拱施工步變化Fig. 6 Variation of bottom settlement difference of 1# row pile changing with buckle-arch construction steps under different schemes
3.1.3 橋梁沉降控制標(biāo)準(zhǔn)
筆者側(cè)重分析不同扣拱順序?qū)蛄旱挠绊懀什粚?duì)橋梁安全評(píng)估進(jìn)行主要分析，只提出橋梁評(píng)估單位對(duì)車站施工過程中橋梁位移控制標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)CJJ99—2003《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，南馬連道跨蓮花河橋評(píng)估等級(jí)為B級(jí)，處于良好狀態(tài)；橋梁目前工作狀況良好，上部結(jié)構(gòu)主要為施工縫及絞縫滲水泛堿等耐久性病害；橋臺(tái)存在水跡及混凝土剝離現(xiàn)象，橋墩及基礎(chǔ)未見異?，F(xiàn)象；橋面鋪裝墩頂存在橫向通長(zhǎng)裂縫及橋面縱向裂縫，破壞橋面防水層，影響結(jié)構(gòu)耐久性。橋梁評(píng)估單位評(píng)估提出1#、2#排樁均勻沉降控制值小于等于5 mm，不均勻沉降控制值小于等于2 mm。從不同扣拱施工順序下樁底沉降及差異沉降計(jì)算結(jié)果來看，均在橋梁容許范圍內(nèi)。
3.2 不同扣拱施工順序下土體變形分析
不同扣拱施工順序下土體豎向變形如圖7。
圖7 不同扣拱施工順序下土體豎向變形云圖Fig. 7 Vertical deformation nephogram of soil under different buckle-arch construction sequence
由圖7可知：
1)4種方案下扣拱完成后土體變形最大值分別為5.91、5.77、5.89、5.74 mm，先中后邊順序下土體豎向變形與先邊后中順序下土體豎向變形差異極小。
2)本次計(jì)算中采取的中、邊跨開挖面錯(cuò)距是變化的，存在遠(yuǎn)近此消彼長(zhǎng)的作用，故無論是先中后邊的施工順序還是先邊后中的施工順序，錯(cuò)距不同對(duì)土體變形的影響不大。相同扣拱施工順序下，3段錯(cuò)距下土體最大豎向變形小于6段錯(cuò)距離下土體最大豎向變形約為0.14 mm。
3)4種方案下扣拱完成后地表最大沉降分別為3.24、3.11、3.34、3.23 mm，先中后邊順序下地表沉降稍小于先邊后中順序下地表沉降，但兩者差異很小。
4)相同扣拱施工順序下，3段錯(cuò)距下地表最大沉降小于六段錯(cuò)距離下最大地表沉降約為0.11 mm。
3.3 不同扣拱施工順序?qū)囌局兄绊懛治?/h3>
圖8為不同扣拱施工順序下Z=0斷面的車站中柱豎向位移云圖，不同方案下車站中柱頂部位移隨扣拱施工步變化如圖9。
圖8 不同扣拱施工順序下車站中柱豎向位移云圖Fig. 8 Vertical displacement nephogram of station middle-column under different buckle-arch construction sequence
扣拱施工完成后4種方案下車站左中柱位移穩(wěn)定值分別為1.155、0.999、1.151、1.005 mm，車站右中柱位移穩(wěn)定值分別為0.710、0.585、0.707、0.585 5 mm。在4種施工方案中，車站中柱頂部位移的變化規(guī)律基本相同，均為隨著扣拱施工向前推進(jìn)，逐漸減小，當(dāng)開挖面遠(yuǎn)離后，頂部位移趨于穩(wěn)定。車站左、右中柱頂部位移變化曲線(圖9)顯示，方案1和方案3車站中柱頂部位移基本相同，方案2和方案4車站中柱頂部位移差異更小。無論是施工過程中還是最后穩(wěn)定狀態(tài)，車站左中柱頂部位移均大于車站右中柱頂部位移。相同扣拱順序下三段錯(cuò)距車站中柱頂部位移小于六段錯(cuò)距。由此可見，三段錯(cuò)距對(duì)于控制拱腳推力對(duì)車站中柱的影響，若使用六段錯(cuò)距，應(yīng)增大車站中柱的配筋率或截面積以滿足承載力及裂縫驗(yàn)算等要求。
圖9 不同方案下車站中柱頂部位移隨扣拱施工步變化Fig. 9 The displacement of the top of station middle-column changing with buckle-arch construction steps under different schemes
4 結(jié)論與建議
暗挖地鐵車站臨近橋梁?jiǎn)栴}是巖土工程領(lǐng)域一個(gè)較熱門的研究課題。結(jié)合下穿馬連道跨蓮花河橋紅蓮南里站工程，通過三維有限元數(shù)值模擬得到以下結(jié)論：
1)中跨與邊跨開挖面錯(cuò)距相同時(shí)，先中后邊順序下橋樁沉降小于先邊后中順序?？酃笆┕?duì)上部跨河橋影響范圍為15 m左右，中、邊跨先后順序及錯(cuò)距大小對(duì)該數(shù)值影響不大。
2)橋樁差異沉降呈“倒漏斗”型變化形式，4種方案引起的最大差異沉降值基本一致，最大差異沉降所在施工步不同。
3)4種方案下橋樁絕對(duì)沉降和差異沉降均在允許范圍內(nèi)，橋梁處于安全可控的狀態(tài)。
4)在先中后邊和先邊后中兩種順序中，先中后邊施順序下引起的地表沉降值比先變后中順序下引起的地表沉降值稍小。
5)先邊后中順序更能有效地控制拱腳對(duì)中柱產(chǎn)生的推力，中柱頂部豎向位移更小。
6)中、邊跨的三段錯(cuò)距對(duì)上部橋樁沉降、地表沉降及中柱位移的控制效果優(yōu)于六段錯(cuò)距。
綜合以上結(jié)論，在PBA工法車站下穿上部橋梁中，雖然先中后邊順序?qū)χ斘灰粕源笥谙冗吅笾许樞?，但從控制上部橋梁位移及地表沉降的角度，仍建議扣拱的施工順序?yàn)橄戎泻筮叀?/p>
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