地铁施工对临近桥体变形影响分析

解超　史绪鑫

摘要 地铁是关系国计民生的工程，对缓解城市交通起到了至关重要的作用。由于地铁隧道开挖施工对基础地基的破坏和施工振动的影响，会对地上结构，特别是有一定高度的立体桥体结构的稳定性产生影响。文章结合具体工程实例，通过建立实体单元模型对临近立交桥桥体的变形进行数值模拟分析，指出了地铁施工对立交桥稳定性影响。并基于分析结果，给出了相应的工程风险控制方案，该方案可以为类似地铁隧道工程施工提供参考。

关键词 地铁;矿山法;立交桥;变形分析

中图分类号 U231.3 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0108-03

引言

地铁工程是大中型城市居民出行的载体，也是带动城市经济发展的纽带[1]。随着科学技术的发展，地铁的开挖方式已经由最初的明挖回填施工方案转变为对地形破坏更小的矿山法或者盾构法施工支护方案[2]。虽然地铁深度距离地表有一定安全距离，考虑到开挖施工对土体基础完整性的破坏以及施工过程中的振动影响，地铁施工依然会对地表上部建筑结构稳定性和变形构成影响[3]。因此在地铁施工过程中，需要对临近建筑物的变形影响进行分析，以保证地铁周边建筑物的安全。

1 地铁开挖对周边建筑物影响

地铁开挖对地表结构影响主要在两个方面：一个是影响地基的完整性，引起上层土体沉降。开挖施工在地基深处开挖形成空洞会使周围土体缺乏支撑而下降，造成地表结构出现不均匀沉降，产生裂缝和应力。第二个是开挖施工过程中会使用轻微爆破，加之机械施工均会对土层结构产生振动影响，造成土体结构重塑，进而影响地表建筑物结构整体性能。

大量学者和研究机构利用数值模拟或位移监测手段对地铁施工对周围建筑物的影响进行了研究[4-6]，并提出了相应的防治措施。结果表明地铁在修筑过程中会造成上部结构物变形，促使沉降增加。施工过程中，需要对其影响程度进行风险分析，以便确定是否需要采取相应的保护措施。在被影响的建筑物中，具有一定高度的结构物相对于低矮建筑物更容易失稳变形，该类建筑物是监测和校核的重点。该文以实际地铁工程作为研究对象，对地铁施工对临近立交桥变形影响进行分析，并依照数值模拟结果给出相应的保护措施[7]。可以为类似工程中地铁对桥体结构稳定性影响提供理论依据以及保护措施参考。

2 工程概况

某地铁站位于青岛市市南区两条主干道交叉口，沿山东路南北向敷设，车站在此处与5号线换乘。车站周边主要为住宅小区、商业地块及澳柯玛立交桥。车站主体下穿澳柯玛立交桥，西侧为康嘉景园小区、广发金融大厦，东侧为博思公寓。站址地形起伏不大。

其中澳柯玛立交桥为该文研究对象，该桥为东西快速路胶宁高架上一座重要的立交桥，位于地铁站路口。车站主体大里程端临近立交桥，该处立交桥为桩基（埋深约10～12 m），8号线主体拱部距离桩基竖向距离约8.4 m，水平距离仅约2 m;5号线主体平行侧穿桥桩，与桩底竖向距离约2.9 m，水平距离约15 m。此外，2號风道距离桥桩水平距离仅为约8 m;C1、C2出入口正、侧穿桥桩。由于车站主体开挖跨度较大，风道开挖深度达39 m;5、8号线车站区间+换乘通道正穿澳柯玛立交桥，距厅厅换乘通道竖向距离约为6 m，水平距离约3.5 m;该处围岩破碎，车站结构的施工对桥桩影响很大，考虑到澳柯玛立交桥的重要交通作用，将其定为Ⅱ级风险源。

3 工程地质

该站场地地貌单元属于剥蚀斜坡～剥蚀堆积地貌，地形较为起伏，呈现北低南高的特点。隧道穿越地层主要为强风化粗粒花岗岩、中等～微风化粗粒花岗岩，穿插后期侵入的煌斑岩（）、中细粒花岗岩[]、花岗斑岩岩脉[]，并揭露相应构造岩。场区地下水以孔隙潜水及裂隙水为主，主要赋存于第四系及基岩中。水位埋深较浅，地下水富水性贫。地表普遍分布第四系全新统人工填土层（Q4ml），岩性为素填土及杂填土，土质不均，结构松散，密实程度差。第四系上更新统洪冲积层（Q3al+pl）主要为第层粉质黏土及第层粗砾砂层，强度较高，压缩性中等～低。

基岩整体强度高，工程性质及抗震性能良好，是良好的持力层，但由于受构造的影响，局部地段形成相对不均匀的岩石地基。场区岩体根据其不同的工程性状及质量状态可分为散体状、碎裂块状、块状～整体块状三种结构岩体。该车站通过地层以微风化花岗岩、微风化花岗岩节理发育带为主，局部穿插细粒花岗岩、煌斑岩岩脉。受穿插多条岩脉影响，岩体较破碎～破碎，拱顶和洞身容易掉块，综合分析该区间围岩级别Ⅳ1～Ⅳ2级为主，隧道围岩稳定性差，拱顶及侧壁支护不及时时可发生小坍塌，施工中进行了相应支护工程。

4 立交桥变形数值模拟分析

根据地质勘探提供的车站暗挖隧道所处地层围岩的物理力学性质，采用地层结构法分析地铁施工对既有桥梁的影响。填土及强风化采用摩尔库伦模型，中微风化岩层的本构模型采用D-P模型，以考虑围岩的非线性变形。结构采用实体单元模拟，材料为弹性材料，考虑边界效应及模型简化，采用将三层段适当延长，有限元模型如图1所示。

采用矿山法进行开挖施工，由附近绿地设置施工竖井，经由横通道进入地铁主体施工。先完成拱部开挖，然后施工拱盖二衬，再进行下部围岩开挖。施工方法为台阶法、CD法施工。水平位移云图如图2所示。根据计算结果可以看出，澳柯玛桥的水平方向变形主要受地铁主体施工的影响，且受影响的主要为行人桥部分，沿桥横向的最大水平位移为3.5 mm，风险可控且不会影响后续使用。换乘节点施工地铁主体时，应密切监控桥基（特别是人行桥）变形，以策安全。

竖向位移云图如图3所示。由图中可以看出澳柯玛桥竖向变形受区间隧道和地铁站主体施工影响均较为明显，主桥和人行桥的基础及桥身的竖向最大变形可达到2.7 mm，结构受影响较大;其中区间开始下穿施工、主体侧穿施工时应特别加密监测，并适时采取补偿注浆措施保证桥变形稳定。

不同方向的主应力云图如图4和图5所示。新建工程的施工导致桥身和桥桩分别在Y、Z方向产生较大的附加主应力，分别达到2.3 MPa和7.1 MPa，而由于既有桥梁在过往不均匀变形、温度等因素已经产生一定的应力应变，因此施工之前应对桥梁进行全面的应力应变初测，结合模拟预测的附加影响对桥梁进一步进行安全性评价，必要时应采取有效措施释放既有应力及控制附加不均匀变形，保证既有结构安全。

5 风险控制措施

结合安全性施工数值模拟分析以及类似工程经验，为充分保證地铁工程施工的安全并减缓对立交桥的影响，决定采用以下风险控制措施：

（1）地铁主体施工应该压低埋深，保证主体工程均位于中微风化地层中，并且均采用拱盖法施工，初期支护采用350 mm挂网喷射混凝土+格栅钢架+4 m超前小导管，保证岩石的完整坚固，减小桥桩附加变形。

（2）施工期间应严格按“短进尺、弱爆破、早封闭、勤量测”的原则进行施作，以确保施工安全。应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，最大限度保护围岩。

（3）同时做好超前地质预报，加强监控量测，并根据量测反馈信息调整该参数，必要时辅以洞内袖阀管补偿注浆等措施。

（4）在穿越立交桥下部过程中，对立交桥梁墩台、梁板结构进行全过程监测。监测内容应包括桥梁墩台的沉降及倾斜、梁板结构的沉降及差异沉降、裂缝。同时在立交桥两侧桥桩布置测点，测量桥桩水平位移、竖向位移、倾斜和裂缝等指标。

（5）澳柯玛立交桥为东西快速路，交通流量大，施工车站时的爆破震动和开挖变形可能引起桥桩变形，造成桥身开裂，造成重大风险，进行该项施工时需密切关注桥体监测数据变化，并制定突发情况处理方案。

6 结语

地铁工程作为大城市交通运输的主要设施，在地下进行矿山法施工时会横穿桥体结构基础。该文基于有限元方法对地铁临近立交桥进行建模，并分析其在地铁施工过程中变形和应力变化及其极值。可以得到以下结论：

（1）实例中地铁施工主要影响立交桥结构水平位移和竖向应力，分别达到3.5 mm和7.1 MPa。

（2）为减弱地铁施工对地表桥体变形影响，可增强施工周围岩土强度，尽量减轻施工对周围土体影响，并结合实时监测的施工方案。

参考文献

[1]孙飞祥， 张兵， 彭正勇， 等. 厦门地铁3号线盾构法与矿山法海下对接施工风险分析及应对措施[J]. 施工技术， 2020（1）： 67-71.

[2]沈亚威. 矿山法地铁隧道下穿既有铁路路基影响研究[J]. 现代城市轨道交通， 2019（7）： 67-71.

[3]陈宝军. 岳荣区间地铁隧道施工诱发的围岩及地表变形规律研究[D]. 西安：西安科技大学， 2018.

[4]姚红方. 地铁隧道矿山法施工安全风险管理研究[D]. 徐州：中国矿业大学， 2016.

[5]崔铁军， 马云东. 矿山法双线地铁施工仿真及地表沉降数值分析[J]. 中国安全生产科学技术， 2014（3）： 54-60.

[6]钟威， 陈建平， 孙金山. 武汉地铁2号线矿山法施工区间隧道风险分析及其控制[J]. 安全与环境工程， 2012（1）： 103-107+111.

[7]聂楠. 北京地铁矿山法隧道结构可靠度计算方法研究[D]. 北京：北京交通大学， 2008.

收稿日期：2022-01-27

作者简介：解超（1989—），男，本科，中级工程师，研究方向：地铁隧道结构设计。