摘要：目前城市地铁建设发展迅速，以不同工法下穿桥梁等重大风险源工程项目越来越多，但是以暗挖车站洞桩法下穿桥梁的工程案例却很少见。以北京地铁16号线红莲南里站为依托，通过车站洞桩法导洞开挖、扣拱等车站各关键阶段施工对南马连道莲花河跨河桥安全性影响进行数值模拟分析，预测对桥梁的影响程度及可能带来的危害，研究出车站设计关键措施以及桥梁盖梁加固措施，制定出合理的施工工序，实现了下穿跨河桥期间安全可控，并与实际监测数据进行了对比，进而验证了研究成果的适用性、合理性和科学性。
关键词：暗挖车站；洞桩法；下穿桥梁；关键措施；研究
引言
随着城市轨道交通建设的高速发展，地铁区间或车站下穿建/构筑物（如桥梁）施工将会逐渐成为常态。特别是在既有桥梁附近修建地铁工程项目时，如果不能正确评估地铁车站施工带来的潜在危险，发生事故后的经济损失及社会影响将难以估计，有时甚至带来不可挽回的、灾难性的后果。因此，正确评估地铁车站施工对周边工程，尤其是重要建/构筑物的安全性影响工作意义重大。
1下穿重难点及数值分析目的
1．1下穿设计重难点
隧道走向与岩层走向一致，隧道左侧开挖会导致岩层顺向临空，在不利外倾结构面的组合作用下，易发生洞壁围岩掉块和局部坍塌。由于隧道拱部及左侧壁稳定性较差，勘察报告亦提及该地质条件成洞困难。另地表雨水通过围岩裂隙渗入，软化围岩，增大围岩顺层滑移坍塌的可能性。对于大跨度暗挖隧道的开挖工法，双侧壁导坑法虽然是大断面开挖的常用工法，但其开挖支护难度大，在这特定地质条件下，设计未对该车站具体情况作出针对性设计。车站轴线与围岩岩层走向一致且岩层倾角 55 ～ 72°，对于成洞作业极其不利，在开挖支护参数上应考虑偏压受力，并应对系统锚杆的设计长度、角度作出针对性说明，应使系统锚杆打设方向与岩层倾向大角度相交起到串联破碎岩体的作用，应绝对避免锚杆顺层打设。在施工过程中未严格按照方案施工且工序质量差：超前小导管不按图实施，间距大，前后无搭接，不进行注浆等，达不到设计的超前支护作用；凸出车站暗挖施工难度大（暗挖埋深70米）、主体车站开挖断面大（宽26.26米、高21.567米，最大开挖面积475.8㎡、开挖工法双侧壁导坑、下穿既有车站净距5.06米，中隔壁竖向临时钢架未紧贴岩壁，造成临时钢架处于不利受力情况；未严格按照设计，对局部破碎、软弱围岩进行非爆破开挖；；爆破开挖不按爆破方案实施，自加大循环进尺，增加炮眼深度，多装药，少打眼，使得震速严重超标。
1．2数值分析目的及意义
本次数值分析的主要对象为红莲南里车站上部跨河桥盖梁的总体沉降及差异沉降，主要目的是通过车站开挖对跨河桥的安全性影响进行数值模拟分析，预测车站开挖对桥梁的影响程度及可能带来的危害，从而提出洞桩法下穿桥梁设计关键措施，并制定出合理的施工工序，对危险部位事先采取防范措施，回避风险，最后确保暗挖车站安全和桥梁安全。本研究采用摩尔库仑（M．C）本构模型，数值软件采用迈达斯midasGTS。
2三维有限元数值模拟分析
2．1计算模型
车站施工三维有限元模型如图2所示，模型长116．43m、宽60m、高50m，地面超载20kPa。土体和加固后土体本构模型采用Mohr-Coulomb模型；上桥桩采用梁单元来模拟，下桥桩、边桩，中柱及中桩均采用植入式梁单元来模拟；车站大小及支护参数设置均按照图纸实际情况进行模拟，其中河底面层（厚度0．1m，C15混凝土）、导洞初支（厚度0．35m）、扣拱边跨（厚度0．35m）及中跨（厚度0．35m）均采用midasGTS中析取的单元生成（2D平面应变模拟）。
2.2计算参数
数值计算中需要采用弹性模量计算，而勘察报告只提供压缩模量Es，根据以往分析经验，弹性模量E一般可以取3～5倍Es，本文土体弹性模量为其压缩模量的5倍。小导洞超前注浆效果可视为在开挖面周围围岩中形成了约2．5m厚环状加固圈，这种注浆加固围岩采用改变围岩参数，即重新赋予材料属性的等效方法进行考虑。初期支护中的格栅钢架及网喷混凝土根据抗压刚度相等的原则都折算给了喷混凝土衬砌，采用线弹性壳单元进行模拟。
2.3计算结果
2．3．1导洞间土体开挖及扣拱施工阶段
（1）土体变形导洞间土体开挖及扣拱施工步下土体竖向（Y方向）位移云图见图1（本文限于篇幅，X/Z方向结果略去，下同）。
图1导洞间土体开挖及扣拱施工步后土体竖向位移云图
该施工步完成后，土体竖向沉降最大值约为20．435mm（车站上方），土体横向水平位移（最大横向水平位移值为6．03mm，出现在4号导洞上方地面位置）大于纵向水平位移，且横向和纵向水平位移均小于竖向沉降。由于导洞、导洞间土体开挖产生卸荷效应，车站施工结束后底部土体有隆起现象，最大隆起量约为5．65mm。跨河桥变形该施工步结束后上部桥梁及附属桩基最大沉降约为8．374mm（最右侧盖梁及桩基竖向沉降较其他位置盖梁及桩基竖向沉降要大），横向水平位移大于纵向水平位移，且横向和纵向水平位移均小于竖向沉降。每个盖梁差异沉降均较小。右侧盖梁和桥面右侧部分因为下方土体开挖发生沉降位移，左侧盖梁及桥面出现上浮位移。
2．3．2车站开挖及结构施作阶段
土体变形车站施工结束后，土体竖向沉降最大值为20.012mm（车站上方），土体横向水平位移（最大横向水平位移值为5．65mm，出现在4号导洞上方的地面位置）大于纵向水平位移，横向和纵向水平位移均小于竖向沉降。由于车站开挖产生的卸荷效应，车站施工结束后底部土体有隆起现象出现，最大隆起量约为7．403mm。（2）跨河桥变形车站施工后，上部桥梁及附属桩基最大沉降约为7．710mm（比导洞间土体开挖及扣拱初支施工步有所减小），横向水平位移大于纵向水平位移，且横向和纵向水平位移均小于竖向沉降。从图6可发现，每个盖梁上差异沉降不大，右侧盖梁和桥面部分因为下方导洞开挖发生沉降位移，左侧桥面位移则表现为上浮特征（上浮值较小）。
结语
本文分析了车站洞桩法导洞开挖、扣拱等车站各关键阶段施工对南马连道跨河桥安全性影响，研究出车站设计关键措施以及桥梁盖梁加固措施，制定出合理的施工工序，进行了数值模拟分析并与实际监测数据进行了对比，得到以下结论：（1）因车站开挖面积较大，且车站顶部距离既有桥梁和其桩基距离较近，大面积开挖产生的卸荷效应显著，导致坑外土体产生趋向车站内部移动的趋势，在土体变形传递效应的影响下桥梁及附属桩基产生一定的沉降和水平位移。（2）为简化模型，在数值模拟过程中，导洞一次开挖长度较大，和实际施工中不同导洞开挖面差距10m的情况不同，这会导致计算出的位移结果要比按实际施工工序来计算的结果要稍大。（3）有限元计算结果分析表明，跨河桥在红莲南里站车站主体结构开挖过程中产生了一定的沉降和水平位移（最大土体变形、桥梁），但各项位移指标数值均处在变形控制标准10mm之内，符合安全控制要求，结构安全，工程可行。（4）红莲南里站主体结构通过合理组织、精心施工，严格控制车站施工质量，确保了车站结构安全；严格控制车站变形，尤其是上部跨河桥的变形，确保了桥梁安全和顺利下穿。
参考文献：
［1］张成平，张顶立，吴介普，等．暗挖地铁车站下穿既有地铁隧道施工控制［J］．中国铁道科学，2009，30（1）：69－73．
［2］张卫业．地铁车站穿越市政管线PBA工法施工沉降控制关键技术［J］．铁道建筑技术，2016（2）：41－45，53．
论文作者:苑伟家
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/31
标签：车站论文; 位移论文; 桥梁论文; 围岩论文; 水平论文; 数值论文; 横向论文; 《建筑模拟》2018年第10期论文;