暗挖地铁车站空间交叉结构施工对邻近扩大基础桥梁影响分析

史磊磊,张仲宇,王 凯,张帆博

(1.北京市市政四建设工程有限责任公司,北京 100176； 2.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

引言

在立交桥区布置的地铁车站往往需要从市政桥梁基础(桩基础或扩大基础)侧面或下方穿过，地铁车站施工会扰动桥梁基础周围的地层，从而导致邻近桥梁基础产生沉降。为确保邻近桥梁使用安全和地铁工程施工安全，需要研究地铁车站开挖对邻近桥梁基础的影响程度，并采取相应的保护措施[1-6]。目前的研究更多的是关注隧道施工以及车站标准断面施工对邻近桥梁基础的影响[7-10]，为进行暗挖地铁车站主体结构施工，需要垂直车站走向设置若干个施工横通道，并从施工横通道的两侧壁开洞进行车站主体结构的施工。

施工横通道与车站主体结构的相交部位为空间交叉结构，暗挖地铁车站工程实践表明：该部位施工工序多，对周边地层多次扰动，由于施工扰动的叠加效应，导致该部位地层沉降大[11-13]，对邻近桥梁基础的影响效应突出。北京地铁12号线安贞桥站主体结构侧穿安贞东桥和安贞西桥，其中安贞东桥采用斜腿刚构+扩大基础结构，这种桥梁基础形式的最大特点是对差异变形极为敏感，目前几乎没有对于该类型桥的近接施工保护措施研究报道，而用于施工该站主体结构的2号和4号施工横通道就布置在扩大基础两侧。根据安贞东桥变形控制要求，提出了“超前深孔注浆”和“超前深孔注浆和地表隔离桩联合使用”等两种保护措施。并对两种保护方案分别建立了三维计算模型，采用数值模拟方法对两种方案的实施效果进行计算分析。根据数值模拟计算结果并结合工程实际情况，确定了对邻近安贞东桥的保护措施。

1 工程背景

由于受到北三环主路的制约，北京地铁12号线安贞桥站为暗挖双层分离岛式车站，结构形式为单跨无柱结构，车站主体左、右线分别位于北三环主路的安贞桥南、北两侧辅路下，采用洞桩法(PBA工法)施工。标准段覆土厚14.9 m，局部下沉段覆土厚16.6 m，局部挑高段覆土厚11.35 m，车站主体结构主要位于粉质黏土、粉细砂和卵石-圆砾层。

地铁安贞桥车站左、右线主体结构以及2号和4号施工横通道与邻近安贞东桥位置关系见图1、图2。横通道为高边墙结构，共分为5层，采用CD法开挖。横通道施工完成后，在横通道的东、西两侧侧壁开马头门，向东、西两端进行导洞施工、导洞内的边桩施工以及扣拱施工和车站主体结构的施工等。

图1 车站结构与安贞东桥平面位置关系示意(单位：m)

图2 车站结构与安贞东桥断面位置关系示意(单位：m)

安贞东桥结构体系为斜腿刚构，主梁采用钢筋混凝土变截面连续T梁，桥梁纵向跨径为8.5 m+17.5 m+8.5 m；中墩为变截面斜腿形式，两个预制的斜腿并排组成结构上的一个受力单元，柱顶为60 cm×89 cm矩形断面，与扩大基础连接的铰处为45 cm×30 cm矩形断面，预制斜腿通过现浇柱顶横梁与主梁形成整体；下部采用现浇扩大基础，如图3所示。

图3 安贞东桥纵剖面(高程单位为m，其余为cm)

2 横通道与车站主体交叉部位施工对安贞东桥影响分析

安贞东桥邻近车站主体结构及施工横通道，特别是横通道与车站主体交叉部位施工对安贞东桥影响更为显著。

(1)车站主体结构左、右线结构边线距安贞东桥的东、西侧扩大基础水平净距均小于2 m(图1)，桥梁基础全部处在车站左线和右线主体开挖影响破裂面之内。

(2)2号、4号施工横通道位于安贞东桥的东、西两侧的扩大基础之间，横通道端部距离安贞桥扩大基础最近距离均在2 m左右，待横通道施工完成之后，需要在其两侧壁开洞向东、西两个方向进行车站主体结构的施作，形成空间交叉结构。在横通道两侧由横通道进入车站正洞施工，都需要分两次破除横通道侧壁初期支护，第一次从横通道进入车站主体小导洞施工，第二次从横通道结构向车站正洞的开挖和结构过渡。这样桥梁扩大基础将受到横通道施工、横通道侧壁开马头门施工、车站主体导洞施工、车站主体结构扣拱施工以及车站主体结构施工的叠加影响。

由于横通道与车站主体结构的相交部位为空间交叉结构，该部位结构施工工序多，结构受力转换复杂，施工对桥梁扩大基础周围地层产生多次扰动。

(3)一般来说，当桥梁基础为扩大基础时，抵抗差异沉降的能力较差[14-15]。而安贞东桥的基础不但是扩大基础，且桥梁上部结构为钢筋混凝土铰接斜腿刚构，主梁横向通过横梁及现浇连续桥面板连成整体，主梁与斜腿为刚接，斜腿与基础为铰接。基础的纵向、横向差异沉降会导致主梁及主梁与斜腿节点内力发生变化，过大的内力变化会使关键截面混凝土开裂，导致桥梁的承载能力降低，影响桥梁的安全性及耐久性。

因此，本桥对各项变形指标控制极其严格，桥梁各项变形指标控制值如下：桥梁基础最大沉降控制值10 mm，横桥向相邻中墩墩柱不均匀沉降控制值为1 mm，各墩纵向差异沉降控制值为2 mm。

3 安贞东桥保护措施研究

根据文献[16]关于地铁车站邻近桥梁风险等级的风险划分方法，结合北京地铁邻近风险源的风险等级划分方法，安贞桥站施工对安贞东桥的影响风险等级为“一级风险”,必须采取“先加固桥梁基础、后地铁车站穿越”的施工措施。为此提出了两种对邻近安贞东桥的保护方案，方案1：洞内超前深孔注浆；方案2：洞内超前深孔注浆与地表打设隔离桩相结合的方法进行保护。

3.1 超前深孔注浆

注浆可以有效地对施工影响范围内土体进行加固，减小其变形[17]，是地下工程施工中常用的行之有效的加固方法。此次施工中采用超前深孔注浆的方式代替小导管注浆，超前深孔注浆每次打设长度9 m，搭接长度3 m。采用水泥-水玻璃双液浆对导洞开挖轮廓、靠近桥基础一侧边墙以及大拱开挖轮廓外放1.5 m，内放0.5 m的范围内的土体进行加固，注浆断面如图4所示。

图4 车站主体注浆断面(单位：mm)

3.2 隔离桩保护措施

在地铁工程和邻近桥梁之间设置隔离桩，可有效降低地铁施工的影响[18]。在安贞东桥两个扩大基础与左、右线主体结构之间设置隔离桩，PBA工法对地层影响最大的阶段为小导洞开挖和拱部土体开挖阶段，下层土体开挖时由于围护桩的存在，对地层扰动不大，隔离桩的桩端宜在小导洞底板下3 m左右，因此桩长设置为25 m。隔离桩形式为φ800 mm的钻孔灌注桩，间距为1 200 mm。桩的平面、纵剖面布置分别如图5、图6所示。

4 横通道与车站主体空间交叉部位施工对邻近桥梁影响计算分析

4.1 计算模型

图5 隔离桩布置平面

图6 隔离桩布置纵剖(单位：mm)

为有效控制车站空间交叉部位施工对邻近安贞东桥的影响，提出了“洞内采用超前深孔注浆”和“洞内超前深孔注浆+地表隔离桩”等2个保护方案，并分别建立三维计算模型，如图7所示。其中左、右线主体结构纵向长60 m，2号和4号横通道纵向长度分别为53.6，56.65 m，桥面尺寸为45 m×35 m，两个扩大基础尺寸为x×y×z=45 m×7.5 m×2 m。计算模型尺寸为x×y×z=200 m×60 m×60 m。

图7 车站交叉结构与安贞东桥的三维计算模型

地层物理力学参数见表1，车站结构及桥梁结构物理力学参数如表2所示。

表1 土层分布及土体属性

表2 车站结构及桥梁结构物理力学参数

为便于分析横通道与车站主体结构的相交部位施工对邻近桥梁影响，在桥梁扩大基础的4个角处各布置1个测点(取值点)，两个扩大基础共布置8个测点(取值点)，如图8所示。

图8 测点(取值点)布置

4.2 计算结果分析

4.2.1 桥梁扩大基础沉降分析

在横通道与车站主体结构的相交部位施工阶段，桥梁扩大基础的8个角点(取值点)沉降曲线如图9、图10所示。

图9 洞内超前深孔注浆方案扩大基础典型测点沉降曲线

图10 洞内超前深孔注浆+隔离桩方案 扩大基础典型测点沉降曲线

计算结果分析如下。

(1)在仅实施洞内超前深孔注浆措施情况下，西侧扩大基础最大沉降值为16.9 mm，东侧扩大基础最大沉降值为17.7 mm，均已超过扩大基础允许的最大沉降值。

(2)在实施“洞内超前深孔注浆+隔离桩”措施情况下，西侧扩大基础最大沉降值为9.3 mm，东侧扩大基础最大沉降值为9.2 mm。

4.2.2 桥体应力分布

(1)最大主应力分布

最大主应力分布云图如图11所示。

图11 最大主应力云图

仅实施洞内超前深孔注浆情况下最大拉应力出现在扩大基础的边角处，大小为1.21 MPa；在采取“洞内超前深孔注浆+隔离桩措施”的情况下最大拉应力出现在中墩(斜腿)与桥面连接处，大小为1.14 MPa。

(2)最小主应力分布

最小主应力分布云图如图12所示。

图12 最小主应力云图

在仅实施洞内超前深孔注浆情况下，最大压应力出现在中墩(斜腿)的腿脚处，大小为2.73 MPa；在采取“超前深孔注浆+隔离桩”措施的情况下最大压应力位于边墩处，大小为2.27 MPa。

(3)最大剪应力分布

最大剪应力分布云图如图13所示。

图13 最大剪应力云图

仅实施洞内超前深孔注浆情况下最大剪应力出现在中墩(斜腿)的腿脚处，大小为1.40 MPa；在采取“洞内超前深孔注浆+隔离桩措施”的情况下最大剪应力位于边墩处，大小为1.26 MPa。

综上所述，由上述两种桥梁加固保护方案模拟结果可知：

(1)采用“洞内超前深孔注浆+隔离桩”加固方案，能有效控制桥梁扩大基础的沉降，但是也接近了扩大基础沉降控制指标；

(2)在采取洞内超前深孔注浆+隔离桩措施的情况下，桥体的最大拉应力、最大压应力以及最大剪切应力相比洞内超前深孔注浆方案略有减小，改善效果不明显，但两种加固方案的桥体拉应力、压应力和剪应力均未超过材料强度值，因此，在车站交叉结构施工阶段，应着重控制安贞东桥扩大基础的沉降。

5 桥梁扩大基础变形监测结果分析及后续施工措施

目前车站交叉结构部位已经完成横通道的上层2个导洞施工，并在导洞两侧开马头门，完成了车站导洞开挖以及导洞内的钻孔灌注桩施工，截至到2019年5月31日，桥梁基础及下部墩柱结构变形指标监测值如下。

(1)桥梁扩大基础沉降最大值为7.32 mm(控制值10 mm)，出现在安贞东桥西侧扩大基础的5号测点部位。

(2)横桥向相邻中墩墩柱不均匀沉降控制值为0.68 mm(控制值1 mm)，出现在安贞东桥西侧扩大基础上方的北边两个相邻墩柱。

(3)墩柱纵向差异沉降最大值为1.56 mm(控制值2 mm)，出现在安贞东桥北侧的东、西两个相邻墩柱。

上述的桥梁基础沉降监测值、横桥向相邻中墩墩柱不均匀沉降监测值以及各墩纵向差异沉降监测值均已超过预警值(预警值为控制值的60%)，根据类似工程的施工经验，横通道和导洞开挖的沉降值往往只占总沉降控制值的40%左右，显然目前桥梁扩大基础及下部墩柱结构沉降控制效果不太理想。

造成桥梁扩大基础及下部墩柱结构沉降超预警值的原因既有客观原因，也有施工措施不到位的原因。客观原因在于暗挖车站横通道与车站主体结构相交部位与桥梁扩大基础距离较近；施工原因有三点：其一，横通道和导洞拱部地层主要为粉质黏土层，超前深孔注浆效果很难达到设计要求(设计要求注浆后的土体强度为0.5 MPa)；其二，粉质黏土地层施工降水引起的地层固结沉降较大；其三，导洞内的边桩施工对邻近扩大基础造成的影响，但目前还没有比较有效的方法来计算评估这种影响。

因此在后续施工中必须通过“调整拱部开挖方案、加强支护结构及加强地层注浆”等措施严格控制地层沉降。经方案研讨，在后续车站拱部扣拱施工和主体结构施工中决定采取以下措施：

(1)洞口部位的拱部开挖方案由台阶法改为CD法施工；

(2)拱部增加超前小导管注浆加固措施；

(3)车站左、右线主体结构扣拱尽量同步实施，以减少桥梁扩大基础差异沉降。

6 结语

安贞东桥下部结构形式为斜腿刚构，下接现浇扩大基础，结构形式特殊，对差异变形极为敏感。由于全部扩大基础均进入地铁车站开挖影响范围，因此必须采取有效措施确保桥梁的安全。

(1)安贞桥站施工横通道与车站主体结构相交部位为空间交叉结构，该部位的施工将对邻近桥梁扩大基础周围的地层多次扰动，根据该部位与安贞东桥的位置关系及桥梁结构特点，将施工对安贞东桥的影响风险等级确定为“一级风险”。提出采取“先加固桥梁基础、后地铁车站穿越”的邻近桥梁保护原则。

(2)提出“洞内超前深孔注浆”和“洞内超前深孔注浆+地面施作隔离桩”两种对邻近安贞东桥的保护措施。

(3)基于有限差分数值模拟方法，对两种桥梁保护方案建立三维计算模型，分析了不同方案的桥梁结构受力特点及扩大基础的变形特征，计算结果表明：两种加固方案的桥体拉应力、压应力和剪应力均未超过材料强度值，但“洞内超前深孔注浆与地表设置隔离桩”相结合的保护方案对桥梁扩大基础的变形控制效果更好。

(4)在车站交叉结构施工阶段，应着重控制安贞东桥扩大基础的沉降，尤其是差异沉降。

(5)分析了目前施工阶段桥梁下部结构和扩大基础沉降监测数据超预警值的原因，提出了后续的施工对策。