桥梁施工对其下明挖地铁隧道结构安全性影响分析及对策

龚清华

摘 要： 近年来，我国的交通行业有了很大进展，桥梁工程建设越来越多。本文讨论在隧道结构周围近距离施工桩基及桥台的情况，以某工程以桥梁形式上跨轨道交通5号线工程为例，采用MidasGTSNX有限元分析计算软件，对明挖地铁隧道结构在上跨桥梁及其桩基施工过程中的内力、变形等进行了模拟分析。分析表明，隧道上方桥梁施工会使隧道结构竖向发生沉降、横向发生收敛、结构整体发生扭曲，但本工程桥梁施工对隧道结构的影响在安全范围内。

关键词： 桥梁桩基;近接施工;下伏隧道;内力;变形

【中图分类号】TV551     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.055

引言：近年来，随着城市的高速发展，城市建设中高等级公路、地铁隧道以及桥梁等工程规模得到空前扩展，由于城市用地存在较大局限性，不可避免会出现桥隧相交问题。桥梁桩基础施工过程会对既有隧道、建筑桩基以及施工区域周边土体的变形产生影响，若施工前对桩基施工的影响研究不足，极易给桥梁与隧道工程留下安全隐患。因此深入研究桩基础施工对桥隧相交工程的安全性具有重要意义。

1 明挖法施工技术要求及特点

整体来看，城市地铁隧道施工是规模较大、工期漫长、工序复杂且干扰因素多等多方面因素影响的施工，而且对于不同的城市地下段落，其地铁隧道施工开挖的方法也会存在很大的差异。明挖法具有工程进展迅速、施工过程简易、对施工操作面要求较低、经济投入低等特点，能够保证工程质量进展顺利。所以，在客观条件允许的情况下，明挖法为首选。由于该方法施工过程简易、操作简便、可同时安排较多工人与工程机械同时施工，不仅提高了施工效率，节约投资，还压缩了工期，且有利于保证施工质量和安全。

2 工程概况

某工程位于轨道交通5号线某车站上跨。设计方案在机动车道与联络线交叉口重合路段（含敞口段和暗埋段）均采用桥梁形式跨过。桥梁横断面全宽52.46m，设计为四幅桥，一幅桥宽13.1m，每两幅桥之间留2cm的缝隙.桥梁上部结构为单跨12m的T梁，下部结构均采用桩柱式桥台，桩基采用直径为1.2m的钻孔灌注桩。既有轨道交通5号线国铁联络通道由敞口段与暗埋段组成，桥梁上跨范围内，敞口段U型槽顶标高为22.5m，U型槽底板标高约为16.6～15.7m，暗埋段隧道顶板标高约为21.95～21.0m，暗埋段隧道底板標高约为15.7～14.8m。轨道交通5号线及联络通道为已运营线路。

3 有限元模型

3.1 控制标准

任何的基坑开挖都必然会引起基坑周边地层发生不均匀的沉降变形，周边建筑结构就会发生很大的反应，特别是对于市政工程的影响最大，例如造成市政管网的破坏。结合铁路沉降观测技术规程以及铁路线路维修管理标准中对桥梁变形限值的要求，并参考浙江省《城市轨道交通结构安全保护技术规程（DB33/T1139—2017）》《铁路沉降变形观测及评估技术规程（Q/CR9230—2016）》《铁路线路修理规则（铁运[2006]146）》等规范对桥梁结构变形要求，综合分析并考虑监控量测技术措施，采用桥墩顶位移值和墩身倾斜率作为广化南路施工对铁路桥梁的安全控制指标。

3.2 基本假定

岩土的构成非常复杂，完全真实地模拟岩土材料的刚度特性非常困难，需要在适当简化分析模型。根据本工程的实际情况和特点，将土层简化为水平层状分布的连续材料。岩土体采用库伦摩尔弹塑性模型，采用实体单元模拟土体。承台、桩与桥梁板采用实体结构模型，隧道结构、泵房结构、泵房管道采用板单元模型。在初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响。

3.3 三维数值分析

基坑开挖时，通过地层应力释放与土层变形对周边土层产生影响，因此基坑开挖的关键是分析其对周边建筑物的环境影响。基坑开挖要对基坑的开挖方案与支护措施进行设计，并制订基坑的开挖工序与合理的有效措施，确保基坑开挖和基础施工顺利、安全、可靠地实施。另外，基坑开挖的过程中，也要加强对周边建筑物的沉降变形观测，充分考虑基坑开挖对建筑物的影响，防止因基坑开挖导致周边建筑物发生过大变形或不均匀沉降，从而导致建筑物开裂甚至倒塌，对于特大桥而言，如果沉降过大，相邻两桥墩沉降差过大，则可能影响城市域铁路的行车舒适度、耐久性，更严重者可能发生安全事故。因此，控制基坑开挖对周边建筑物的影响是避免周边建筑物或构筑物变形过大从而造成安全隐患。

3.4 对既有轨道交通5号线联络线隧道结构内力的影响

数值模拟结果显示，桥梁桩基开挖完毕后，隧道结构内力达到最大值。数值模拟计算结果显示，强度配筋情况下，最大正弯矩333.37kN·m，对应轴力-45.14kN;最大负弯矩-298.23kN·m，对应轴力-140.17kN。隧道结构的配筋方案为：环向25@150，经验算，配筋足够。计算结构裂缝宽度可得，背水侧结构最大裂缝宽度0.085mm，小于0.3mm;迎水侧结构最大裂缝宽度0.167mm，小于0.2mm。

3.5 地表沉降的影响

以东西隧道中心线为基准，桩基础施工范围为40m，分别针对不同施工阶段地表沉降变化情况进行对比分析。随着桩基础开挖深度的增大，地表施工区域沉降值呈不断增大趋势变化，其中靠近桩基础施工区域地表沉降值较大。当桩基础开挖至6m时，施工区域地表沉降出现较大幅度的增大，最大达到-7.5mm，相对于未开挖时增大了约-6.6mm，桩基础开挖至12m时，地表沉降值再次出现增长，最大值为-9.8mm，相对于开挖至6m时增长了约-2.3mm，当桩基础开挖深度超过12m后，地表沉降值不再随开挖深度而变化，说明桩基础开挖对施工区域地表沉降具有一定影响，但桩基础开挖达到一定深度后，地表沉降将不再受开挖深度的影响。

4 结论与建议

本文根据相关设计文件、施工文件以及桥梁与轨道交通5号线联络通道的相对位置关系，建立了三维计算模型，通过模拟桩基施工及施作桥台、桥面的全过程，分析了桥梁施工过程中对既有轨道交通5号线联络通道的影响。取得如下结论：（1）隧道上方桥梁施工会使隧道结构在原有变形的基础上继续竖向发生沉降、横向发生收敛、结构整体发生扭曲;（2）隧道结构由于桥梁施工产生的纵向位移最大值为0.08mm，横向收敛最大值2.22mm，竖向最大下沉量5.80mm，均小于限值10mm，满足要求;（3）强度配筋情况下，最大正弯矩333.37kN·m，对应轴力-45.14kN;最大负弯矩-298.23kN·m，对应轴力-140.17kN，结构配筋足够;背水侧结构最大裂缝宽度0.085mm，小于0.3mm;迎水侧结构最大裂缝宽度0.167mm，小于0.2mm。计算结果表明，在本文采用的计算参数及施工步骤条件下，上跨轨道交通5号线联络通道桥梁施工的全过程中，既有轨道交通5号线结构各项指标满足规范规定的要求。在桥梁施工过程中，建议采取以下措施以进一步保证施工安全：（1）桩基施工过程中应做好泥浆护壁，避免产生塌孔，引起隧道结构受力不均;（2）桩基应间隔施工，充分利用桩间土体的抗力平衡隧道结构受力;（3）施工过程中应控制施工荷载，避免在隧道结构范围内产生过大超载。

结语：综上所述，在地铁隧道明挖法施工中，基坑开挖引起的周围环境的变化和施工的稳定性，随着基坑深度加大而变得更为显著，而基坑支护结构的合理设置及施工，才能有效保证其基坑的稳定性，进而确保周围建筑物的安全。

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