PBA车站扣拱施工顺序对上部跨河桥沉降影响分析

曹力桥，王志斌，周丁恒

(1. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063； 2. 杭州萧冠交通工程有限公司，浙江 杭州 311215；3. 中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引 言

PBA工法为浅埋暗挖法的一种，研发自我国。该工法是由边桩、中桩(柱)、顶底梁、顶拱共同构成初期受力体系，承载施工过程中的荷载。其核心思想是将盖挖法与暗挖法有机结合，发挥各自优势，在顶盖的保护逐层向下开挖，施作二次衬砌，最终形成由初期支护和二次衬砌组成的永久承载体系。PBA工法具有施工工期相对较短、临时支撑较少、安全性较好及工程造价相对较低等优点，目前已经成为北京地区暗挖地铁车站主流施工工法。已运营的北京地铁6号线一期及7号线暗挖车站中采用了该工法[1]；正在建设的北京地铁12号线及16号线暗挖车站也大量采用该工法，且随着该工法的成熟与完善，PBA工法在沈阳[2]、大连[3]等城市也得了一定应用。

随着城市轨道交通建设高速发展，地铁车站兴建时不可避免遇到各种类型建筑物。车站临近桥梁施工则是其中一种典型情况。较早针对PBA工法施工的地铁车站临近桥梁的研究开始于临近桥基的北京地铁10号线国贸站。吴波等[4,5]采用数值模拟方法就该车站洞桩法施工的风道及风道转弯段对邻近桥基的影响做了系列研究；何海健等[6]依托国贸站风道临近桥基，采用蒙特卡罗方法，研究了地层、注浆和初衬的弹性模量及泊松比对邻近墩台差异沉降值的影响程度，得到了桩基间差异沉降的概率分布、差异沉降值的可能范围及结构相应的可靠度，且在实测结果中得到了验证性仍需更多类似工程的监测数据验证，但该研究方向国内外均少有涉及，其正确性仍需更多类似工程的监测数据验证；姚宣德[7]分析与推导了各种桥桩影响类型受浅埋暗挖法施工影响的附加荷载、沉降及变形的计算方法，并将其应用于国贸站风道施工时桥基计算中。此外，李汶京[8]、毛巨省[9]围绕该车站风道对桥基影响做了数值分析工作，并提出了一些桥基保护及控制措施。但国贸站风道为2导洞PBA工法施工，且侧穿的是单组桥桩，从工程体量和相对位置关系来说，临近施工难度相对简单，对现今各种复杂PBA穿越桥梁情况借鉴作用有限。近5年来，随着研究方法逐渐多样化，对PBA车站临近桥梁的研究取得一些成果，其中代表性的有：周正宇等[10-11]、苏洁等[12]将风险理论引入PBA车站临近桥梁施工控制；任建喜等[13]采用有限差分原理，模拟预测8导洞PBA车站施工引起的上部桥梁沉降，并与实测结果对比分析；韦京等[14]将FLAC3D数值模拟和层次分析法结合起来确定车站下穿桥梁的最优方案，其考虑的方案多达9种，完成对比研究工作，所得结论值得借鉴与参考。前人研究中车站与桥桩位置关系多为侧穿，未出现有依托工程中桥桩在车站上方的情况(桥桩位于车站上方，且桩底与车站顶部距离仅为0.6 m)，扣拱顺序对于PBA车站施工对土体变形影响较大[15]，合理扣拱施工顺序对于本工程条件下上部桥梁沉降控制尤为重要。

1 工程背景

1.1 工程概况

北京地铁16号线红莲南里站位于莲花河东侧路与红莲南路交叉路口，沿莲花河南北向布置。红莲南里站为地下双层三跨岛式车站，地下一层为站厅层、地下二层为站台层。车站全长262.7 m，主体结构宽度为22.4 m，中心里程处轨面埋深26.71 m。车站主体采用暗挖(PBA)法施工。与车站相接处两端区间均采用暗挖法施工。车站标准段覆土厚度约为13 m，跨路口段覆土厚度约为14 m。

红莲南里站下穿南马连道跨莲花河桥(三跨简支公路桥)。莲花河桥下部结构形式为：墩台由柱接盖梁组成；中墩由3根桩接柱与矩形截面连续盖梁构成；圆形墩柱直径为1 m；桥台由3根桩与矩形截面连续盖梁构成，盖梁截面为1.2 m×1.2 m；基础均采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径为1.2 m。

车站与上部桥梁及桥桩相对位置关系如图1。桥面和车站顶部距离约为24.7 m，莲花河东侧3根桥桩距离车站顶部距离仅为0.6 m左右。桥桩处于车站顶部，无法进行桩基拖换，对车站施工带来了较大的影响。

图1 车站跨河桥相对位置关系剖面Fig. 1 Relative position profile of station of river-crossing bridge

1.2 工程地质条件

车站上方层由上而下主要有：粉质粘土填土①、杂填土①1、粉土②、粉质粘土②1、粉细砂②3、中粗砂②4、圆砾②5、卵石⑤、中粗砂⑤1。车站范围内土层由上而下主要有：卵石⑤、中粗砂⑤1、粉质粘土⑤4、卵石⑦、中粗砂⑦1、粉土⑦3、卵石⑨。

2 计算模型

2.1 数值模型建立

数值模拟计算中笔者所做假定与简化如下：

1)假设地表与土层均匀，土层厚度根据地质勘探报告选取。

2)模型单元类型的选取。桥桩及上部墩柱采用梁单元模拟，车站边桩、中柱及中桩采用梁单元模拟；河底面层、导洞初支及扣拱初支采用板单元模拟；桥面及底部梁采用实体单元模拟，车站导洞回填、冠梁、车站结构采用实体单元模拟，土体模型同样采用实体单元，其本构模型为摩尔库伦模型，不考虑地下水的影响。

3)初期支护等效处理。数值计算中通常采用等效刚度方法，将钢格栅和混凝土的总刚度等效处理为混凝土的强度，其计算公式为：

E=E0+(Sg×Eg)/Sc

(1)

式中：E为等效的混凝土弹性模量，MPa；E0为混凝土材料的弹性模量，MPa；Sg为钢架截面 面 积，m2；Eg为钢材的弹性模量，MPa；S0为混凝土截面上的面积，m2。

4)模型尺寸概况。本次数值模拟中，建立了完整车站模型，但分析导洞施工顺序影响时，不涉及导洞施工后的相关模拟程序。上边界取至地表，底部边界取结构底板下21.47 m(下边界与导洞底部距离31.32 m)，竖向高度为50 m；横向长度取边桩外侧47.5 m，横向宽度为116.43 m；考了施工空间效应，模型纵向宽度取最外侧桥桩24 m，纵向宽度为60 m。

5)模型边界条件。上边界不设定约束，左右边界为水平约束，底部边界添加水平和竖向约束。

6)荷载情况。计算模型主要考虑土体自重和地面超载，其中土体自重由GTS NX自动生成，地面超载及桥面荷载值均取20 kPa。红莲南里站下穿南马连道跨莲花河桥三维有限元计算模型和车站结构模型分别如图2、图3。

图2 三维有限元计算模型Fig. 2 3D FEM calculation model

图3 车站结构模型Fig. 3 Station structure model

7)分段模拟说明。计算采用分段方式模拟车站开挖的空间效应，同时考虑加固区范围(以桥梁中心为Z坐标零点，加固范围为Z取-10.6～17.95 m，由前至后，施工进尺分别设置为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 计算参数

模型共分9个土层，各土层物理力学参数列于表1中，桥梁及地下结构参数列于表2中。

表1 土体物理力学参数Table 1 Physical-mechanical parameters of soil

表2 材料计算取值Table 2 Material calculation value

2.3 施工方案

PBA工法扣拱施工的具体步骤一般为边导洞内结构施工→混凝土回填→分步开挖导洞间拱部土体、初支扣拱→分段拆除边导洞临时支护→施做导洞间二衬结构完成扣拱。

笔者选取4种施工方案进行对比分析，为避免偏压情况出现，左、右边跨施工同步进行。方案1：先施工中跨，再施工边跨，中跨开挖面超左、右边跨六段，开挖错距为12～19.4 m；方案2：先施工中跨，再施工边跨，中跨开挖面超边跨三段，开挖错距为6～10.4 m；方案3：先施工边跨，再施工中跨，边跨开挖面超中跨六段，开挖错距为12～19.4 m；方案4：先施工边跨，再施工中跨，边跨开挖面超中跨三段，开挖错距为6～10.4 m。

3 计算结果与分析

笔者重点研究不同扣拱施工顺序对桥桩位移的影响，并辅以地层变形、车站结构受力性态分析。位移结果与车站结构受力分析均选用Z=0断面为研究对象。每排桥桩编号方式：由靠近车站一侧分别编号为1#、2#、3#、4#，并以南、中、北依次命名同一排3根不同桩，如1#南桥桩。

3.1 不同扣拱施工顺序下桥桩沉降分析

3.1.1 桩底沉降

图4为不同扣拱施工顺序下桥桩沉降云图。综合分析4种方案扣拱施工引起的桥桩沉降结果，可得到以下规律：

图4 不同扣拱施工顺序下桥桩沉降云图Fig. 4 Settlement nephogram of bridge pile under different buckle-arch construction sequence

1)1#排桩桩底沉降稍大于桩顶沉降，2#、3#、4#排桩则相反，桩顶沉降稍大于桩底沉降。

2)对于桥桩最大沉降，方案3最大，方案2最小，方案1和方案4介于两者之间，且最大桥桩沉降差异很小。由此可见：中跨与边跨错距相同时，先中后边顺序时引起的桥桩沉降比先边后中顺序时引起的桥桩沉降稍小。

3)4种方案下位于车站顶部的1#排桩沉降远大于其他3排桩，以中间4根桩和1#中桥桩距离为横坐标，以4根桩桩底沉降为纵坐标，绘制出桩底沉降-距离关系曲线(图5)。桩底沉降与桩与1#中桥桩间的距离呈指数衰减关系，4种方案的曲线反弯点值约为15 m，表明扣拱施工对上部桥桩的影响范围约为15 m，边中跨扣拱顺序及边中跨开挖面错距大小对于扣拱施工横向影响范围影响很小。

图5 中间桩桩底沉降与距离关系曲线Fig. 5 Relationship curves between bottom settlement of middle pile and distance

3.1.2 桩底差异沉降

差异沉降是衡量桥梁位移的重要指标。本次计算中，加固区范围为Z取-10.6～12.95 m。模型中只有加固范围不对称，故车站扣拱施工完成后，同一排3根桩的绝对沉降值差异不大。以1#排桩为例，4种方案桩底差异沉降随不同扣拱施工步变化如图6。差异沉降计算基点均为中桩桩底沉降，如南桩与中桩之间的差异沉降为中桩桩底沉降值减去南桩桩底沉降值。图6中差异沉降出现负值表示中桥桩桩底沉降小于南、北桥桩。

由图6可得出桩底差异沉降变化规律：①4种方案1#排桩桩底差异随扣拱施工步变化趋势基本一致，在中、边跨扣拱开挖面错距相同情况下，方案1是方案3整体后移，方案2是方案的整体后移；②掘进一段距离后，差异沉降开始减小至0并转为负值增大形式， 到达最大值后又逐渐减小，随着中、边跨扣拱开挖面远离桥桩，逐渐趋于稳定；③4种方案下桩底最大差异沉降相差不大，1#中桥桩与南桥桩差异沉降峰值在-0.52 mm左右，1#中桥桩与北桥桩差异沉降峰值在-0.61 mm左右。上述变化规律亦存在其他3排桩中。

图6 不同方案下1#排桩底差异沉降随扣拱施工步变化Fig. 6 Variation of bottom settlement difference of 1# row pile changing with buckle-arch construction steps under different schemes

3.1.3 桥梁沉降控制标准

笔者侧重分析不同扣拱顺序对桥梁的影响，故不对桥梁安全评估进行主要分析，只提出桥梁评估单位对车站施工过程中桥梁位移控制标准。

根据CJJ99—2003《城市桥梁养护技术规范》，南马连道跨莲花河桥评估等级为B级，处于良好状态；桥梁目前工作状况良好，上部结构主要为施工缝及绞缝渗水泛碱等耐久性病害；桥台存在水迹及混凝土剥离现象，桥墩及基础未见异常现象；桥面铺装墩顶存在横向通长裂缝及桥面纵向裂缝，破坏桥面防水层，影响结构耐久性。桥梁评估单位评估提出1#、2#排桩均匀沉降控制值小于等于5 mm，不均匀沉降控制值小于等于2 mm。从不同扣拱施工顺序下桩底沉降及差异沉降计算结果来看，均在桥梁容许范围内。

3.2 不同扣拱施工顺序下土体变形分析

不同扣拱施工顺序下土体竖向变形如图7。

图7 不同扣拱施工顺序下土体竖向变形云图Fig. 7 Vertical deformation nephogram of soil under different buckle-arch construction sequence

由图7可知：

1)4种方案下扣拱完成后土体变形最大值分别为5.91、5.77、5.89、5.74 mm，先中后边顺序下土体竖向变形与先边后中顺序下土体竖向变形差异极小。

2)本次计算中采取的中、边跨开挖面错距是变化的，存在远近此消彼长的作用，故无论是先中后边的施工顺序还是先边后中的施工顺序，错距不同对土体变形的影响不大。相同扣拱施工顺序下，3段错距下土体最大竖向变形小于6段错距离下土体最大竖向变形约为0.14 mm。

3)4种方案下扣拱完成后地表最大沉降分别为3.24、3.11、3.34、3.23 mm，先中后边顺序下地表沉降稍小于先边后中顺序下地表沉降，但两者差异很小。

4)相同扣拱施工顺序下，3段错距下地表最大沉降小于六段错距离下最大地表沉降约为0.11 mm。

3.3 不同扣拱施工顺序对车站中柱影响分析

图8为不同扣拱施工顺序下Z=0断面的车站中柱竖向位移云图，不同方案下车站中柱顶部位移随扣拱施工步变化如图9。

图8 不同扣拱施工顺序下车站中柱竖向位移云图Fig. 8 Vertical displacement nephogram of station middle-column under different buckle-arch construction sequence

扣拱施工完成后4种方案下车站左中柱位移稳定值分别为1.155、0.999、1.151、1.005 mm，车站右中柱位移稳定值分别为0.710、0.585、0.707、0.585 5 mm。在4种施工方案中，车站中柱顶部位移的变化规律基本相同，均为随着扣拱施工向前推进，逐渐减小，当开挖面远离后，顶部位移趋于稳定。车站左、右中柱顶部位移变化曲线(图9)显示，方案1和方案3车站中柱顶部位移基本相同，方案2和方案4车站中柱顶部位移差异更小。无论是施工过程中还是最后稳定状态，车站左中柱顶部位移均大于车站右中柱顶部位移。相同扣拱顺序下三段错距车站中柱顶部位移小于六段错距。由此可见，三段错距对于控制拱脚推力对车站中柱的影响，若使用六段错距，应增大车站中柱的配筋率或截面积以满足承载力及裂缝验算等要求。

图9 不同方案下车站中柱顶部位移随扣拱施工步变化Fig. 9 The displacement of the top of station middle-column changing with buckle-arch construction steps under different schemes

4 结论与建议

暗挖地铁车站临近桥梁问题是岩土工程领域一个较热门的研究课题。结合下穿马连道跨莲花河桥红莲南里站工程，通过三维有限元数值模拟得到以下结论：

1)中跨与边跨开挖面错距相同时，先中后边顺序下桥桩沉降小于先边后中顺序。扣拱施工对上部跨河桥影响范围为15 m左右，中、边跨先后顺序及错距大小对该数值影响不大。

2)桥桩差异沉降呈“倒漏斗”型变化形式，4种方案引起的最大差异沉降值基本一致，最大差异沉降所在施工步不同。

3)4种方案下桥桩绝对沉降和差异沉降均在允许范围内，桥梁处于安全可控的状态。

4)在先中后边和先边后中两种顺序中，先中后边施顺序下引起的地表沉降值比先变后中顺序下引起的地表沉降值稍小。

5)先边后中顺序更能有效地控制拱脚对中柱产生的推力，中柱顶部竖向位移更小。

6)中、边跨的三段错距对上部桥桩沉降、地表沉降及中柱位移的控制效果优于六段错距。

综合以上结论，在PBA工法车站下穿上部桥梁中，虽然先中后边顺序对柱顶位移稍大于先边后中顺序，但从控制上部桥梁位移及地表沉降的角度，仍建议扣拱的施工顺序为先中后边。