临近高架桥的地铁施工分析与研究

蔡忠泽

(中铁六局集团石家庄铁路建设有限公司,石家庄 050010)

近年来随着城市交通的发展,地铁的建设里程越来越多,由于城市中有很多高架桥,很多地铁临近城市的既有高架桥,这样，地铁的施工必然会对临近高架桥造成一定的影响。为了保证地铁施工的顺利和高架桥的安全,对直径线地铁的受力进行了数值模拟分析,得到的结论可以为类似工程的设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

白云路立交桥系北京西客站市政配套工程的一个组成部分,是市区通往西客站的重要干线上一座桥梁。该桥位于莲花池东路与白云路相交处,跨越白云路。桥梁由北京市政设计院设计,北京市政二公司施工,于1994年9月建成通车。桥梁全长173.68 m,全宽29.00 m,双向6车道,中间设2.00 m宽隔离带,两侧各设1.25 m宽的人行道和防护栏杆。桥梁设计荷载为汽车-超20、挂车-120。

高架上部结构为7跨(20.70+3×21.04+27.00+2×21.04+20.70)m简支梁,其中27 m跨为预应力混凝土工字梁,共12片,其余为普通钢筋混凝土工字梁,共84片；下部结构为挖孔灌注桩基础,双柱式墩台；桥面系：现浇整体连续桥面板、沥青混凝土桥面、SYL-Ⅰ型齿型钢板伸缩缝、钢筋混凝土栏杆及防撞墩、马口铁排水管。

直径线地铁在白云路立交桥的区段内,从东向西在桥梁桩基的北侧通过,埋深6.3 m,距离高架桥桩基的净距不到8 m,地铁采用浅埋暗挖法施工。由于地铁距离高架桥桩基础很近,为了确保高架桥的安全和地铁施工的安全,需要考虑地铁施工对白云路高架桥的影响,尤其是北半幅桥。地铁横断面与桥梁的横断面位置关系见图1。

图1 地铁横断面与高架桥位置关系(单位：m)

由于高架桥已经运营了十几年,桥梁整体技术状况的好坏将直接关系到隧道施工对既有桥梁影响程度,即：如果桥梁技术状况较好,则影响就会小些,如果桥梁技术状况较差,则影响将较大,可能会危及桥梁安全。经过检查,高架桥上部结构第4跨预应力混凝土梁基本完好,跨中正弯矩区和支点剪力区未发现结构受力裂缝,也未见其他明显病害；其余桥跨普通钢筋混凝土工字形简支梁普遍存在开裂现象,部分裂缝宽度超出规范限值要求。裂缝主要有2种,即支点附近斜裂缝和腹板枣核形裂缝。基于高架桥的这些裂缝病害情况,一方面在地铁施工中之前必须严格根据地铁具体的施工工艺对结构进行模拟计算,较准确地预判桥梁的内力和位移；另一方面,在施工过程中要采取相对严格的位移控制标准,尽可能降低地铁施工引起的桥梁内力增加值,确保高架桥的安全。

2 地铁数值模拟分析

使用专业岩土工程计算分析软件进行地铁施工的仿真模拟。根据地铁施工方法的不同、地铁断面与桥基的位置关系、桥梁现状的好坏等因素来选择模拟断面,地质条件按勘察设计资料采用,地铁开挖尽可能按地铁的实际施工工艺进行模拟。

地铁采用交叉中隔壁法(CRD工法)施工,结构宽度为11.552 m,结构高度10.255 m,初期支护采用厚度为35 cm的格栅网喷C25混凝土,二次衬砌为50 cm厚C35防水钢筋混凝土,地铁衬砌结构尺寸如图2所示。

图2 地铁衬砌结构(单位：mm)

2.1 数值模型

根据地质资料,模拟桥址处的土层从上至下依次为：(1)人工填土；(2)冲击洪积层；(3)圆砾层；(4)粉土层；(5)圆砾层；(6)粉质黏土等土层。高架桥的桩基础是混凝土材料,所以在建立本构模型时采用了莫尔-库仑准则,取用的应力边界条件为：竖直方向按土层自重应力,水平垂直地铁轴线方向为0.8倍自重应力,水平平行地铁轴线方向为1.2倍自重应力。位移边界条件为：模型顶面自由,四周约束各边界面的法向位移,底面完全约束。

地铁和桥基的数值模型以地铁正上方的地表点为原点,水平向右为X轴方向,沿地铁轴向向内为Y轴正方向,垂直向上为Z轴正方向。模型大小严格按照结构实际尺寸建立,整个模型范围大小为75 m×30 m×40 m,共划分网格单元86 750个,节点92 430个,如图3所示。

图3 结构有限元模型

2.2 计算结果及分析

地铁施工后地铁和高架桥的应力场分布情况如图4和图5所示。

图4 地铁施工后纵断面应力场分布

图5 地铁施工后桩应力场分布

从模拟分析地铁施工完后垂直应力场分布情况可以看出,地铁衬砌中最大应力集中在地铁两帮处,由于地铁埋深不大,因此最大应力值并不大,其值为1.0 MPa,位置在衬砌的两帮附近；高架桥桩基的最大应力值为0.96 MPa,最大应力发生在中间2个桥墩顶下部1.5 m左右的位置。

地铁施工后地铁衬砌的水平位移场(x方向)和地铁周围土体的竖直位移场(z方向)分布如图6和图7所示。

图6 地铁施工后衬砌水平位移场

图7 地铁施工后土体竖向位移场

从图6可以看出,地铁砌顶水平方向的最大位移出现在衬砌的两帮处,最大位移值为20.4 mm,从图7可以看出,地铁顶部的地表土体最大沉降38.5 mm。

高架桥桩的水平(x方向)和竖向(z方向)位移场如图8和图9所示。从图8和图9可以看出,桩基础的最大水平位移为2.16 mm,发生在桩基础的底部；最大竖向位移为11.9 mm,发生在桩基础的顶部。

图8 地铁施工后桩水平位移场

图9 地铁施工后桩垂直位移场

为了获取桥梁总体的位移变化情况,软件计算出了地铁施工中桩基础特征点的位移曲线,这里给出了各个桩上部特征点的水平位移曲线和沉降曲线,如图10和图11所示；由于1号桩距离地铁最近,因此其变形也最大,所以这里计算出了1号桩各个特征点的水平位移曲线和沉降曲线,如图12和图13所示。此外,地铁施工后,计算得到的地铁周围土体塑性破坏区分布情况如图14所示。

图10 地铁施工后各桩上部特征点水平位移曲线

图11 地铁施工后各桩上部特征点沉降曲线

图12 地铁施工后1号桩各特征点水平位移曲线

图13 地铁施工后1号桩各特征点沉降曲线

图14 地铁施工后塑性破坏区分布

从以上模拟分析地铁施工完后桩基位移场分布情况和桩基特征点沉降曲线可以看出,1号桩最大沉降约为10.4 mm,2号桩的最大沉降约为5 mm,两桩的差异沉降为5.4 mm。3号、4号桩的沉降量都在3 mm以内。1号桩的最大水平方向位移为8.9 mm；2号桩最大水平位移约为7.5 mm,二者相差1.4 mm。此外,地铁上方出现了塑性破坏区域,在拱顶两侧约成45°角扩散至地面。

虽然上面基于假定采用专业软件进行了模拟计算和分析,但是,由于岩土工程的不确定性因素较多,如地质资料、岩土物理力学性质、施工工艺、施工质量等等,将导致数值计算的结果与工程实际情况存在一定的偏差。此外,以上数值分析中未考虑由于CRD施工工艺不完善、工人技术水平低、机械故障、注浆时间不妥、注浆量不足、施工降水等原因造成的影响。

3 地铁施工分析与监控

通过以上的模拟计算结果可以看出,地铁的施工会引起高架桥较大的变形和内力,鉴于此,为了保证施工安全,在地铁施工之前首先对桥梁周围的地基土层进行了注浆加固,同时由于模拟计算时地铁上方出现了塑性破坏区域,因此在地铁施工前预先布置了间距为25 cm的超前管棚,同时在隧道顶部的地面设置了沉降监测点。另一方面,因地铁施工对地层造成了扰动,且由于地铁衬砌支护滞后,这必然会导致地铁施工区域附近地层产生位移,这也必然会导致附近桥梁基础产生位移。因此,在地铁附近立交桥的盖梁底部(盖梁和桥墩结合部)布置了4个测点,在隧道施工过程中采用全站仪测量其水平和竖向位移。

此外,由于地层的变形、蠕动、地应力的释放传递需要一定的时间才会稳定,地铁施工对桥基的不利影响将会持续一段时间。因此,在施工过程中对桥梁基础位移监控一直延续至地铁施工完成后12个月,在地铁施工期间每天进行早中晚3次测量,在施工完成后第一个月每隔3 d测量1次,以后测量频率逐渐较少,直至每隔15 d测量1次。

鉴于临近地铁高架桥的普通钢筋混凝土梁普遍存在开裂现象,支点附近存在着斜裂缝和腹板枣核形裂缝,其中支点斜裂缝为结构受力裂缝,腹板枣核形裂缝为收缩裂缝。腹板收缩裂缝目前应已稳定,对结构的承载能力影响不大；支点处斜裂缝则对结构承载能力有一定影响,因此在地铁施工时对典型的支点斜裂缝进行了监测,随时关注裂缝是否仍在发展。

4 结论

地铁采用CRD法施工模拟分析结果显示,地铁施工对桩基和地表土体均产生了较大的影响。一方面,施工引起的附加应力达到了1 MPa；另一方面,桩基发生了水平位移和沉降,最大水平位移约为8.9 mm,最大沉降值约为10.4 mm,最大差异沉降值约为5.4 mm,地表最大沉降量达到了38.5 mm,且在地铁上方出现了塑性破坏区域。

由于在地铁施工中采取了注浆加固地基,并设置了加密的超前导管,在地铁施工中,测得的桥基最大水平位移仅为2.6 mm,最大竖向位移为3.7 mm,均控制在了5 mm内；同一盖梁下两桩基差异沉降仅为2.2 mm,亦控制在5 mm以内。同时,在施工期间梁体支点附近的斜裂缝保持稳定,没有扩展,这表明地铁施工对桥梁的内力影响很小。

总之,对于临近白云路高架桥的地铁施工通过模拟计算,根据计算结果采取了一些措施,确保了地铁施工过程的安全,最大程度地降低了对临近高架桥的影响,为类似工程的施工提供了有益的借鉴。

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