城市桥梁基础对既有地铁区间结构的影响分析

李俊龙

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

随着我国城市建设飞速发展，城市结构物数量日益增多且相互交织，城市桥梁基础施工与既有地铁区间结构产生干扰。城市桥梁基础的安全施工和既有地铁区间的正常运营已经引起相关部门的高度重视，需要分析边界处结构的变形规律[1]。文章采用有限元软件建立数值分析模型，研究桥梁基础施工对既有地铁区间结构的影响，得到结构安全评价等级，提出针对性的施工防护措施，对既有地铁区间相邻的城市桥梁工程的设计和施工具有参考意义。

1 工程概况

1.1 桥梁工程概况

某城市跨河大桥全长241 m，孔跨布置为(92+48+96)m斜跨拱钢桁连续梁，两端接公路框架桥。跨河大桥为双层桥面，平面位于半径为100 m的曲线，上层道路纵面坡度为3.30%和-0.30%，下层道路纵面坡度为2.87%和-0.30%，上、下层道路均为双向四车道，两侧均设人行道。主梁为钢桁梁，桥面为混凝土板，形成钢-混凝土组合结构；跨度分别为150 m和148 m，矢高65 m的变截面钢箱拱斜跨于主梁上方，通过吊索与钢桁梁连接。

1.2 桥梁基础与既有地铁区间结构的边界关系

0号台与北岸既有地铁区间结构边界如图1所示。

图1 0号台与北岸既有地铁区间结构边界（单位：cm）

跨河大桥0号台共计6根直径1.2 m钢筋混凝土钻孔桩，距离北岸既有地铁区间结构最近的桩为0#-3、0#-6桩，与地铁左线区间外轮廓的水平距离分别为2.66 m、2.63 m，与地铁右线区间外轮廓的水平距离为2.69 m、2.66 m，桩长均为22 m，超出地铁区间结构底板3.22 m。A1号拱座水平距离地铁右线区间外轮廓4.5 m，距离地铁隧道拱顶6.7 m。

3号台与南岸既有地铁区间结构边界如图2所示。

图2 3号台与南岸既有地铁区间结构边界（单位：cm）

3号台共计5根直径1.2 m钢筋混凝土钻孔桩，距离南岸地铁区间结构最近的桩为3#-1桩，水平距离地铁左线区间外轮廓3.1 m，桩长25 m，超出地铁区间结构底板3.96 m。A3号拱座水平距离地铁右线区间外轮廓7.6m，距离地铁隧道拱顶6.9 m。

桥梁墩台采用明挖工法，桩基采用旋挖钻施工。桥梁荷载通过墩台传递至桩基，桩基将荷载传递至桩底及桩侧基岩，对既有地铁区间结构周边围岩产生扰动，桥梁施工过程必定会对既有地铁区间结构产生不利影响[2-3]。

2 既有地铁区间主体结构数值分析

2.1 数值分析模型建立

计算采用ANSYS有限元软件进行分析，以临近既有地铁区间结构的北岸区域（0号台桩基础、A1号拱座）和南岸区域（3号台桩基础、A3号拱座）为研究对象，选取对既有地铁区间结构最不利工况进行建模。模型采用不同的材料特性分别模拟地层和结构，以生死单元模拟墩台、桥桩、拱座开挖施工[4]。

根据跨河大桥工程地勘资料钻孔信息，将桥梁基坑处地层分为杂填土层、卵石土层、强风化泥质白云岩夹泥质灰岩层、中风化泥质白云岩夹泥质灰岩层。

除上部为自由边界外，其余各侧面和底面实施法向约束。为更好地反应现场实际情况，数值模拟的施工顺序（荷载步）为①形成初始应力场（地层自重应力场）→②墩台开挖→③墩台施工→④拱座开挖→⑤拱座施工→⑥施加成桥荷载。

根据边界条件、荷载步及假定初始应力场沉降稳定（位移为0）为初始条件进行计算分析。

北岸0号台、A1号拱座有限元分析三维模型如图3所示。南岸3号台、A3号拱座有限元分析三维模型如图4所示。

图3 北岸0号台、A1号拱座有限元分析三维模型

图4 南岸3号台、A3号拱座有限元分析三维模型

2.2 分析结果

桥梁相邻地铁区间已运营，其结构安全至关重要。既有地铁暗挖区间主体结构变形位移是判断地铁区间运营安全的重要依据。

分析地铁暗挖区间隧道主体结构竖向、水平向变形，竖向绝对位移最大值为0.325 mm（向上、临近北岸区域），水平向绝对位移最大值为0.131 mm（向左、临近北岸区域），均远小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202—2013）附录B中隧道竖向、水平位移需小于预警值10 mm及控制值20 mm的要求。根据以上计算分析结果，在跨河大桥0号台、A1号拱座、3号台、A3号拱座施工过程中，既有地铁暗挖区间主体结构变形满足安全要求。位移较大的荷载步4和6的地铁区间结构位移如图5～图12所示。

图5 荷载步4北岸地铁区间结构竖向位移图（单位：m）

图6 荷载步6北岸地铁区间结构竖向位移图（单位：m）

图7 荷载步4北岸地铁区间结构水平位移图（单位：m）

图8 荷载步6北岸地铁区间结构水平位移图（单位：m）

图9 荷载步4南岸地铁区间结构竖向位移图（单位：m）

图10 荷载步6南岸地铁区间结构竖向位移图（单位：m）

图11 荷载步4南岸地铁区间结构水平位移图（单位：m）

图12 荷载步6南岸地铁区间结构水平位移图（单位：m）

0号台、A1号拱座施工各荷载步北岸既有地铁区间结构位移结果如表1所示。3号台、A3号拱座施工各荷载步南岸既有地铁区间结构位移结果如表2所示。

表1 0号台、A1号拱座施工各荷载步北岸既有地铁区间结构位移结果 单位：mm

表2 3号台、A3号拱座施工各荷载步南岸既有地铁区间结构位移结果 单位：mm

3 结语

在既有地铁暗挖区间隧道上方开展跨河大桥工程，评估其对既有地铁区间结构的安全风险发生概率及影响，区间不存在“Ⅰ级、Ⅱ级”高等级的风险，区间结构剪切性开裂风险等级为Ⅲ级，区间结构发生不均匀沉降或整体沉降超过轨道交通允许范围风险等级为Ⅲ级，区间隧道主体渗漏水风险等级为Ⅳ级。综合考虑风险因素，地铁区间结构风险等级为“Ⅲ级”，总体上地铁主体结构评估为安全。根据工程安全管理规范的相关要求，施工单位在施工前应编制安全施工方案、组织专家论证，并按专家意见修改完善后实施。考虑到城市轨道交通运营期间的结构安全，在跨河大桥工程施工过程中应对受影响的既有地铁区间结构进行监测，施工完毕后仍应对其进行持续监测。桩基机械施工震动会给既有地铁区间隧道造成影响，应采用机械转孔方法进行桩基施工，如旋挖桩、螺旋钻孔桩等，并禁止基坑开挖时采用爆破开挖。根据计算分析结果及风险等级，建议0、3号台与既有地铁区间结构之间考虑适当的隔离措施，进一步减少桥梁施工对既有地铁区间结构的影响。