桥梁工程施工对既有轨道交通隧道结构的影响

张 源

(北京城乡建设集团有限责任公司,北京 100067)

0 引言

随着国家经济的飞速发展,越来越多的人口涌向城市,这导致城市建设和交通需求的不断增加。在新兴城市桥梁兴建过程中,往往难以避免与现有的城市轨道交通隧道毗邻。

垂直荷载会让桩基在施工过程中产生竖向沉降,这一现象会导致桩基周边土力发生垂直和水平位移。邻近桩基附近的城市轨道交通隧道更会出现附加应力变形[1]。桥梁桩基施工过程中导致的桩基土应力会让城市轨道交通隧道产生内力变形,影响临近城市轨道交通隧道的安全性、稳定性。为此研究城市轨道交通隧道的结构安全,为后期运营对临近隧道结构安全有重要的意义。文献[2-4]对不同工程案例,利用三维有限元数值模型,模拟桥梁桩基成孔、运营期间桥梁桩基承载荷载扩散的土应力对既有轨道隧道结构产生变形影响。本文运用模拟分析,得出丰台火车站站房东侧立交施工对邻近地铁10号线丰台站—泥洼站区间的影响小于规范要求,能够保证桥梁施工期间隧道的安全运营,对类似工程可提供参考[5]。

1 工程概况

丰台火车站站房东侧立交位于丰台区西南三环与西南四环之间,具体位置详见图1。拟建工程为丰台火车站东侧落客高架平台和地下车库与地面道路系统的衔接匝道,包含DC线匝道桥、DG1通道和DG3通道等。

本文对地下通道施工、匝道桥桩基施工及桥梁加载对邻近地铁10号线丰台站—泥洼站区间结构以及轨道变形影响进行计算分析、安全性评估,以便后续丰台火车站站房东侧立交邻近地铁10号线丰台站—泥洼站区间安全性影响评估工作的开展。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

模型的几何范围理论上应该选择在应力增量或位移增量可以被忽略不计的位置。根据经验,一般情况下可以选择研究区域的尺寸为3倍～5倍[6]。根据本工程的实际情况,我们使用岩土专业有限元分析软件PLAXIS 3D,采用三维连续介质有限元方法建立了DC线匝道桥(DC-04DC-08桥桩)及丰台站—泥洼站区间结构和轨道结构的三维有限元模型,基于此模型,预测分析桩基施工及桩基加载和基坑开挖对丰台站—泥洼站区间结构及轨道结构变形情况的影响。综合考虑评估范围、评估对象相对位置关系、施工影响范围和计算边界,建立了DC线匝道桥(DC-04DC-08桥桩)、地下通道(DG1通道、DG3通道)支护结构和主体结构,以及丰台站—泥洼站区间结构和轨道结构的三维有限元模型。图1,图2分别展示了整体和部分结构模型。DC线匝道桥分析模型的范围为210 m×150 m×50 m(东西×南北×地层深度),包括45 000个单元和67 220个节点。DC匝道桥结构模型见图3。

2.2 计算参数与荷载

根据《丰台火车站站房东侧立交专用匝道工程——DN匝道、DN1匝道、DC匝道(K0+350—K0+588.15)岩土工程勘察报告》,在工程场地内,地层经过概化划分为5层,以勘察报告中的土工试验、现场测试数据以及地区经验确定各层土体参数取值。

计算中采用摩尔-库仑(M-C)模型计算土层,在混凝土方面则使用线弹性模型。围护桩、U型槽、闭合框架以及路面结构采用板单元模拟,桥墩和钢支撑则以梁单元模拟,而灌注桩则以桩单元模拟。模型中材料的物理力学参数取值见表1,表2。

表1 各土层物理力学参数

表2 结构物理力学参数

本次计算的荷载,主要考虑了以下几种:1)既有区间结构自重;2)土体自重;3)路面荷载;4)桥梁结构基础自重等。

2.3 计算假定

拟建工程施工期间,丰台站—泥洼站区间仅考虑正常使用工况,不考虑地震、人防工况;假定区间结构、桥梁群桩基础及上部结构均为线弹性材料;假定区间结构与土体之间接触良好,符合变形协调原则。

3 施工过程模拟

根据拟建工程设计资料,将数值模拟工序简化为以下4个步序(见图4):

1)激活地层,生成初始应力场。2)施工丰台站—泥洼站区间,并将位移清零。3)开挖、施工地下通道并回填夯实。4)DC04—DC08桥群桩基础施工。5)DC04—DC08桥梁加载。

为了模拟隧道开挖过程,我们采用钝化地层实体单元和二衬板单元。而为了模拟桥梁桩基础施工过程,我们则激活基桩梁单元和改变承台实体单元属性。这些模拟方法已经在文献[7-8]中得到了广泛应用。

4 计算结果

1)DC04—DC08桥群桩基础施工完成时引起区间结构累计变形见图5。

区间结构变形表现为左线大于右线,最大隆起出现在左线,达到0.52 mm;最大水平变形出现在左线向开挖侧,达到0.23 mm。这些变形均发生在区间左线距离DG3通道水平距离最近处。

2)DC04—DC08桥梁加载基础施工完成时引起区间结构累计变形见图6。

区间结构变形左线大于右线,左线最大隆起0.50 mm;左线最大水平变形0.24 mm。均位于区间左线距离DG3通道水平距离最近处。施工引起隧道结构部分位置产生一定程度的竖向沉降,最大值为0.5 mm。

3)DC04—DC08桥群桩基础施工完成时引起区间轨道结构累计变形见图7。

左线轨道结构最大隆起0.42 mm,最大水平变形0.15 mm(向开挖侧);右线轨道结构最大隆起0.13 mm,最大水平变形0.10 mm(向开挖侧)。

4)DC04—DC08桥梁加载完成时引起区间轨道结构累计变形(见图8)。

左线轨道结构最大隆起0.42 mm,最大水平变形0.15 mm(向开挖侧);右线轨道结构最大沉降0.33 mm,最大水平变形0.10 mm(向开挖侧)。

结构累计变形统计表见表3。

表3 各工序施工完成时引起的丰台站—泥洼站区间结构累计变形统计表

5 结论

本文以地铁10号线丰台站—泥洼站区间隧道为研究对象,采用三维建模并进行有限元分析,研究其附近桥梁施工并加载的过程对隧道结构的安全影响,得出以下结论:

1)预计对邻近10号线丰台站—泥洼站区间结构和轨道结构的变形影响,针对拟建在丰台站东侧的DC线匝道桥桩基施工及桥梁加载的各工序,分别列出最大值如下:DC线匝道桥桩基施工及桥梁加载引起的变形最大值为:区间左线结构最大水平向(向开挖一侧)变形为0.34 mm,位于距离DG3通道水平距离最近的区间左线位置。右线结构最大沉降值为0.48 mm,位于距离DC07水平距离最近的区间右线位置。DC线匝道桥桩基施工及桥梁加载引起的轨道结构变形最大值为:区间左线轨道结构最大水平向(向开挖一侧)变形为0.29 mm,位于距离DG3通道水平距离最近的区间左线位置。右线轨道结构最大沉降值为0.33 mm,位于距离DC07水平距离最近的区间右线位置。

2)桥梁施工推进过程中,桩基周围地铁区间结构几乎无竖向位移,水平位移量随着与桩基距离减少而增大,其中左线受附近既有地下通道影响,水平位移量(向开挖侧)略大于右线。

3)桥梁加载时,临近桩基的区间轨道结构发生沉降,左线竖向位移累计值几乎不变,未发生明显沉降而右线沉降显著;左线水平位移量略大于右线。

4)通过三维建模并进行有限元分析可以相对精准地预测桥梁施工中产生的隧道变形与内力的变化,其结果表明桥梁工程施工及后续通车加载引起的下穿隧道沉降变形与水平变形有可能会超出施工及运营规范要求。拟建工程开始监测时初始值宜考虑叠加已发生的部分变形,并根据变形控制指标做好预警预报工作。当变形监测结果超过变形控制标准或变形速率过大时,应立即采取有效的临时加固措施以控制变形。