史宣陶

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

0 引言

相對(duì)于洞樁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等暗挖工法，拱蓋法具有施工作業(yè)面大、效率高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，在上軟下硬地層條件下地鐵修建中得到了較為廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)這一工法的適應(yīng)性進(jìn)行了研究[1，2]，此外，對(duì)車站施工過(guò)程中穩(wěn)定性以及變形特性進(jìn)行的研究，施玉晶[3]比較了雙層初期支護(hù)拱蓋法和二次襯砌拱蓋法下隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；趙晨陽(yáng)等[4]通過(guò)有限元分析研究穿越斷裂帶車站拱部支部結(jié)構(gòu)變形隨蓋拱施工的變化規(guī)律；孔超等[5]以模型試驗(yàn)手段，結(jié)合數(shù)值分析，對(duì)不同工況下初支拱蓋施工過(guò)程中圍巖變形規(guī)律以及拱蓋結(jié)構(gòu)極限承載能力進(jìn)行了對(duì)比分析；黃斐等[6]采用數(shù)值分析方法對(duì)拱部CD 法修筑的土巖復(fù)合地層雙層初期支護(hù)拱蓋法隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并提出了支護(hù)方案和工程措施；龔旭東[7]以青島某地鐵車站為依托，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，對(duì)初支拱蓋法施工變形規(guī)律及控制進(jìn)行了研究。

以臨近新冠高架的青島地鐵2 號(hào)線一期工程小港站為工程背景，在車站設(shè)計(jì)措施和高架橋保護(hù)措施的基礎(chǔ)上，建立了臨近橋梁的車站及區(qū)間三維有限元模型，詳細(xì)分析了不同施工步序下橋樁水平位移、豎向位移及差異沉降變化特征。所得結(jié)論可為類似條件下初支拱蓋法地鐵車站施工中臨近橋梁保護(hù)提供借鑒與參考。

1 工程概況

青島地鐵2 號(hào)線一期工程小港站位于惠民路與冠縣路交叉口，新冠高架路和膠濟(jì)鐵路西側(cè)，沿冠縣路呈西南-東北向布置，車站西側(cè)為海逸景園小區(qū)、海逸學(xué)校，東側(cè)為新冠高架路，車站主體位于新冠高架西側(cè)海逸景園廣場(chǎng)下。小港站為單拱曲墻大斷面暗挖地下兩層車站，車站長(zhǎng)215m，車站拱頂埋深23.6～26.6m，開挖跨度22.5～24.0m，開挖高度18.6～19.5m，共設(shè)置3 座豎井進(jìn)行車站主體施工。車站共設(shè)置3個(gè)出入口、4個(gè)安全出入口和2 組風(fēng)亭。

青島新冠高架建于2011 年，橋上道路為雙向8車道，橋梁基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)、樁基，基礎(chǔ)埋深3.6～17.9m。橋梁型式為鋼筋混凝土連續(xù)梁，跨度30～32m。高架橋與車站主體相對(duì)位置關(guān)系如圖1 所示，橋梁基礎(chǔ)距離車站主體最近水平距離1.40m，距離車站拱頂最小豎向距離9.86m，最小凈距14.67m。

圖1 車站主體與新冠高架橋相對(duì)位置關(guān)系（單位：m）

2 工程地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察成果顯示，勘察場(chǎng)區(qū)內(nèi)第四系主要由全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）及第四系上更新統(tǒng)洪沖積層（Q3al+pl）組成，下伏基巖為燕山晚期花崗巖（γ35），煌斑巖呈脈狀穿插其間，部分地段受構(gòu)造作用影響形成的砂土狀碎裂巖及塊狀碎裂巖。地層層序自上而下分別：第①層、素填土、第1○層、粉質(zhì)黏土、第16○上層強(qiáng)風(fēng)化上亞帶、第16○下層強(qiáng)風(fēng)化下亞帶、第17○層中等風(fēng)化帶、第18○層微風(fēng)化帶、第18○03層、風(fēng)化節(jié)理發(fā)育帶、第18○1層微風(fēng)化帶、第16○0-5層砂土狀碎裂巖、第17○0-5 層、塊狀碎裂巖。

2.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地下水主要類型為第四系孔隙潛水與基巖裂隙水，二者間無(wú)穩(wěn)定的隔水層，具有一定的水力聯(lián)系。第四系孔隙潛水主要分布于剝蝕堆積地貌單元，基巖裂隙水主要分布于剝蝕斜坡地貌單元。地下水穩(wěn)定水位埋深：1.70～7.10m，穩(wěn)定水位標(biāo)高：3.12～6.78m。

第四系孔隙潛水：地下水賦存于第①層填土中。富水好，屬于中等-強(qiáng)透水層?；鶐r裂隙水：在場(chǎng)區(qū)主要以層狀、帶狀賦存于基巖強(qiáng)風(fēng)帶、節(jié)理密集發(fā)育帶中，由于節(jié)理發(fā)育不均勻，其富水性不均勻。強(qiáng)風(fēng)化帶中，透水性較差，富水性貧；節(jié)理發(fā)育帶及構(gòu)造破碎帶中，裂隙張開性好，導(dǎo)水性較強(qiáng)，富水性中等。

3 橋梁保護(hù)措施

3.1 車站主體設(shè)計(jì)措施

車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施如下：

（1）采用雙層初支拱蓋法，Φ25mm 中空錨桿+拱墻格柵鋼架支護(hù)；小里程端塊狀碎裂巖處拱部采用Φ108mm 大管棚+Φ42mm 超前小導(dǎo)管預(yù)加固圍巖；標(biāo)準(zhǔn)段拱部局部破碎地段設(shè)Φ89mm 中管棚；大里程端局部破碎處增設(shè)Φ42mm 超前小導(dǎo)管預(yù)加固圍巖。

（2）嚴(yán)格按“短進(jìn)尺、弱爆破、早封閉、勤量測(cè)”進(jìn)行施作。

（3）拱部采用CD 法開挖，待第2 層初支拱蓋達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再根據(jù)監(jiān)測(cè)情況拆除臨時(shí)中隔壁，兩層初支鋼架通過(guò)第1 層鋼架預(yù)留的胡須筋連接，形成整體。

（4）開挖時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制開挖循環(huán)進(jìn)尺，邊開挖邊支護(hù)，杜絕一次開挖多榀和架設(shè)多榀現(xiàn)象，設(shè)置鋼架地段一次進(jìn)尺不大于鋼架間距。

（5）注意對(duì)拱腳巖石進(jìn)行保護(hù)，控制爆破強(qiáng)度，必要時(shí)采取機(jī)械開挖或靜態(tài)爆破。必須清除拱腳基底浮渣。

（6）拱腳處應(yīng)設(shè)置鎖腳錨桿，每榀格柵鋼架單側(cè)設(shè)置2 根鎖腳錨桿。拱腳存在破碎帶時(shí)，應(yīng)采取拱腳設(shè)置注漿錨管加固地層（代替鎖腳錨桿）和加強(qiáng)連梁，必要時(shí)打設(shè)豎向鋼管樁等措施。

（7）邊墻上、下部分錨桿采取差異化布置，鄰近大拱腳的錨桿長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)，間距適當(dāng)加密。錨桿應(yīng)設(shè)置一定的下偏角。

（8）做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前探水，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，加強(qiáng)施工管理，做好相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案。

（9）開挖后視地下水出露情況，采用局部徑向注漿堵水，若超前地質(zhì)預(yù)報(bào)反映水量較大，可采用超前帷幕注漿堵水。

3.2 橋梁保護(hù)措施

車站主體施工中，針對(duì)橋梁保護(hù)采取的主要措施如下：

（1）施工前，在橋面設(shè)置醒目的標(biāo)志，在橋上設(shè)置減速帶。

（2）高架橋基礎(chǔ)處爆破震速控制在1.0cm/s 以內(nèi)，同時(shí)滿足鐵路部門相關(guān)要求。

（3）初支完成后要及時(shí)對(duì)初支及二襯背后進(jìn)行回填注漿，并做好注漿堵水措施。

（4）橋梁基礎(chǔ)前后3m 范圍內(nèi)車站主體二襯配筋提高一個(gè)等級(jí)。

（5）線路右側(cè)側(cè)墻格柵鋼架在橋梁基礎(chǔ)前后各3m 范圍內(nèi)間距同拱部格柵。

（6）加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)和橋面的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，必要時(shí)采取地面或洞內(nèi)注漿加固等措施。

（7）施工前對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)進(jìn)行全面評(píng)估，對(duì)橋梁基礎(chǔ)形式、結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)一步調(diào)查。

4 數(shù)值計(jì)算分析

4.1 數(shù)值模型的建立

小港站臨近新冠高架三維有限元計(jì)算模型見圖2，模型中車站主體、區(qū)間隧道、新冠高架結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 三維有限元計(jì)算模型

圖3 模型中車站、區(qū)間與高架橋相對(duì)位置關(guān)系

（1）為消除邊界效應(yīng)，X 方向長(zhǎng)度取182m，Y 方向長(zhǎng)度取134.7m，Z 方向高度取100m。

（2）土層采用均一化處理，把地表和各土層處理為平面。

（3）新冠高架橋橋樁采用梁?jiǎn)卧M，承臺(tái)、橋墩以及上部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬。區(qū)間隧道初支和二襯采用板單元模擬。車站主體拱部一層初支、拱部以下初支、中隔壁、中板采用板單元模擬，拱部二層初支、車站二襯采用實(shí)體單元模擬。土體模型采用摩爾庫(kù)倫模型。

（4）上表面為自由面，側(cè)面施加水平約束，底面施加水平、豎向約束。

（5）荷載情況：土體自重由自動(dòng)生產(chǎn)，分析中地面超載主要為地面交通產(chǎn)生的，超載值取20kPa。

4.2 計(jì)算參數(shù)

模型共分8個(gè)土層，土體物理力學(xué)參數(shù)取值情況見表1。車站初支和二襯、區(qū)間初支和二襯以及橋梁結(jié)構(gòu)材料計(jì)算值見表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料計(jì)算取值

4.3 模擬步驟

車站主體開挖步驟如圖4 所示，根據(jù)圖4，將計(jì)算模擬分為26 步，具體模擬情況列見表3。

圖4 車站主體開挖步序圖

表3 計(jì)算工序

4.4 計(jì)算結(jié)果與分析

文中選取新冠高架橋橋樁為分析對(duì)象，詳細(xì)分析車站主體及區(qū)間隧道施工時(shí)橋樁位移變化情況。其中橋樁編號(hào)如圖5 所示，從車站自區(qū)間方向，分別編號(hào)1#、2#、3#。位移方向上的規(guī)定：X 方向位移為橫向水平位移，Y 方向位移為縱向水平位移，Z 方向位移為豎向位移。

圖5 橋樁編號(hào)示意圖

施工完成后橋樁橫向水平位移、縱向水平位移和豎向位移云圖如圖6 所示。由圖6 可知：①車站和區(qū)間施工引起的橋樁豎向位移大于橫向水平位移，縱向水平位移最小；②由車站到區(qū)間方向，橋樁的三向位移逐漸減小，靠近車站的橋樁位移大，靠近區(qū)間橋樁位移小，車站施工影響明顯大于區(qū)間。

圖6 地鐵完成后橋樁位移云圖

橋樁豎向位移隨施工步變化曲線如圖7 所示。由圖7 可知：①同一承臺(tái)下4 根橋樁豎向位移隨施工步變化趨勢(shì)一致，1#承臺(tái)、2#承臺(tái)下橋樁沉降隨著施工步不斷增大，3#承臺(tái)下橋樁先發(fā)生隆起位移，二襯施工后轉(zhuǎn)變?yōu)槌两滴灰疲译S區(qū)間施工逐漸增大；②同一承臺(tái)下靠近地鐵一側(cè)的2 根橋樁豎向位移大于遠(yuǎn)離地鐵一側(cè)的2 根橋樁豎向位移；③對(duì)于1#承臺(tái)，拱部1～4 部施工完成后，4 根橋樁豎向位移分別為-1.41、-1.22、-1.66、-1.34mm，分別約占總位移的65.5%、64.5%、64.9%、65.8%。車站主體施工完成后，4根橋樁豎向位移分別為-2.08、-1.83、-1.74、-1.99mm，分別約占總位移的96.8%、96.7%、97.4%、97.4%。對(duì)于1#承臺(tái)橋樁，車站主體施工引起的豎向位移遠(yuǎn)大于區(qū)間施工引起的豎向位移，且車站拱部1～4 部施工對(duì)于橋樁豎向位移影響最為明顯；④對(duì)2#承臺(tái)，拱部1～4部施工完成后，4 根橋樁豎向位移分別為-0.22、-0.19、-0.14、-0.17mm，分別約占總位移的33.3%、34.0%、28.9%、27.7%。

圖7 橋樁豎向位移隨施工步變化曲線

車站主體施工完成后，4 根橋樁豎向位移分別為-0.39、-0.35、-0.28、-0.32mm，分別約占總位移的61.4%、61.5%、55.6%、54.8%。對(duì)于2#承臺(tái)橋樁，車站主體施工引起的豎向位移稍大于區(qū)間施工引起的豎向位移。

橋樁差異沉降隨施工步變化曲線見圖8。由圖8可知：①1#橋樁差異沉降最大，最大值約為0.345mm。2#橋樁差異沉降次之，最大值約為0.134mm。3#橋樁差異沉降最小，最大值約為0.034mm；②對(duì)于1#、2#橋樁，差異沉降主要是在車站拱部1～4 部施工階段發(fā)生，車站下部及區(qū)間施工階段，差異沉降雖有一定的增大，但變化幅度較??；③對(duì)于3#橋樁，差異沉降主要發(fā)生在區(qū)間施工階段。

圖8 橋樁差異沉降隨施工步變化曲線

5 影響性分析

根據(jù)高架橋鑒定報(bào)告并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境條件，確定高架橋位移控制指標(biāo)：高架橋墩臺(tái)豎向位移控制值10mm；相鄰墩臺(tái)間不均勻沉降差縱向2mm，橫向3mm；承臺(tái)和橋樁水平位移控制值為3mm。各項(xiàng)位移控制指標(biāo)隨施工變化曲線如圖9 所示，各項(xiàng)指標(biāo)變化均發(fā)生在車站主體施工階段。位移控制統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，墩臺(tái)豎向位移最大值約為2.473mm，相鄰墩臺(tái)縱向不均勻沉降差最大值約為1.961mm，承臺(tái)水平位移最大值約為1.498mm，橋樁豎向位移最大值約為2.140mm，均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 各項(xiàng)位移控制指標(biāo)隨施工步變化曲線

表4 位移控制統(tǒng)計(jì)結(jié)果

車站及暗挖區(qū)間未施工橋樁軸力為663.9～1541.1kN，車站施工后，橋樁軸力為579.2～1910.7kN，區(qū)間施工后588.8～1934.1kN，車站和區(qū)間施工后，橋樁軸力有所增加，但分布情況變化較小。

6 結(jié)語(yǔ)

建立了臨近高架橋的初支拱蓋法車站及暗挖區(qū)間的三維有限元模型，基于數(shù)值分析結(jié)果，分析了高架橋橋樁水平位移、豎向位移及差異沉降變化特征，研究結(jié)論如下：

（1）橋樁位移以豎向位移和向地鐵方向的橫向水平位移為主，高架橋軸線方向的水平位移不明顯。橋樁位移在空間上由車站到區(qū)間方向逐漸減小。

（2）橋樁位移隨不同施工步序變化特征與橋梁結(jié)構(gòu)位置有關(guān)，車站范圍內(nèi)和車站與區(qū)間過(guò)渡范圍內(nèi)的橋樁位移隨施工步不斷增大，區(qū)間范圍內(nèi)橋樁位移變化特征為先增大、再減小、后反向增大。

（3）車站范圍內(nèi)橋樁位移主要發(fā)生在車站主體施工階段，其中拱部CD 法開挖部分施工引起的位移占總位移的2/3，是高架橋監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵階段。

（4）綜合計(jì)算分析結(jié)果，高架橋各項(xiàng)位移控制指標(biāo)未超過(guò)容許值，可認(rèn)為車站設(shè)計(jì)參數(shù)、橋梁保護(hù)措施合理，使得高架橋結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。