臨地鐵車站的高架橋梁樁基施工時序研究

聶雄，劉博

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510000；2.天津鐵道職業技術學院，天津 300000）

1 引言

近年來，伴隨著城市地下空間的開發利用與地上高架橋交通路網的不斷延伸完善，新建高架橋梁樁基臨近已運營地鐵的工程日益增加。臨近地鐵的橋梁樁基施工勢必會引起土體擾動和變形，導致臨近地鐵結構產生附加變形和內力，對地鐵結構的安全性構成了極大威脅[1]。

丁智、張霄等[2]闡明了橋樁與地鐵隧道的相互近接施工影響及控制保護技術的研究，總結分析涉及的關鍵問題，探討了橋樁與地鐵隧道近接施工的影響區域劃分和風險分級標準的建立。

丁智、何奇威等[3]通過橋樁施工過程中對周圍深層土體水平位移、孔壓、隧道結構水平位移和沉降進行監測，研究分析了高架橋樁施工對臨近地鐵隧道變形的影響。

丁智、張霄等[4]依托杭州某橋梁試樁臨近地鐵隧道建設工程，建立橋樁鋼套管施工簡化力學模型，提出考慮套管分節施工特點與擠土效應影響的全套管灌注樁施工附加力的修正計算公式。同時，基于Mindlin應力解和兩階段分析法，求解橋樁施工引起的既有隧道附加應力與縱向豎向變形，并進一步分析橋樁施工全過程的動態影響規律。

綜上所述，現階段針對橋梁樁基施工對臨近地鐵結構的影響已經開展了豐富的研究。為了研究橋梁樁基不同施工時序對地鐵結構的影響，以臨近長沙地鐵已運營1號線車站的高架橋梁工程為背景，運用有限差法分析研究高架橋梁樁基不同施工時序下，地鐵車站結構的變形及受力特性。

2 工程概況

2.1 工程環境

長沙市軌道交通1號線涂家沖站位于芙蓉中路與新建西路交口處，沿芙蓉中路南北呈一字形布置。涂家沖站為地下2層，局部3層的島式車站，車站為2層兩跨和3層兩跨箱形結構，車站標準段寬度為18.9 m，盾構井段寬度為22.8 m。車站總長為175.5 m，車站2層結構底板深度約為19.5～22.5 m，車站3層結構底板深度約為22.5～23.5 m，頂板覆土約2.5～4.5 m；車站頂板厚0.8 m，局部0.9 m，中板厚0.4 m，底板厚1.0 m，側墻厚0.8 m。

新建西路（涂金路—芙蓉南路）建設項目在新建西路與芙蓉路交叉路口處采用高架橋的形式東西向跨越芙蓉路，高架橋主跨為50 m，坐落于3#墩與4#墩之上，橋墩采用雙柱花瓶墩+樁基礎，基礎采用直徑1.8 m樁基礎，樁基采用嵌巖樁，樁長30 m。其中，4#墩距車站主體結構平面距離最近，為9.55 m，3#墩距車站主體結構平面距離為17.36 m。

2.2 工程及水文地質

依托工程場地范圍內地層自上而下依次為雜填土層、圓礫層、粗礫、卵石、粉質黏土、強風化泥質粉砂巖及中風化泥質粉砂巖。橋梁樁基嵌入中風化泥質粉砂巖中，受力類型為摩擦端承樁，樁端持力層為中風化泥質粉砂巖。

場地范圍地下水類型可分為上層滯水、孔隙水及基巖裂隙水。場地內水文地質條件簡單，為賦存于素填土層的上層滯水，為弱透水層，水量小，局部分布，不連續。潛水穩定水位埋深5.80～7.89 m，補給來源為大氣降水及人工排水。水位變化幅度約為2～4 m。

3 施工時序研究

高架橋梁施工前，1號線涂家沖站已處于運營狀態，考慮到樁基礎較大，其成樁開挖卸載和樁基礎回筑乃至上部荷載傳遞至樁基礎必然會引起周邊地層的變形，甚至可能會對地鐵車站結構產生不利影響。為了確保施工安全，保障施工順利完成，研究高架橋墩不同施工時序對地鐵車站造成的影響是十分有必要的。

根據橋梁樁基與地鐵的相對關系，設置3種施工時序，分別模擬不同施工時序下的車站內力、變形情況。3種施工時序分別為：

1）先施工3#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基，再施工4#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基。

2）先施工4#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基，再施工3#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基。

3）同時施工3#、4#橋墩承臺（放坡開挖）及樁基。

4 數值模擬分析

4.1 模型的建立

根據高架橋梁與臨近地鐵車站的平面與空間關系，采用FLAC-3D建立有限差模型。模型主要分析橋梁3#、4#橋墩施工對1號線涂家沖站的影響，考慮邊界條件的影響及簡化計算，模型大小為80 m×36 m×40 m。數值分析模型共由36 040個zones和39 690個grid-points組成。模型中選取了6個關鍵監測點對橋樁開挖過程中結構的位移值進行了記錄追蹤。

采用FLAC-3D三維數值計算軟件動態模擬整個施工過程，對計算模型做如下說明：

1）土體采用實體單元模擬，土體的本構模型類型采用摩爾-庫倫模型，土層物理力學指標詳見表1。

表1 土層基本物理力學指標

2）樁、墻、柱等混凝土結構采用彈性模型模擬，為了方便建模，柱結構采用等剛度換算等效為墻。

3）模型邊界條件：模型底部約束Z方向位移，模型前后約束Y方向位移，模型左右約束X方向位移。

4.2 施工工況模擬

根據高架橋樁不同施工時序分3種工況模擬，每種工況的施工步驟詳見表2。

表2 模擬施工步驟

4.3 計算結果及分析

通過FLAC-3D數值模擬計算，得出在不同施工時序的高架橋梁樁基施工下，地鐵車站的位移云圖和應力云圖。施工時序3位移云圖如圖1所示。

圖1 施工時序3位移云圖

結合變形云圖可知：隨著高架橋梁樁基的施工，車站的變形呈增大的趨勢，但變形值有限。其次，3種施工時序下，時序3，即地鐵車站兩側高架橋樁同時施工對車站的變形影響最小。

施工時序3應力云圖如圖2所示。

圖2 施工時序3應力云圖

結合圖2可知：隨著高架橋梁樁基的施工，車站的應力呈增大的趨勢，但應力值有限。其次，3種施工時序下，時序3，即地鐵車站兩側高架橋樁同時施工對車站的應力影響最小。

經分析，其他2種施工時序因對地層多次擾動，對地鐵車站的影響相對較時序3而言較大。

5 結語

本文基于有限差數值模擬臨地鐵車站的高架橋梁樁基的施工時序研究，主要結論如下：

1）隨著橋樁開挖深度的加深，車站結構的水平位移和豎向位移都呈現增大的趨勢，水平位移在開挖至樁底時，達到最大值，成樁后逐步減小，上部結構施工完成后亦不會完全恢復；豎向位移在上部結構完成后有所減小。

2）通過模擬車站兩側3#、4#橋墩3種不同開挖工序對地鐵結構的影響，數值計算結構顯示不同開挖工序對地鐵結構以及道床均有一定的影響，其中，施工時序3（地鐵車站兩側高架橋樁同時施工）影響相對較小。