明挖车站过既有桥桩方案讨论

中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300133

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0 前言

随着城市轨道交通的迅猛发展，轨道交通线网往往穿越城市中心区域，该区域已建有大量高架桥，受周边环境限制，车站站位选择距高架桥较近。采用明挖工施工，土方开挖量大，势必会对土层产生较大扰动从而影响高架桥的正常运行。施工过程中采取何种措施控制土体沉降，减小开挖对高架桥的影响是设计过程中需要研究的重点。

本文以明挖工法车站临近高架桥施工为例，运用二维模型数值模拟分析，分析车站开挖过程采取的一系列措施是否能够确保施工过程中高架桥的正常运营。

1 工程概况

1.1 周边环境

高架桥位路中设置，车站平行于高架桥位于高架桥南侧。高架桥桥墩间距30m，桥墩下均设桩基。主桥桥墩承台尺10.5×6.5m，并设有6根直径1.5m桩基，桩基深约37m，桩型按端承摩擦桩考虑。桥梁为箱型连续梁，桥上为双向六车道。

1.2 工程地质及水文概况

车站位于第四纪地层中，由上而下依次为杂填土、中粗砂、砾砂 、泥砾；本站覆土埋深3.7m，稳定水埋深2.10～11.70m，抗浮水位埋深5m，

1.3 车站设计概况

车站为14m岛式站台两层双柱三跨结构，总长198.8m，标准段宽度为27.7m，基坑深约17.3m。围护结构采用φ800钻孔桩、三道钢支撑加一道换撑进行支护，桥桩与车站结构最小距离8.4m。车站与高架桥桩位置关系如图1所示。

2 方案设计

2.1 控制标准

根据规范[1-3]规定和产权单位的要求，桥桩的倾斜控制率在1‰，桥桩的绝对沉降值控制在10mm，差异沉降控制在5mm。

图1 车站与高架桥关系图

2.2 邻近桥桩侧保护措施选择

车站临近桥桩采取的保护方案受地面环境的限制以及工程造价的影响。无论哪种措施都是为了施工过程中减少对桥桩周围地层的扰动，提高土体的自身承载力控制桥桩的沉降，确保桥梁自身安全。从以往的类似工程经验[4-5]分析得出，本站主要采用以下几种保护措施：

（1）基坑采用φ800@1200mm围护桩进行支持，开挖过程中及时架设三道φ609钢支撑。

（2）按支撑位置及时架设支撑，基坑开挖完成后，及时施作基底垫层，施工底板结构，避免基坑长期暴漏。

（3）底板与第三道钢支撑之间侧墙浇筑完成后，待混凝土强度达到要求时，应及时架换撑增加侧向刚度，控制基坑侧向变形

（4）根据监测内容，进行信息化指导施工，适时采取调整基坑各层开挖步序、每步开挖宽度和无支撑暴露时间，调整或增设支撑，对支撑复加预应力等措施控制围护结构和保护对象的变形。

3 数值模拟分析

3.1、模型建立

车站采用明挖工法施工，开挖土方工程量多，对土体扰动大。为了更好的分析施工过程中对桥桩沉降产生的影响，建立二维模型进行计算分析。根据车站施工步序，采用MIDAS/GTS大型有限元分析。

选取车站中心处一跨桥梁进行模拟，初始应力场只考虑自重应力场，不考虑构造应力的影响，基坑边荷载按20Kpa考虑。围护桩按等效抗弯刚度折减成地连墙考虑，围岩的力学模型采用Mohr-Coulom本构模型进行模拟二衬结构采用弹性模型进行模拟，模型中岩土计算参数见表1。

3.2、模型边界

计算模型的边界范围在水平方向上两侧取车站宽度3倍，在垂直方向上向上取至自由地表，向下取车站高度3倍。计算模型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，建立如图2所示数值模型。

图2 计算模型

3.3、施工模拟

根据开挖步序，依次模拟车站开挖、架设支撑，模筑二衬，拆撑等施工过程。

表1 岩土计算参数

3.3、计算结果分析

车站基坑围护结构外皮距桥桩最小间距8.4m车站主体基坑邻近高价桥施工时，在周边建（构）筑物附加压应力作用下，基坑一侧受偏压力作用，支护结构可能发生挤压变形和位移，从而带来一定的土体扰动及地面变形，引起高架桥的的不均匀沉降及倾斜，造成破坏甚至坍塌的危险。

基坑支护设计时通过提高支护结构自身刚度以控制基坑变形，对基坑开挖过程中对桥桩变形进行数值模拟分析，进一步核算基坑开挖对桥桩沉降的影响。

以上计算结果可以看出，桥桩沉降随基坑开挖的进行逐步发展，基坑开挖完成时，产生沉降量最大，并在随后的施工过程中有小范围的波动。基坑开挖过程中高架桥承台最大沉降位移6.41mm，差异沉降1.28mm，倾斜0.00012，沉降位移均满足要求，根据类似经验判断基坑开挖过程中，基坑支护结构及高架桥均处于安全状态。

图3 开挖至第一道撑桥桩沉降云图

图4 开挖至第二道撑桥桩沉降云图

图5 开挖至第三道撑桥桩沉降云图

图6 开挖至基坑底桥桩沉降云图

5 结论

（1）处于砾砂地层采用明挖工法施工，侧穿桥桩采用φ800@1200mm围护桩加三道φ609钢支撑及一道换撑等保护措施能够控制桥桩沉降，满足桥桩沉降控制标准，确保施工过程中高架桥的安全运营。

（2）通过数值模拟车站施工步骤得出，随着基坑开挖深度的增加，桥桩沉降逐步增大，开挖至基坑底时沉降得到最大值，二衬浇筑及拆撑过程影响较小。

（3）车站施工完成后，通过监测数据分析，数值模拟计算结果与及监测数据基本吻合，前者比后者稍小。