超大断面地铁车站施工对临近桥桩影响分析

史作璟

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，重庆 401121)

超大断面地铁车站施工对临近桥桩影响分析

史作璟

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，重庆 401121)

重庆轨道交通五号线幸福广场站超大断面暗挖侧穿黄山立交桩基，车站开挖施工对既有桥梁桩基影响较大。借助大型有限元软件MIDAS GTS 2.6模拟了有无针对性风险控制措施两种工况，结果表明：超大断面隧道开挖采用针对性的风险控制措施后拱顶沉降为2.00 cm，减小约20%;水平收敛为2.82 cm，减小约30%。同时现场监测结果表明，采取一定控制措施进行隧道开挖后，隧道及临近桥梁桩基各项变形指标均在可控范围内。

轨道； 地铁车站； 桥桩； 变形

随着我国经济的发展及城市化进程的不断加快，越来越多的城市选择兴建轨道交通来缓解交通拥堵。轨道交通的选线既要满足城市布局也要避开地面建筑区域，然而城市主干道上既有桥梁众多，轨道交通工程的建设施工必然会对原有桥梁桩基的稳定性产生一定影响，并导致一定范围内桥梁桩基发生变形和沉降。因此，如何减小轨道交通工程的建设施工对既有桥梁桩基的影响便成为了一个十分重要的课题[1]。

重庆轨道交通五号线幸福广场站侧穿黄山立交桩基，且车站为超大断面暗挖车站，在车站开挖施工势必会对桥梁桩基造成一定影响[2]。

1 工程概况

重庆轨道交通五号线幸福广场站位于重庆市两江新区星光大道与黄山大道十字交叉处，车站纵向沿着星光大道，位于其下方。车站结构最大开挖断面宽23.6 m，高20.238 m，断面面积417.59 m2，拱顶埋深11～13 m，属于特大断面超浅埋暗挖车站。

车站西侧为已建成的黄山立交桥，此立交桥与车站平行，水平距离约3 m，立交桥桩基距离车站隧道外边缘约5.6 m，桩基底标高位于车站仰拱以下0.8 m处。地质勘察资料显示，车站隧道围岩等级为Ⅳ级，地层由上而下依次为第四系全新统填土层(Q4ml)、残坡积粉质粘土层(Q4el+dl)及侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)沉积岩层；另外，场址水文地质环境较简单，地下水主要为第四系松散层孔隙水及基岩裂隙水。车站平面布置如图1所示，计算模型选取剖面如图2所示。

图1 幸福广场站平面布置

图2 计算模型选取断面

2 设计方案

2.1 车站断面设计

车站断面的净空尺寸应满足地铁建筑限界、车站建筑功能、各种设备使用功能及施工工艺的要求，并考虑施工误差、结构变形和位移等因素给出必要的富余量。根据相关规范并从结构受力的合理性出发，车站采用曲墙+仰拱的五心圆马蹄形断面，开挖宽度23.20 m,开挖高度20.54 m。车站主体隧道支护参数见表1。

表1 车站主体隧道支护参数表

2.2 开挖工法

根据周边环境条件及工程类比，幸福广场站选用暗挖法施工，车站主体隧道采用双侧壁导坑台阶法分步开挖[3]，其具体施工步骤如下：

(1) 自上而下开挖左侧导坑，初喷混凝土，架立拱部钢架及核心岩柱侧壁钢架，复喷混凝土；

(2) 自上而下开挖右侧导坑，初喷混凝土，架立拱部钢架及核心岩柱另一侧壁钢架，复喷混凝土；

(3) 铺设两侧角部防水层，浇筑两侧矮边墙二衬;

(4) 取上层核心岩柱，初喷混凝土，架立拱顶部钢架，复喷混凝土；

(5) 铺设拱墙部分防水层，浇筑拱墙二衬；

(6) 取中间及底层核心岩柱，浇筑仰拱垫层；

(7) 铺设仰拱防水层，灌注仰拱二衬。

2.3 风险控制措施

根据前期调查及地质勘察资料，车站周边环境比较复杂，车站西侧星光立交桥台及桩基距车站结构边缘仅5.6 m，车站开挖施工风险较大，设计中采用如下措施进行施工风险控制：

(1) 沿车站主体隧道纵向在桥梁桩基前后5 m范围采取系统锚杆局部加长为8 m；

(2) 沿车站主体隧道纵向在桥梁桩基前后5 m范围靠桩基一侧采用机械开挖，减少爆破施工对桥桩及围岩扰动；

(3) 沿车站主体隧道纵向在桥梁桩基前后5 m范围靠桩基一侧增设临时横撑；

(4) 加强开挖工法控制，严格按照设计双侧壁导坑法开挖施工，严格控制开挖进尺。

3 数值模拟计算及结果分析

3.1 数值模拟模型

本次数值模拟分析采用MIDAS GTS大型通用有限元软件建立地层结构法计算模型[4]。模型中，锚杆采用全长粘结式杆材料模拟，为植入式桁架单元；喷射混凝土及拱架采用全长粘结式直梁材料模拟(其弹性模量取喷射混凝土弹性模量的1.2倍作为综合模量进行模拟计算)。

表2 材料物理力学参数

本次模拟分析采用平面计算模型，模型左右水平计算范围均取隧道跨度的3倍，垂直计算范围向上取至自由地表，向下取隧道高度的3倍[5]，模型尺寸为160 m×90 m。

3.2 材料参数

根据幸福广场站地质勘察资料，本次模拟所采用的材料物理力学参数如表2所示。

3.3 计算结果分析

考虑到模拟分析应注重分析风险控制措施效果，因此分别建立有无风险控制措施两种模型，重点分析风险控制措施前后地层应力应变及桩基变形情况，不同施工措施下围岩地层应力、隧道拱顶沉降[6]如图3—图5所示。

(a)采用控制措施前 (b)采取控制措施后 图3 围岩地层应力

(a)采用控制措施前 (b)采取控制措施后 图4 隧道拱顶沉降

(a)采用控制措施前 (b)采取控制措施后 图5 隧道水平收敛

从图3—图5隧道变形图可以看出，隧道开挖后，围岩进行了重分布，两种方案下地层应力均产生了一定变化，在常规施工方案下隧道开挖后最大主应力为1487.12 kPa，按设计要求采用一定风险控制措施隧道开挖后最大主应力为1487.31 kPa。可以看出，采取针对性的控制措施前后隧道最大主应力基本保持不变，也就是说，隧道内部采用一定控制措施对围岩应力在分布所起到的影响作用有限，基本可以忽略[7]。此外，常规施工方案下隧道开挖后拱顶沉降约为2.45 cm，水平收敛为3.91 cm，按设计要求采用一定风险控制措施后隧道拱顶沉降约为2.00 cm，水平收敛为2.82 cm，隧道拱顶沉降减小约20%，水平收敛减小约30%。从分析结果可以看出，针对性的风险控制措施对控制隧道变形是非常有用的[8]。

从图6桩基竖向变形图可以看出，两种施工方案下隧道开挖后对于桩基本身造成的沉降影响差别不大，桩基竖向位移值约为1.66～1.77 cm，因此看出，通过一定的隧道洞内加固措施控制侧穿桥梁桩基工况下桩基竖向变形效果不明显[9]。相反，从图6桩基水平变形图来看，采用一定的洞内加固措施后桥梁桩基水平位移减小约20%，这说明洞内针对性风险控制方案对减小临近桥梁桩基水平变形有明显作用[10-11]。

(a)采取措施前水平位移 (b)采用措施后水平位移 (c)采用措施前竖向位移 (d)采用措施后竖向位移图6 桩基变形

4 监控量测数据分析

4.1 监测方案

为保证施工安全，分析车站隧道开挖对已建桥梁桩基影响，在车站施工现场选取典型断面进行了地表沉降、拱顶下沉、水平收敛及桥梁桩基下沉监控测量[12]，监测点断面布置如图7所示。

图7 监测点布置断面

4.2 变形监测成果分析

截止2016年6月，各监测点监测数值详见表3。从表中可以看出，隧道开挖后地表沉降累计最大值约为5.1 mm，远小于数值模拟结果；隧道开挖后拱顶沉降累计最大值为21.8 mm，水平收敛累计值为3.4 mm，均远小于数值模拟计算结果；桥梁桩基沉降累计值为7.5 mm，小于数值模拟计算结果。监测结果表明，隧道开挖后，隧道及临近桩基各项变形指标均在可控范围内，采取的针对性风险控制措施对桥梁桩基变形起到了保护作用。

表3 监控量测成果汇总表

5 结 论

通过对重庆轨道交通五号线一期幸福广场站施工风险控制方案的有限元数值模拟分析以及现场实际监控测量数值分析，可得出如下结论：

(1)从数值模拟结果可以看出，超大断面隧道采用双侧壁导坑法开挖施工可行，洞内风险控制措施对围岩应力重分布影响有限。超大断面隧道开挖采用针对性的风险控制措施后拱顶沉降约为2.00 cm，减小约20%，水平收敛为2.82 cm，减小约30%。因此，建议针对超大断面隧道开挖时采用双侧壁导坑法施工，两侧导坑根据施工操作空间等相关因素分台阶开挖，二衬施工建议采用先墙后拱的施工顺序。

(2)根据数值模拟分析，隧道开挖对临近桩基造成了一定影响，但隧道洞内采用一定控制措施对侧穿桩基工况桩基竖向位移影响不大，但对于桥梁桩基水平位移可减小约20%。因此，在超大断面隧道侧穿桥梁桩基时，建议加长靠近桩基一侧锚杆长度以及在靠近桩基一侧导洞内增设临时横撑。另外，靠近桩基一侧隧道导洞建议采用机械开挖，尽量减小隧道开挖对围岩的扰动，这样可有效减小桩基水平位移。

(3)监测结果表明，采取一定控制措施进行隧道开挖后，隧道及临近桥梁桩基各项变形指标均在可控范围内，相应的控制措施对桥梁桩基变形起到了保护作用。

[1] 孙斌,陶连金,张印涛.岛式地铁车站施工对邻近桥梁桩基的影响分析[J].地下空间与工程学报，2009,5(1):163-168.

[2] 冯志.地铁车站施工对邻近桥桩的影响[J].隧道与地下工程,2012,30(6)：77-82.

[3] 陈林杰,梁波,王国喜.浅埋暗挖超大断面地铁车站隧道开挖方法研究[J].地下空间与工程学报，2013,9(4):928-933.

[4] 姜谙男,塔拉,李鹏.邻近桥桩地铁车站施工数值模拟及敏感性分析[J].岩土工程学报,2013,35(增刊2):1151-1154.

[5] 苏洁,张顶立,周正宇,等.地铁隧道穿越既有桥梁安全风险评估及控制[J].岩土力学与工程学报,2015,34(增刊1):3188-3195.

[6] 何海健,项彦勇,刘维宁.地铁施工引起邻近桥梁桩基差异沉降的概率分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增刊1):3257-3265.

[7] 何海健,项彦勇,刘维宁,等.地铁车站隧道群施工对邻近桥桩影响的数值分析[J].北京交通大学学报,2006，30(4):54-59.

[8] 李强,王明年,李德才,等.地铁车站暗挖隧道施工对既有桩基的影响[J].岩石力学与工程学报,2006,25(1)：184-190.

[9] 朱逢斌,杨平,ONG C W.盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分析[J].岩土工程学报,2008，30(2)：298-302.

[10] 李兆平,朱元生.邻近桥桩暗挖地铁车站施工方案及桥桩保护措施研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(增刊1):3132-3139.

[11] 张云军,宰金珉,王旭东,等.隧道开挖对邻近桩基影响的二维数值分析[J].地下空间与工程学报,2005,1(6):832-836.

[12] 杨永平,周顺华,庄丽.软土地区地铁盾构区间隧道近接桩基数值分析[J].地下空间与工程学报,2006,2(4):561-565.

[责任编辑：李 莉]

Influence of large subway station construction on the excited bridge pier

SHI Zuo-jing

(T. Y. Lin International Engineering Consulting(China)Co.,Ltd,Chongqing 401121,China)

The Xinfu Square Station of the Fifth rail transit of Chongqing traverses across the bridge pier of Mount Huangshan interchange. The excavation of the station has great influence on the pile foundation of the existing bridge. With the help of the large-scale finite element software MIDAS GTS 2.6,we have simulated the two kinds of risk control measures. Simulation results show that the settlement of arch is 2.00 cm,which is reduced by about 20%,and the horizontal convergence is 2.82 cm,which is reduced by about 30%. At the same time,the field monitoring results show that after the tunnel excavation,the deformation indexes of the tunnel and the adjacent bridge piles are within the controllable range. All these results show that the design scheme presented in this paper is safe and feasible,and it can be used as a reference for similar projects.

track; subway station; bridge pier; deformation

2096-3998(2017)03-0047-06

2016-11-28

2017-01-03

史作璟(1982—)，男，山西省祁县人，林同棪国际工程咨询(中国)有限公司工程师,硕士，主要研究方向为地下工程与城市地铁结构设计。

U231+.4

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