大连地铁下穿魏台河桥桩结构变形及其控制研究

邵标 张建国

摘要：地铁隧道下穿既有桥的关键是控制土层和桥梁结构的变形，针对新建大连地铁的工程对运营魏台河桥的影响进行分析，通过有限元程序对土层与结构的变形进行了数值计算，评价了隧道衬砌结构的受力以及隧道施工对既有桥梁结构的影响，提出了地铁隧道穿越桥桩结构过程中潜在的风险，为新建地铁区间隧道施工过程对既有桥梁结构影响进行预测评估提供依据，并提出了相应的工程处理措施。实测表明，施工过程中的各项监测数值均在安全范围之内，采取的措施有效保证了地铁隧道安全顺利穿过魏台河桥。

关键词：地铁隧道；桩基托换；下穿；沉降变形；数值仿真；

中图分类号：TU 443文献标识码：A

1 前言

随着城市轨道交通建设规模地不断扩大，新建隧道近距离穿越既有结构物的情况越来越多[1-2]。如北京地铁10号线下穿国贸立交桥桩基，最小近距2.41m；北京地铁线下穿玉蜓桥桩基；天津地铁3号线盾构隧道近距离穿越铁东路立交桥桩基，其最小近距仅1.35m。隧道穿越桥梁桩基时，不可避免的扰动周围土体。地层应力及变形传递到既有桩基，引起桩基承载力的损失，导致上部结构发生不均匀沉降，影响既有桥梁的安全使用，严重时可导致结构出现失稳破坏。同时，上部桥梁结构自重和荷载，会加大桩基的变位，并影响着桩身的变位模式及内力变化规律。隧道开挖引起洞周收敛，造成的土体水平位移，使得桩基表现为偏向隧道的倾斜或弯曲，影响桩身截面强度。隧道施工过程中需要同时保证新建隧道的安全和既有结构物的稳定，尤其是对于隧道下穿既有桥梁这一问题更加突入，施工不慎甚至可能造成桥梁垮塌、车毁人亡的严重后果。所以地铁开挖对桩的影响越来越引起专家学者以及工程技术人员的高度重视。目前相关技术人员与学者针对这一问题开展了多方面的研究：吴波[3]采用流固耦合分析，针对北京地铁5号线隧道过河过桥段研究了降水对桥基的影响，并对隧道加固方案进行了比选；苏东[4]等结合北京轨道交通机场线盾构法穿越三元桥的实际工况，提出了针对北京地区典型地质条件下的沉降控制措施；李奎[5]采用三维数值模拟方法，对北京地铁5号线过河过桥隧道施工可能采用的4种超前支护方案进行了分析。目前，工程界有关近接施工沉降控制方面的研究较多，控制技术也日渐成熟，但针对新建地铁工程对运营桥梁桩基进行托换加固的影响研究相对较少。本文结合大连市新建地铁工程施工下穿魏台河桥的影响及控制技术进行了分析探讨。

2 工程概况

大连地铁2号线马栏广场～湾家区间施工过程中需穿越魏台河桥。魏台河桥为四跨间距15m的简支板梁结构，上部结构为空心板梁，桥梁各跨支座为三跨连续盖梁，截面为1.4mx1.2m，每道盖梁下横向设置四根1.2m直径桥柱及柱下直径1.7m单桩承载，桩基插入中风化石英岩约6m。

下穿段均为单洞单线断面，该段魏台桥桥桩桩底离左线隧道拱顶净距3.713m、离右线隧道拱顶净距0.437m。新建隧道线路与既有魏台河桥相对位置关系如图1及图2所示。

图1 区间隧道与桥基桩平面位置关系图(单位: mm)

Fig.1Sketch of plane relationship about bridge and tunnel (mm)

图2区间隧道与桥基桩立面图(单位: mm)

Fig.2 Elevation view about pile foundation of running

tunnel and bridges(mm)

区间隧道埋深15～17m，区间沿线原始地貌为剥蚀残丘、马栏河阶地，地势起伏较大，地面高程22.03～30.24m。下穿区段正洞主要穿越中风化石英岩、中风化板岩、中风化石英岩夹板岩地层，局部隧道拱顶位于卵石与中风化岩层交界面。地下水类型主要是土层孔隙水及基岩裂隙水，土层孔隙水主要赋存在素填土层中，基岩裂隙水主要赋存于强风化及中风化板岩中。

3 风险分析与桩基托换措施

由于隧道施工期间，魏台桥桥面车辆正常行驶，桥梁各道盖梁桩间差异沉降控制较为严格，为确保隧道穿桥期间的桥梁结构自身安全以及隧道开挖的安全，考虑对该桥的第2~5排桩进行承载力托换，基本思路为在影响隧道开挖盖梁下各桩顶部位设置3mx2m基础梁，下设托换桩，如图3所示。通过增加抗剪措施使桥桩与托换基础梁紧接并协同工作。同时对区间隧道下穿过程中隧道拱部设置超前小导管，对隧道拱顶以上岩体进行预加固，下穿桥桩段隧道支护参数适当加强，初支厚度调整为300mm，格栅间距调整为500mm。

图3加固示意图

Fig.3Reinforcement schemes

4 沉降变形计算

隧道开挖对桥梁桩基产生影响，为了保证上部结构的安全，对桩基采取托换加固的方法，选取第三排桩，采用MIDAS/GTS有限元软件，对隧道的开挖过程进行仿真模拟。根据隧道与桥梁桩基的相对位置关系，考虑隧道开挖的影响范围及“边界效应”[6-8]，建立60 m×40 m的二维数值模型，土体采用平面应变单元模拟，桥面板、桩基、衬砌采用梁单元模拟，共有4524个单元，4302个节点，如图4所示。

图4数值计算模型

Fig.4Numerical calculation model

桥梁荷载等效为桥面均布荷载，取为20kPa。土体两侧竖直边界约束水平位移，底部约束水平和竖向位移。土体均采用Mohr Coulomb模型模拟，岩体、衬砌、桥面板和桩基采用线弹性模型模拟。计算时，先平衡土体的自重应力，得到初始应力场，然后模拟隧道的开挖和支护过程。各材料参数见表1、2。

表1岩土计算参数

Table 1 Calculated parameters of soil and rock

岩土

名称 H

（m） E

（MPa） μ c

（kPa） φ

（o） γ

（kN/m3）

素填土 2.8 285 0.2 500 34 22

中风化石英岩 1.5 300 0.25 490 42.7 27.2

中风化板岩 35.7 800 0.3 347 42.3 26.9

表2结构单元和实体单元参数

Table 2 Parameters of structural elements and solid dements

名称 桩径或厚度

（m） E

（GPa） μ γ

（kN/m3）

桥面板 1.2 30 0.3 25

桥墩 1.2 30 0.3 25

桥桩 1.7 30 0.3 25

托换梁 2 30 0.27 25

托换桩基 1.8 30 0.3 25

二衬 0.35 28 0.27 25

5数值计算结果分析

分析当隧道开挖过程中不进行桩基托换、仅设托换梁及设置托换梁和加固柱三种工况条件下桥面板竖向位移、桥桩桩底轴力及衬砌受力情况。

5.1桥面板竖向位移及差异沉降

隧道的开挖，引起地层的损失，这样延伸到地表，表现为地表沉降，导致桥面产生竖向位移并引起桥面的差异沉降，进而影响桥梁上部结构安全。本文通过对比三种不同的工况的数值模拟结果，分析采用桩基托换加固措施对桥面板竖向位移及差异沉降的影响。

当不采取任何加固措施时，桥面板竖向变形发生在最右侧，最大竖向位移为9.5mm，左侧竖向位移为5.0mm，差异沉降值为4.5mm；仅有托换基础梁时桥面板右侧最大竖向位移为5.4mm，左侧竖向位移为3.4mm，差异沉降值为2.0mm；同时采取托换基础梁及加固柱工况桥面板右侧最大竖向位移为2.7mm，左侧竖向位移为1.3mm，差异沉降值为1.4mm；有托换基础梁及托换桩桥面板竖向位移云图如图5所示。

图5工况三有托换基础梁及托换桩桥面板竖向位移云图

Fig.5 condition three underpinning beams and piles underpinning

Vertical displacement contour of deckof the bridge

图6三种工况桥面板竖向位移

Fig.6Three conditionsthe vertical displacement contour of deck of the bridge

经分析可知，右侧隧道拱顶上方桥桩距离隧道较近，易发生较大变形甚至破坏，由于受到桩基和托换基础梁的影响，地表及桥面板变形受到了限制，采取桩基托换加固措施时桥面板沉降比没有桩基托换加固措施的相应位移小。在桩端阻力的约束下，减少了桥面板的变形。

同时，允许的桥面板竖向最大位移为5mm，差异沉降为2mm，可以看到未采取任何加固措施时，桥面板结构变形超过允许范围，即桥梁结构处于较危险情况，需要采取加固措施防止结构变形过大影响桥梁结构安全及运营安全。根据以上分析，采取托换基础梁及加固桩措施所计算数值均在容许范围之内，能够有效保障桥梁结构安全。

5.2桩底轴力

由于离隧道最近的一根桥桩距离右线拱顶仅0.437m，桥梁上部荷载传递到桩底存在引起隧道开挖拱顶坍塌破坏的风险，因此计算分析三种不同工况条件下离隧道最近的一根桥桩桩底轴力，当不采取任何加固措施时，离隧道最近的一根桥桩桩底轴力为639.7kN；仅有托换基础梁时离隧道最近的一根桥桩桩底轴力为252.5kN；同时采取托换基础梁及加固柱工况离隧道最近的一根桥桩桩底轴力为103.2kN；如图7所示。

图7工况三有托换基础梁及托换桩桥桩轴力云图

Fig.7 Axial stress contour of bridge piles

当不采取任何加固措施时，上部桥梁自重及车辆荷载传递到桥桩底部轴力较大，而采取托换基础梁及托换桩能有效减小传递到桩底的和荷载，桩底轴力降低了84%，从而减小了桥梁上部荷载对隧道开挖过程的影响。可见托换基础梁及托换桩承担了桥梁大部分荷载，从而保障了隧道下穿桥桩施工安全。

5.3衬砌结构应力

计算分析三种不同工况条件下衬砌所受最大轴应力情况，当不采取任何加固措施时，衬砌最大轴应力为6.9MPa；仅有托换基础梁时衬砌最大轴应力为6.5MPa；同时采取托换基础梁及加固柱工况衬砌最大轴应力为5.7MPa；如图8所示。

图8工况三有托换基础梁及托换桩衬砌最大轴应力5.7MPa

Fig.8 Axial stress contour of Tunnel lining

从上面分析得到的结果可见，隧道开挖过程中引起围岩应力变化，采取托换基础梁及托换桩能有效减小隧道衬砌结构上的轴应力，衬砌最大轴应力降低了17.4%，可见托换基础梁及托换桩有效降低衬砌结构的受力，保障了隧道施工过程安全及运营安全。

6结论及建议

该下穿工程采用托换基础梁加托换桩的工程处理措施后，对施工过程中桥面进行了监测桥面垂向位移监测最大值为3.72 mm。而桩基托换的模型进行计算得出的桥面垂向位移最大值分别为2.7mm。实测表明，施工过程中的各项监测数值均在安全范围之内，采取的托换基础梁及托换桩措施有效保证了地铁隧道安全顺利穿过运营的魏台桥。同时托换基础梁和托换桩也对后期运营的地铁结构起到保护作用。

建议：(1)在隧道穿越桥梁的过程中，应加强监控量测，应编制完整的监测方案，给出监控控制指标，并宜引入第三方监测单位；

(2)在编制隧道穿越桥区的施工组织中，应增加应急预案的内容，考虑设置桥梁竖向支顶的临时应急措施。

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