地鐵施工對臨近橋體變形影響分析

解超　史緒鑫

摘要 地鐵是關系國計民生的工程，對緩解城市交通起到了至關重要的作用。由于地鐵隧道開挖施工對基礎地基的破壞和施工振動的影響，會對地上結構，特別是有一定高度的立體橋體結構的穩定性產生影響。文章結合具體工程實例，通過建立實體單元模型對臨近立交橋橋體的變形進行數值模擬分析，指出了地鐵施工對立交橋穩定性影響。并基于分析結果，給出了相應的工程風險控制方案，該方案可以為類似地鐵隧道工程施工提供參考。

關鍵詞 地鐵;礦山法;立交橋;變形分析

中圖分類號 U231.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0108-03

引言

地鐵工程是大中型城市居民出行的載體，也是帶動城市經濟發展的紐帶[1]。隨著科學技術的發展，地鐵的開挖方式已經由最初的明挖回填施工方案轉變為對地形破壞更小的礦山法或者盾構法施工支護方案[2]。雖然地鐵深度距離地表有一定安全距離，考慮到開挖施工對土體基礎完整性的破壞以及施工過程中的振動影響，地鐵施工依然會對地表上部建筑結構穩定性和變形構成影響[3]。因此在地鐵施工過程中，需要對臨近建筑物的變形影響進行分析，以保證地鐵周邊建筑物的安全。

1 地鐵開挖對周邊建筑物影響

地鐵開挖對地表結構影響主要在兩個方面：一個是影響地基的完整性，引起上層土體沉降。開挖施工在地基深處開挖形成空洞會使周圍土體缺乏支撐而下降，造成地表結構出現不均勻沉降，產生裂縫和應力。第二個是開挖施工過程中會使用輕微爆破，加之機械施工均會對土層結構產生振動影響，造成土體結構重塑，進而影響地表建筑物結構整體性能。

大量學者和研究機構利用數值模擬或位移監測手段對地鐵施工對周圍建筑物的影響進行了研究[4-6]，并提出了相應的防治措施。結果表明地鐵在修筑過程中會造成上部結構物變形，促使沉降增加。施工過程中，需要對其影響程度進行風險分析，以便確定是否需要采取相應的保護措施。在被影響的建筑物中，具有一定高度的結構物相對于低矮建筑物更容易失穩變形，該類建筑物是監測和校核的重點。該文以實際地鐵工程作為研究對象，對地鐵施工對臨近立交橋變形影響進行分析，并依照數值模擬結果給出相應的保護措施[7]。可以為類似工程中地鐵對橋體結構穩定性影響提供理論依據以及保護措施參考。

2 工程概況

某地鐵站位于青島市市南區兩條主干道交叉口，沿山東路南北向敷設，車站在此處與5號線換乘。車站周邊主要為住宅小區、商業地塊及澳柯瑪立交橋。車站主體下穿澳柯瑪立交橋，西側為康嘉景園小區、廣發金融大廈，東側為博思公寓。站址地形起伏不大。

其中澳柯瑪立交橋為該文研究對象，該橋為東西快速路膠寧高架上一座重要的立交橋，位于地鐵站路口。車站主體大里程端臨近立交橋，該處立交橋為樁基（埋深約10～12 m），8號線主體拱部距離樁基豎向距離約8.4 m，水平距離僅約2 m;5號線主體平行側穿橋樁，與樁底豎向距離約2.9 m，水平距離約15 m。此外，2號風道距離橋樁水平距離僅為約8 m;C1、C2出入口正、側穿橋樁。由于車站主體開挖跨度較大，風道開挖深度達39 m;5、8號線車站區間+換乘通道正穿澳柯瑪立交橋，距廳廳換乘通道豎向距離約為6 m，水平距離約3.5 m;該處圍巖破碎，車站結構的施工對橋樁影響很大，考慮到澳柯瑪立交橋的重要交通作用，將其定為Ⅱ級風險源。

3 工程地質

該站場地地貌單元屬于剝蝕斜坡～剝蝕堆積地貌，地形較為起伏，呈現北低南高的特點。隧道穿越地層主要為強風化粗粒花崗巖、中等～微風化粗粒花崗巖，穿插后期侵入的煌斑巖（）、中細粒花崗巖[]、花崗斑巖巖脈[]，并揭露相應構造巖。場區地下水以孔隙潛水及裂隙水為主，主要賦存于第四系及基巖中。水位埋深較淺，地下水富水性貧。地表普遍分布第四系全新統人工填土層（Q4ml），巖性為素填土及雜填土，土質不均，結構松散，密實程度差。第四系上更新統洪沖積層（Q3al+pl）主要為第層粉質黏土及第層粗礫砂層，強度較高，壓縮性中等～低。

基巖整體強度高，工程性質及抗震性能良好，是良好的持力層，但由于受構造的影響，局部地段形成相對不均勻的巖石地基。場區巖體根據其不同的工程性狀及質量狀態可分為散體狀、碎裂塊狀、塊狀～整體塊狀三種結構巖體。該車站通過地層以微風化花崗巖、微風化花崗巖節理發育帶為主，局部穿插細粒花崗巖、煌斑巖巖脈。受穿插多條巖脈影響，巖體較破碎～破碎，拱頂和洞身容易掉塊，綜合分析該區間圍巖級別Ⅳ1～Ⅳ2級為主，隧道圍巖穩定性差，拱頂及側壁支護不及時時可發生小坍塌，施工中進行了相應支護工程。

4 立交橋變形數值模擬分析

根據地質勘探提供的車站暗挖隧道所處地層圍巖的物理力學性質，采用地層結構法分析地鐵施工對既有橋梁的影響。填土及強風化采用摩爾庫倫模型，中微風化巖層的本構模型采用D-P模型，以考慮圍巖的非線性變形。結構采用實體單元模擬，材料為彈性材料，考慮邊界效應及模型簡化，采用將三層段適當延長，有限元模型如圖1所示。

采用礦山法進行開挖施工，由附近綠地設置施工豎井，經由橫通道進入地鐵主體施工。先完成拱部開挖，然后施工拱蓋二襯，再進行下部圍巖開挖。施工方法為臺階法、CD法施工。水平位移云圖如圖2所示。根據計算結果可以看出，澳柯瑪橋的水平方向變形主要受地鐵主體施工的影響，且受影響的主要為行人橋部分，沿橋橫向的最大水平位移為3.5 mm，風險可控且不會影響后續使用。換乘節點施工地鐵主體時，應密切監控橋基（特別是人行橋）變形，以策安全。

豎向位移云圖如圖3所示。由圖中可以看出澳柯瑪橋豎向變形受區間隧道和地鐵站主體施工影響均較為明顯，主橋和人行橋的基礎及橋身的豎向最大變形可達到2.7 mm，結構受影響較大;其中區間開始下穿施工、主體側穿施工時應特別加密監測，并適時采取補償注漿措施保證橋變形穩定。

不同方向的主應力云圖如圖4和圖5所示。新建工程的施工導致橋身和橋樁分別在Y、Z方向產生較大的附加主應力，分別達到2.3 MPa和7.1 MPa，而由于既有橋梁在過往不均勻變形、溫度等因素已經產生一定的應力應變，因此施工之前應對橋梁進行全面的應力應變初測，結合模擬預測的附加影響對橋梁進一步進行安全性評價，必要時應采取有效措施釋放既有應力及控制附加不均勻變形，保證既有結構安全。

5 風險控制措施

結合安全性施工數值模擬分析以及類似工程經驗，為充分保證地鐵工程施工的安全并減緩對立交橋的影響，決定采用以下風險控制措施：

（1）地鐵主體施工應該壓低埋深，保證主體工程均位于中微風化地層中，并且均采用拱蓋法施工，初期支護采用350 mm掛網噴射混凝土+格柵鋼架+4 m超前小導管，保證巖石的完整堅固，減小橋樁附加變形。

（2）施工期間應嚴格按“短進尺、弱爆破、早封閉、勤量測”的原則進行施作，以確保施工安全。應注意對拱腳巖石進行保護，控制爆破強度，必要時采取機械開挖或靜態爆破，最大限度保護圍巖。

（3）同時做好超前地質預報，加強監控量測，并根據量測反饋信息調整該參數，必要時輔以洞內袖閥管補償注漿等措施。

（4）在穿越立交橋下部過程中，對立交橋梁墩臺、梁板結構進行全過程監測。監測內容應包括橋梁墩臺的沉降及傾斜、梁板結構的沉降及差異沉降、裂縫。同時在立交橋兩側橋樁布置測點，測量橋樁水平位移、豎向位移、傾斜和裂縫等指標。

（5）澳柯瑪立交橋為東西快速路，交通流量大，施工車站時的爆破震動和開挖變形可能引起橋樁變形，造成橋身開裂，造成重大風險，進行該項施工時需密切關注橋體監測數據變化，并制定突發情況處理方案。

6 結語

地鐵工程作為大城市交通運輸的主要設施，在地下進行礦山法施工時會橫穿橋體結構基礎。該文基于有限元方法對地鐵臨近立交橋進行建模，并分析其在地鐵施工過程中變形和應力變化及其極值。可以得到以下結論：

（1）實例中地鐵施工主要影響立交橋結構水平位移和豎向應力，分別達到3.5 mm和7.1 MPa。

（2）為減弱地鐵施工對地表橋體變形影響，可增強施工周圍巖土強度，盡量減輕施工對周圍土體影響，并結合實時監測的施工方案。

參考文獻

[1]孫飛祥， 張兵， 彭正勇， 等. 廈門地鐵3號線盾構法與礦山法海下對接施工風險分析及應對措施[J]. 施工技術， 2020（1）： 67-71.

[2]沈亞威. 礦山法地鐵隧道下穿既有鐵路路基影響研究[J]. 現代城市軌道交通， 2019（7）： 67-71.

[3]陳寶軍. 岳榮區間地鐵隧道施工誘發的圍巖及地表變形規律研究[D]. 西安：西安科技大學， 2018.

[4]姚紅方. 地鐵隧道礦山法施工安全風險管理研究[D]. 徐州：中國礦業大學， 2016.

[5]崔鐵軍， 馬云東. 礦山法雙線地鐵施工仿真及地表沉降數值分析[J]. 中國安全生產科學技術， 2014（3）： 54-60.

[6]鐘威， 陳建平， 孫金山. 武漢地鐵2號線礦山法施工區間隧道風險分析及其控制[J]. 安全與環境工程， 2012（1）： 103-107+111.

[7]聶楠. 北京地鐵礦山法隧道結構可靠度計算方法研究[D]. 北京：北京交通大學， 2008.

收稿日期：2022-01-27

作者簡介：解超（1989—），男，本科，中級工程師，研究方向：地鐵隧道結構設計。