临近高架桥初支拱盖法车站施工影响分析

史宣陶

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

0 引言

相对于洞桩法和双侧壁导坑法等暗挖工法，拱盖法具有施工作业面大、效率高、安全性好的优点，在上软下硬地层条件下地铁修建中得到了较为广泛的应用。国内外不少学者对这一工法的适应性进行了研究[1，2]，此外，对车站施工过程中稳定性以及变形特性进行的研究，施玉晶[3]比较了双层初期支护拱盖法和二次衬砌拱盖法下隧道结构稳定性；赵晨阳等[4]通过有限元分析研究穿越断裂带车站拱部支部结构变形随盖拱施工的变化规律；孔超等[5]以模型试验手段，结合数值分析，对不同工况下初支拱盖施工过程中围岩变形规律以及拱盖结构极限承载能力进行了对比分析；黄斐等[6]采用数值分析方法对拱部CD 法修筑的土岩复合地层双层初期支护拱盖法隧道结构的稳定性进行了研究，并提出了支护方案和工程措施；龚旭东[7]以青岛某地铁车站为依托，采用数值模拟及现场监测方法，对初支拱盖法施工变形规律及控制进行了研究。

以临近新冠高架的青岛地铁2 号线一期工程小港站为工程背景，在车站设计措施和高架桥保护措施的基础上，建立了临近桥梁的车站及区间三维有限元模型，详细分析了不同施工步序下桥桩水平位移、竖向位移及差异沉降变化特征。所得结论可为类似条件下初支拱盖法地铁车站施工中临近桥梁保护提供借鉴与参考。

1 工程概况

青岛地铁2 号线一期工程小港站位于惠民路与冠县路交叉口，新冠高架路和胶济铁路西侧，沿冠县路呈西南-东北向布置，车站西侧为海逸景园小区、海逸学校，东侧为新冠高架路，车站主体位于新冠高架西侧海逸景园广场下。小港站为单拱曲墙大断面暗挖地下两层车站，车站长215m，车站拱顶埋深23.6～26.6m，开挖跨度22.5～24.0m，开挖高度18.6～19.5m，共设置3 座竖井进行车站主体施工。车站共设置3个出入口、4个安全出入口和2 组风亭。

青岛新冠高架建于2011 年，桥上道路为双向8车道，桥梁基础为扩大基础、桩基，基础埋深3.6～17.9m。桥梁型式为钢筋混凝土连续梁，跨度30～32m。高架桥与车站主体相对位置关系如图1 所示，桥梁基础距离车站主体最近水平距离1.40m，距离车站拱顶最小竖向距离9.86m，最小净距14.67m。

图1 车站主体与新冠高架桥相对位置关系（单位：m）

2 工程地质条件

2.1 工程地质条件

根据勘察成果显示，勘察场区内第四系主要由全新统人工堆积层（Q4ml）及第四系上更新统洪冲积层（Q3al+pl）组成，下伏基岩为燕山晚期花岗岩（γ35），煌斑岩呈脉状穿插其间，部分地段受构造作用影响形成的砂土状碎裂岩及块状碎裂岩。地层层序自上而下分别：第①层、素填土、第1○层、粉质黏土、第16○上层强风化上亚带、第16○下层强风化下亚带、第17○层中等风化带、第18○层微风化带、第18○03层、风化节理发育带、第18○1层微风化带、第16○0-5层砂土状碎裂岩、第17○0-5 层、块状碎裂岩。

2.2 水文地质条件

场区地下水主要类型为第四系孔隙潜水与基岩裂隙水，二者间无稳定的隔水层，具有一定的水力联系。第四系孔隙潜水主要分布于剥蚀堆积地貌单元，基岩裂隙水主要分布于剥蚀斜坡地貌单元。地下水稳定水位埋深：1.70～7.10m，稳定水位标高：3.12～6.78m。

第四系孔隙潜水：地下水赋存于第①层填土中。富水好，属于中等-强透水层。基岩裂隙水：在场区主要以层状、带状赋存于基岩强风带、节理密集发育带中，由于节理发育不均匀，其富水性不均匀。强风化带中，透水性较差，富水性贫；节理发育带及构造破碎带中，裂隙张开性好，导水性较强，富水性中等。

3 桥梁保护措施

3.1 车站主体设计措施

车站主体结构设计措施如下：

（1）采用双层初支拱盖法，Φ25mm 中空锚杆+拱墙格栅钢架支护；小里程端块状碎裂岩处拱部采用Φ108mm 大管棚+Φ42mm 超前小导管预加固围岩；标准段拱部局部破碎地段设Φ89mm 中管棚；大里程端局部破碎处增设Φ42mm 超前小导管预加固围岩。

（2）严格按“短进尺、弱爆破、早封闭、勤量测”进行施作。

（3）拱部采用CD 法开挖，待第2 层初支拱盖达到设计强度后，再根据监测情况拆除临时中隔壁，两层初支钢架通过第1 层钢架预留的胡须筋连接，形成整体。

（4）开挖时应严格控制开挖循环进尺，边开挖边支护，杜绝一次开挖多榀和架设多榀现象，设置钢架地段一次进尺不大于钢架间距。

（5）注意对拱脚岩石进行保护，控制爆破强度，必要时采取机械开挖或静态爆破。必须清除拱脚基底浮渣。

（6）拱脚处应设置锁脚锚杆，每榀格栅钢架单侧设置2 根锁脚锚杆。拱脚存在破碎带时，应采取拱脚设置注浆锚管加固地层（代替锁脚锚杆）和加强连梁，必要时打设竖向钢管桩等措施。

（7）边墙上、下部分锚杆采取差异化布置，邻近大拱脚的锚杆长度应适当加长，间距适当加密。锚杆应设置一定的下偏角。

（8）做好超前地质预报、超前探水，加强监控量测，加强施工管理，做好相应应急预案。

（9）开挖后视地下水出露情况，采用局部径向注浆堵水，若超前地质预报反映水量较大，可采用超前帷幕注浆堵水。

3.2 桥梁保护措施

车站主体施工中，针对桥梁保护采取的主要措施如下：

（1）施工前，在桥面设置醒目的标志，在桥上设置减速带。

（2）高架桥基础处爆破震速控制在1.0cm/s 以内，同时满足铁路部门相关要求。

（3）初支完成后要及时对初支及二衬背后进行回填注浆，并做好注浆堵水措施。

（4）桥梁基础前后3m 范围内车站主体二衬配筋提高一个等级。

（5）线路右侧侧墙格栅钢架在桥梁基础前后各3m 范围内间距同拱部格栅。

（6）加强对基础和桥面的监测，根据监测结果，必要时采取地面或洞内注浆加固等措施。

（7）施工前对桥梁结构及基础进行全面评估，对桥梁基础形式、结构现状进一步调查。

4 数值计算分析

4.1 数值模型的建立

小港站临近新冠高架三维有限元计算模型见图2，模型中车站主体、区间隧道、新冠高架结构见图3。

图2 三维有限元计算模型

图3 模型中车站、区间与高架桥相对位置关系

（1）为消除边界效应，X 方向长度取182m，Y 方向长度取134.7m，Z 方向高度取100m。

（2）土层采用均一化处理，把地表和各土层处理为平面。

（3）新冠高架桥桥桩采用梁单元模拟，承台、桥墩以及上部结构采用实体单元模拟。区间隧道初支和二衬采用板单元模拟。车站主体拱部一层初支、拱部以下初支、中隔壁、中板采用板单元模拟，拱部二层初支、车站二衬采用实体单元模拟。土体模型采用摩尔库伦模型。

（4）上表面为自由面，侧面施加水平约束，底面施加水平、竖向约束。

（5）荷载情况：土体自重由自动生产，分析中地面超载主要为地面交通产生的，超载值取20kPa。

4.2 计算参数

模型共分8个土层，土体物理力学参数取值情况见表1。车站初支和二衬、区间初支和二衬以及桥梁结构材料计算值见表2。

表1 土体物理力学参数

表2 材料计算取值

4.3 模拟步骤

车站主体开挖步骤如图4 所示，根据图4，将计算模拟分为26 步，具体模拟情况列见表3。

图4 车站主体开挖步序图

表3 计算工序

4.4 计算结果与分析

文中选取新冠高架桥桥桩为分析对象，详细分析车站主体及区间隧道施工时桥桩位移变化情况。其中桥桩编号如图5 所示，从车站自区间方向，分别编号1#、2#、3#。位移方向上的规定：X 方向位移为横向水平位移，Y 方向位移为纵向水平位移，Z 方向位移为竖向位移。

图5 桥桩编号示意图

施工完成后桥桩横向水平位移、纵向水平位移和竖向位移云图如图6 所示。由图6 可知：①车站和区间施工引起的桥桩竖向位移大于横向水平位移，纵向水平位移最小；②由车站到区间方向，桥桩的三向位移逐渐减小，靠近车站的桥桩位移大，靠近区间桥桩位移小，车站施工影响明显大于区间。

图6 地铁完成后桥桩位移云图

桥桩竖向位移随施工步变化曲线如图7 所示。由图7 可知：①同一承台下4 根桥桩竖向位移随施工步变化趋势一致，1#承台、2#承台下桥桩沉降随着施工步不断增大，3#承台下桥桩先发生隆起位移，二衬施工后转变为沉降位移，且随区间施工逐渐增大；②同一承台下靠近地铁一侧的2 根桥桩竖向位移大于远离地铁一侧的2 根桥桩竖向位移；③对于1#承台，拱部1～4 部施工完成后，4 根桥桩竖向位移分别为-1.41、-1.22、-1.66、-1.34mm，分别约占总位移的65.5%、64.5%、64.9%、65.8%。车站主体施工完成后，4根桥桩竖向位移分别为-2.08、-1.83、-1.74、-1.99mm，分别约占总位移的96.8%、96.7%、97.4%、97.4%。对于1#承台桥桩，车站主体施工引起的竖向位移远大于区间施工引起的竖向位移，且车站拱部1～4 部施工对于桥桩竖向位移影响最为明显；④对2#承台，拱部1～4部施工完成后，4 根桥桩竖向位移分别为-0.22、-0.19、-0.14、-0.17mm，分别约占总位移的33.3%、34.0%、28.9%、27.7%。

图7 桥桩竖向位移随施工步变化曲线

车站主体施工完成后，4 根桥桩竖向位移分别为-0.39、-0.35、-0.28、-0.32mm，分别约占总位移的61.4%、61.5%、55.6%、54.8%。对于2#承台桥桩，车站主体施工引起的竖向位移稍大于区间施工引起的竖向位移。

桥桩差异沉降随施工步变化曲线见图8。由图8可知：①1#桥桩差异沉降最大，最大值约为0.345mm。2#桥桩差异沉降次之，最大值约为0.134mm。3#桥桩差异沉降最小，最大值约为0.034mm；②对于1#、2#桥桩，差异沉降主要是在车站拱部1～4 部施工阶段发生，车站下部及区间施工阶段，差异沉降虽有一定的增大，但变化幅度较小；③对于3#桥桩，差异沉降主要发生在区间施工阶段。

图8 桥桩差异沉降随施工步变化曲线

5 影响性分析

根据高架桥鉴定报告并结合现场周边环境条件，确定高架桥位移控制指标：高架桥墩台竖向位移控制值10mm；相邻墩台间不均匀沉降差纵向2mm，横向3mm；承台和桥桩水平位移控制值为3mm。各项位移控制指标随施工变化曲线如图9 所示，各项指标变化均发生在车站主体施工阶段。位移控制统计结果见表4，墩台竖向位移最大值约为2.473mm，相邻墩台纵向不均匀沉降差最大值约为1.961mm，承台水平位移最大值约为1.498mm，桥桩竖向位移最大值约为2.140mm，均满足控制标准要求。

图9 各项位移控制指标随施工步变化曲线

表4 位移控制统计结果

车站及暗挖区间未施工桥桩轴力为663.9～1541.1kN，车站施工后，桥桩轴力为579.2～1910.7kN，区间施工后588.8～1934.1kN，车站和区间施工后，桥桩轴力有所增加，但分布情况变化较小。

6 结语

建立了临近高架桥的初支拱盖法车站及暗挖区间的三维有限元模型，基于数值分析结果，分析了高架桥桥桩水平位移、竖向位移及差异沉降变化特征，研究结论如下：

（1）桥桩位移以竖向位移和向地铁方向的横向水平位移为主，高架桥轴线方向的水平位移不明显。桥桩位移在空间上由车站到区间方向逐渐减小。

（2）桥桩位移随不同施工步序变化特征与桥梁结构位置有关，车站范围内和车站与区间过渡范围内的桥桩位移随施工步不断增大，区间范围内桥桩位移变化特征为先增大、再减小、后反向增大。

（3）车站范围内桥桩位移主要发生在车站主体施工阶段，其中拱部CD 法开挖部分施工引起的位移占总位移的2/3，是高架桥监测的关键阶段。

（4）综合计算分析结果，高架桥各项位移控制指标未超过容许值，可认为车站设计参数、桥梁保护措施合理，使得高架桥结构处于安全状态。